新型旋转抛物面换能器阵列的设计
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１ 声场指向性理论
将描述一个声源发射或接收响应在远场区上的空间分
收稿日期：２０２０ ０５ １２；修回日期：２０２０ １１ １８；网络优先出版日期：２０２０ １１ ２０。 网络优先出版地址：ｈｔｔｐ：∥ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．２４２２．ＴＮ．２０２０１１２０．１６５９．００６．ｈｔｍｌ 基金项目：国家自然科学基金（４１７７４１５６，４１３７４１５４）资助课题 引用格式：谭笑枫，李夕海，曾小牛，等．新型旋转抛物面换能器阵列的设计［Ｊ］．系统工程与电子技术，２０２１，４３（３）：６３１６３６． 犚犲犳犲狉犲狀犮犲犳狅狉犿犪狋：ＴＡＮ Ｘ Ｆ，ＬＩＸ Ｈ，ＺＥＮＧ Ｘ Ｎ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｎｏｖｅｌｒｏｔａｒｙｐａｒａｂｏｌｏｉｄｔｒａｎｓｄｕｃｅｒａｒｒａｙ［Ｊ］．ＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０２１，４３（３）：６３１６３６
犓犲狔狑狅狉犱狊：ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ；ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ａｒｒａｙ；ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ；ｒｏｔａｔｉｎｇｐａｒａｂｏｌｏｉｄ
０ 引 言
从 ２０ 世 纪 ８０ 年 代 开 始 ，基 于 声 参 量 效 应 的 声 频 定 向 传 输 技 术 开 始 引 起 学 术 界 的 广 泛 关 注［１５］。 因 其 具 有 一 般 扬 声 器 不 具 备 的 高 指 向 性 和 可 控 性 等 特 点 ，在 军 事［６］、材 料 ［７１１］、测 量 ［１２１３］、水 声 ［６，１４１５］、医 疗 ［１６］、成 像 ［１７］等 领 域 都 具 有重要的研究意义和广阔的应用前景。在声频定向传输系 统中，利用超声换能器组成的发射阵列是该系统的关键组 成部分，对最终声波发射功率和指向性特点起着决定性的 作用［１，１８］。不少学者对于如何提高阵列的指向性进行了优 化设计，但多针对于常规一维线阵、二维平面矩形阵和多边 形 阵［１９２５］。 无 论 是 何 种 类 型 的 平 面 阵 列 ，都 需 要 通 过 增 加
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｌｏｗｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｒａｔｅ，ｈｉｇｈｃｏｓｔａｎｄｈｉｇｈｍａｃｈｉｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｉｎ ｃｏｍｍｏｎｏｎｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｉｎｅａｒａｒｒａｙａｎｄｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｌａｎａｒａｒｒａｙ，ａｒｏｔａｔｉｎｇｐａｒａｂｏｌｏｉｄｔｒａｎｓｄｕｃｅｒａｒｒａｙｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆａｒｂｉｔｒａｒｙｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌａｒｒａｙ．Ｔｈｅｐｌａｎａｒ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒａｒｒａｙｉｓｒｏｔａｔｅｄｉｎｔｏａｐａｒａｂｏｌｏｉｄｔｙｐｅ，ａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｒｏｔａｔｉｎｇｐａｒａｂｏｌｏｉｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒａｒｒａｙａｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｎｅｗａｒｒａｙｃａｎ ｎｏｔｏｎｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｂｕｔａｌｓｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅａｒｒａｙｓｐａｃｉｎｇ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆｔｈｅａｒｒａｙ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆａｃｏｕｓｔｉｃｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｓｏｔｈａｔ ｍｏｒｅａｃｏｕｓｔｉｃｅｎｅｒｇｙｉｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｉｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｉｎｌｏｂｅ．
（１．火箭军工程大学核工程学院，陕西 西安７１００２５；２．火箭军士官学校，山东 青州２６２５００）
任 意 摘三 维要阵列：针的对指常向见性的函一数维的线基阵础列上和，设二计维了平一面种阵旋存转在抛能物量面转型化换率能低器、成阵本列高。和将加平工面精型度换要能求器高阵等列问旋题转，成在抛构
建 物
面型，利用指向性函数确定旋转抛面型换能器阵列相应参数的最优值。仿真对比实验及其分析表明，该新型阵
列可以在减少换能器阵元使用数量、增大阵元间距的同时，改善阵列的指向性，并能提高声能量转化效率，使更多
的声能集中在主瓣方向。
关键词：超声波；换能器；阵列；指向性；旋转抛物面
中图分类号：ＴＮ９１２ 文献标志码：Ａ 犇犗犐：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０６Ｘ．２０２１．０３．０５
阵元数目的方法来提高指向性，造成换能器阵列成本上升； 并且，为了避免栅瓣的出现，阵元间距必须控制在一定的范 围，且该间距随着辐射声频的上升而缩小 。 ［２６２７］ 这显然与 换能器自身的尺寸是一对难以调和的矛盾，在实际生产中 难以兼顾，所以大大影响了声频定向传输的效果。本文在 前人研究的基础之上，统筹考虑换能器阵元和点源阵列两 者的指向性特点，构建了适用于任何几何形状排列的阵列 指向性分析函数。在此基础上，设计了一种旋转抛物面式 的曲面换能器阵列，并分析讨论了不同换能器个数、间距、 抛物面焦距等参数对该阵列指向性的影响。
文第章２４编０３２号１卷：１年 ００３１第５月０３６Ｘ期（２０２１）０３０６３１０６ Ｓｙｓｔｅｍｓ系Ｅｎ统ｇｉ工ｎｅ程ｅｒｉ与ｎｇ电ａ子ｎｄ技Ｅｌ术ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ网址Ｖ：ｗｏＭｌｗａ．ｒｗ４ｃ３．ｈｓ ｙ２ｓＮ０ｅ２ｌｏｅ１．．３ｃｏｍ
新型旋转抛物面换能器阵列的设计
谭笑枫１，李夕海１，曾小牛１，康志谦２，李广帅１
犇犲狊犻犵狀狅犳狀狅狏犲犾狉狅狋犪狉狔狆犪狉犪犫狅犾狅犻犱狋狉犪狀狊犱狌犮犲狉犪狉狉犪狔
ＴＡＮ Ｘｉａｏｆｅｎｇ１，ＬＩＸｉｈａｉ１，ＺＥＮＧ Ｘｉａｏｎｉｕ１，ＫＡＮＧＺｈｉｑｉａｎ２，ＬＩＧｕａｎｇｓｈｕａｉ１
（１．犛犮犺狅狅犾狅犳犖狌犮犾犲犪狉犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犚狅犮犽犲狋犉狅狉犮犲犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犡犻’犪狀７１００２５，犆犺犻狀犪； ２．犚狅犮犽犲狋犉狅狉犮犲犛犲狉犵犲犪狀狋犛犮犺狅狅犾，犙犻狀犵狕犺狅狌２６２５００，犆犺犻狀犪）
将描述一个声源发射或接收响应在远场区上的空间分
收稿日期：２０２０ ０５ １２；修回日期：２０２０ １１ １８；网络优先出版日期：２０２０ １１ ２０。 网络优先出版地址：ｈｔｔｐ：∥ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．２４２２．ＴＮ．２０２０１１２０．１６５９．００６．ｈｔｍｌ 基金项目：国家自然科学基金（４１７７４１５６，４１３７４１５４）资助课题 引用格式：谭笑枫，李夕海，曾小牛，等．新型旋转抛物面换能器阵列的设计［Ｊ］．系统工程与电子技术，２０２１，４３（３）：６３１６３６． 犚犲犳犲狉犲狀犮犲犳狅狉犿犪狋：ＴＡＮ Ｘ Ｆ，ＬＩＸ Ｈ，ＺＥＮＧ Ｘ Ｎ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｎｏｖｅｌｒｏｔａｒｙｐａｒａｂｏｌｏｉｄｔｒａｎｓｄｕｃｅｒａｒｒａｙ［Ｊ］．ＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０２１，４３（３）：６３１６３６
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从 ２０ 世 纪 ８０ 年 代 开 始 ，基 于 声 参 量 效 应 的 声 频 定 向 传 输 技 术 开 始 引 起 学 术 界 的 广 泛 关 注［１５］。 因 其 具 有 一 般 扬 声 器 不 具 备 的 高 指 向 性 和 可 控 性 等 特 点 ，在 军 事［６］、材 料 ［７１１］、测 量 ［１２１３］、水 声 ［６，１４１５］、医 疗 ［１６］、成 像 ［１７］等 领 域 都 具 有重要的研究意义和广阔的应用前景。在声频定向传输系 统中，利用超声换能器组成的发射阵列是该系统的关键组 成部分，对最终声波发射功率和指向性特点起着决定性的 作用［１，１８］。不少学者对于如何提高阵列的指向性进行了优 化设计，但多针对于常规一维线阵、二维平面矩形阵和多边 形 阵［１９２５］。 无 论 是 何 种 类 型 的 平 面 阵 列 ，都 需 要 通 过 增 加
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｌｏｗｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｒａｔｅ，ｈｉｇｈｃｏｓｔａｎｄｈｉｇｈｍａｃｈｉｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｉｎ ｃｏｍｍｏｎｏｎｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｉｎｅａｒａｒｒａｙａｎｄｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｌａｎａｒａｒｒａｙ，ａｒｏｔａｔｉｎｇｐａｒａｂｏｌｏｉｄｔｒａｎｓｄｕｃｅｒａｒｒａｙｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆａｒｂｉｔｒａｒｙｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌａｒｒａｙ．Ｔｈｅｐｌａｎａｒ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒａｒｒａｙｉｓｒｏｔａｔｅｄｉｎｔｏａｐａｒａｂｏｌｏｉｄｔｙｐｅ，ａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｒｏｔａｔｉｎｇｐａｒａｂｏｌｏｉｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒａｒｒａｙａｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｎｅｗａｒｒａｙｃａｎ ｎｏｔｏｎｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｂｕｔａｌｓｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅａｒｒａｙｓｐａｃｉｎｇ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆｔｈｅａｒｒａｙ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆａｃｏｕｓｔｉｃｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｓｏｔｈａｔ ｍｏｒｅａｃｏｕｓｔｉｃｅｎｅｒｇｙｉｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｉｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｉｎｌｏｂｅ．
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任 意 摘三 维要阵列：针的对指常向见性的函一数维的线基阵础列上和，设二计维了平一面种阵旋存转在抛能物量面转型化换率能低器、成阵本列高。和将加平工面精型度换要能求器高阵等列问旋题转，成在抛构
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关键词：超声波；换能器；阵列；指向性；旋转抛物面
中图分类号：ＴＮ９１２ 文献标志码：Ａ 犇犗犐：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０６Ｘ．２０２１．０３．０５
阵元数目的方法来提高指向性，造成换能器阵列成本上升； 并且，为了避免栅瓣的出现，阵元间距必须控制在一定的范 围，且该间距随着辐射声频的上升而缩小 。 ［２６２７］ 这显然与 换能器自身的尺寸是一对难以调和的矛盾，在实际生产中 难以兼顾，所以大大影响了声频定向传输的效果。本文在 前人研究的基础之上，统筹考虑换能器阵元和点源阵列两 者的指向性特点，构建了适用于任何几何形状排列的阵列 指向性分析函数。在此基础上，设计了一种旋转抛物面式 的曲面换能器阵列，并分析讨论了不同换能器个数、间距、 抛物面焦距等参数对该阵列指向性的影响。
文第章２４编０３２号１卷：１年 ００３１第５月０３６Ｘ期（２０２１）０３０６３１０６ Ｓｙｓｔｅｍｓ系Ｅｎ统ｇｉ工ｎｅ程ｅｒｉ与ｎｇ电ａ子ｎｄ技Ｅｌ术ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ网址Ｖ：ｗｏＭｌｗａ．ｒｗ４ｃ３．ｈｓ ｙ２ｓＮ０ｅ２ｌｏｅ１．．３ｃｏｍ
新型旋转抛物面换能器阵列的设计
谭笑枫１，李夕海１，曾小牛１，康志谦２，李广帅１
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