换能器阵

[拼音]：huannengqizhen

[外文]：transducer array

由多个换能器以一定的形式排列而成的阵列。与天线阵类似。换能器阵中的每个换能器称基元或阵元，大型的水声换能器阵长达几公里，基元数多至上千个;小型的超声换能器阵，如医学超声诊断仪上的换能器阵（也叫探头），从几毫米到几十厘米，基元数也有几百以上的。换能器阵主要是在近30年内发展起来的，主要目的是：

（1）取得大的空间增益或提高空间分辨率；

（2）增大发射声功率、频带或改善瞬态特性；

（3）提高信噪比；

（4）实现多波束、波束扫描、可变焦距或动态聚焦、自适应波束成形等，即形成所需要的指向性。

常用的阵从阵的排列形状可分为：线列阵、平面阵、圆柱阵、球阵、体积阵和舰艇水下部分外形相一致的共形阵、基元在空间上以某种统计分布规律排列的随机阵、探照灯式的凹面阵等等。

阵的束控

对各基元上的电压（或电流）的幅度和相位进行控制，就可控制整个阵的指向性，如波瓣的方向、大小和宽度等，简称束控。只控制幅度的叫幅度束控；只控制相位的叫相位束控。常用的幅度束控有：

（1）二项式束控，N元阵的幅度分布和二项式的(N-1)次展开式的系数成正比，此时旁瓣为零。

（2）道尔夫-切比雪夫束控，N元阵的分布等于(N-1)次切比雪夫多项式，即令阵的分布系数与切比雪夫的相应系数相等。可得到对任一规定的旁瓣级，得到的主瓣最窄；或者，对任一规定的主瓣宽度，得到的旁瓣级是所有可能中最低的。而且是等高的旁瓣。

（3）泰勒束控，得到的等高旁瓣仅在主瓣邻近的区域内，在规定的角度外，旁瓣下降。当基元数N很大时，道尔夫-切比雪夫阵对两端附近基元的激励状态微小变化很敏感的问题可用泰勒束控克服。

（4）余弦- 均匀束控，能使旁瓣急剧减少的另一种方法，它是一余弦束控和一均匀激励的叠加。

（5）海明束控，按余弦二次方的束控。一般情况下，相位束控常应用于波束需扫描的阵中。

阵的指向性的综合法和分析法

分析法是从已知基元上的电压或电流，计算阵的指向性；综合法是要求预期的指向性，计算基元上的电压或电流。综合法在实际中应用广泛，它主要包括：

（1）傅里叶变换法，孔径分布与方向性互成傅里叶转换的关系。

（2）用有限数目的采样值重建波束图，这和信息论中的采样定理类似，对长为L的有限孔径阵，其指向性可由一系列角间距为 弧度(λ为波长) 的方向上所取的值重建起来。重建的方法是是在每个采样值上乘一个“合成函数”然后取和叠加，使它等于所需指向性，求出基元上的电压或电流分布。

（3）前面提到的幅度束控的五种常用方法。

（4）其他方法，如函数逼近法和非线性规划等等办法。

线阵和平面阵

等间距阵的幅度束控和不等间距阵中的间距变化之间存在着某种等价性。间距递增的不等间距阵在均匀幅度和较少基元（间距可大于波长）的情况下，可实现在宽频带内有低旁瓣的指向性；等间距阵有计算简单、设计成熟、可得到最大指向性因子等优点，间距为半波长的均匀幅度的离散线阵的指向性几乎和均匀幅度的连续线阵的完全相同。平面阵或线阵的指向性都可应用指向性的乘积定理和加法定理。

扫描阵

调节各基元上的激励力或输出信号的幅度和相位，能实现波束的扫描或预成多波束的阵。在水声学中最常用的圆柱阵或球阵。由于它们空间上的对称性，可大大简化电子设备。在医学诊断中，超声成像的换能器阵，常应用线扫描和扇扫描，线扫描是在一长线阵中，依次地采用部分基元工作，使波束主瓣相应地依次移动，这使电子设备部分能大大简化。扇扫描是用不同的时延或相移信号加到相应的基元上，才能形成波束扫描，一般将控制相位的方法实现波束扫描的称为相控阵。扇扫描也可用机械方法来实现，但转速不能太高。动态聚焦也可看为相控阵，它使波束的焦点在声轴上由近到远地扫描。

当波束扫向端射方向附近时，往往由于障板和基元间互辐射阻抗的影响，使波束发生畸变。

阵中的相互作用效应

各基元之间通过周围媒质发生声耦合效应。在共振频率附近工作时（包括基元本身的力阻抗较低的非共振情况），往往由于这种互作用效应，使阵的性能发生反常情况，如有些基元在阵中吸收声能。实验发现，在端射时，最末基元处的声压比第一个基元处的声压大得多。这种辐射声压的积累现象，就可能会使靠近末端的基元振动速度和电的激励力反相。基元间的相互作用用互辐射阻抗来量度。“速度控制”是对压电换能器加一串联电感，使在窄频带内，增大自阻抗，从而减少互作用的影响。阵的对称排列，消除每个基元在位置上的特殊性，也是减少互作用的有效方法之一。但是互阻抗也可利用，如设计合理的，可利用互阻抗使阵的效率、带宽等特性大大改善。

阵增益

是接收阵空间处理的量度，它比阵的方向性指数具有更大的实际意义，因为它表示了信号和噪声场的空间- 时间相关结构，其定义有三种表示方式，实质一样：

（1）阵平均的信号功率与噪声功率的比值和单个基元的平均信号与噪声功率的比值之比(用分贝表示)。

（2）阵的信号增益减去阵的噪声增益（都用分贝表示）。

（3）用互相关系数表示为

ρ_ij(s)、ρ_ij(n)分别是第i和j 基元之间的信号互相关系数和噪声互相关系数。N是总的基元数。可见，阵增益与所在处的信号和噪声场有关，当各向同性的噪声场中有一个单方向来的信号时，阵增益减化为阵的指向性指数。

影响基阵性能的因素

发射阵的性能常用指向性因数和发送效率等来表示；对一些难度较大的发射阵，需要对基阵的辐射特性及障板的影响，进行模拟实验，从而建立计算模型。接收阵的性能常用阵增益来表示，影响接收阵性能的主要因素如下：

（1）自噪声的影响。包括电噪声，如热噪声、通道间串音、杂散磁场和供电系统来的噪声等；流噪声，如湍流边界层声压起伏引起的附面层噪声等；辐射噪声，如水声中舰艇的螺旋桨和船壳辐射的噪声；振动噪声，如由电缆振动、阵的加速度响应等引起的噪声。

（2）声的多途传播环境的影响。

（3）无规误差的影响。如基元的性能、排列的间距、取向不一致性的误差，甚至个别基元失效的影响。

（4）信号和噪声的起伏、影响。已有相应的方法和技术来减少这些因素的影响。

参考书目

1. R.J.乌立克著，洪申译:《工程水声原理》，国防工业出版社，北京，1972。(R. J. Urick， Principles of Underwater Sound for Engineers， 1st ed.， McGraw-Hill， New York， 1967.)
2. 汪德昭、尚尔昌同著：《水声学》，科学出版社，北京，1981。

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换能器阵百科介绍

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