換能器陣

換能器陣是由多個換能器以一定的形式排列而成的陣列。與天線陣類似。換能器陣中的每個換能器稱基元或陣元，大型的水聲換能器陣長達幾公里,基元數多至上千個;小型的超聲換能器陣，如醫學超聲診斷儀上的換能器陣（也叫探頭），從幾毫米到幾十厘米，基元數也有幾百以上的。

基本信息

換能器陣主要是在近30年內發展起來的，主要目的是：①取得大的空間增益或提高空間解析度；②增大發射聲功率、頻帶或改善瞬態特性；③提高信噪比；④實現多波束、波束掃描、可變焦距或動態聚焦、自適應波束成形等，即形成所需要的指向性。

常用的陣從陣的排列形狀可分為：線列陣、平面陣、圓柱陣、球陣、體積陣和艦艇水下部分外形相一致的共形陣、基元在空間上以某種統計分布規律排列的隨機陣、探照燈式的凹面陣等等。

陣的束控對各基元上的電壓（或電流）的幅度和相位進行控制，就可控制整個陣的指向性，如波瓣的方向、大小和寬度等，簡稱束控。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：①二項式束控，N元陣的幅度分布和二項式的(N-1)次展開式的係數成正比,此時旁瓣為零。②道爾夫-切比雪夫束控，N元陣的分布等於(N-1)次切比雪夫多項式，即令陣的分布係數與切比雪夫的相應係數相等。可得到對任一規定的旁瓣級，得到的主瓣最窄；或者，對任一規定的主瓣寬度，得到的旁瓣級是所有可能中最低的。而且是等高的旁瓣。③泰勒束控，得到的等高旁瓣僅在主瓣鄰近的區域內，在規定的角度外,旁瓣下降。當基元數N很大時,道爾夫-切比雪夫陣對兩端附近基元的激勵狀態微小變化很敏感的問題可用泰勒束控克服。④餘弦- 均勻束控，能使旁瓣急劇減少的另一種方法，它是一餘弦束控和一均勻激勵的疊加。⑤海明束控，按餘弦二次方的束控。一般情況下，相位束控常套用于波束需掃描的陣中。

陣的指向性的綜合法和分析法分析法是從已知基元上的電壓或電流，計算陣的指向性；綜合法是要求預期的指向性，計算基元上的電壓或電流。綜合法在實際中套用廣泛，它主要包括：①傅立葉變換法，孔徑分布與方向性互成傅立葉轉換的關係。②用有限數目的採樣值重建波束圖，這和資訊理論中的採樣定理類似，對長為L的有限孔徑陣，其指向性可由一系列角間距為

ρij(s)、ρij(n)分別是第i和j 基元之間的信號互相關係數和噪聲互相關係數。N是總的基元數。可見,陣增益與所在處的信號和噪聲場有關，當各向同性的噪聲場中有一個單方向來的信號時，陣增益減化為陣的指向性指數。

影響基陣性能的因素髮射陣的性能常用指向性因數和傳送效率等來表示；對一些難度較大的發射陣，需要對基陣的輻射特性及障板的影響，進行模擬實驗，從而建立計算模型。接收陣的性能常用陣增益來表示，影響接收陣性能的主要因素如下：①自噪聲的影響。包括電噪聲，如熱噪聲、通道間串音、雜散磁場和供電系統來的噪聲等；流噪聲，如湍流邊界層聲壓起伏引起的附面層噪聲等；輻射噪聲，如水聲中艦艇的螺旋槳和船殼輻射的噪聲；振動噪聲，如由電纜振動、陣的加速度回響等引起的噪聲。②聲的多途傳播環境的影響。③無規誤差的影響。如基元的性能、排列的間距、取向不一致性的誤差，甚至個別基元失效的影響。④信號和噪聲的起伏、影響。已有相應的方法和技術來減少這些因素的影響。

參考書目

R.J.烏立克著，洪申譯:《工程水聲原理》,國防工業出版社，北京，1972。(R. J. Urick, Principles of Underwater Sound for Engineers, 1st ed., McGraw-Hill, New York, 1967.)

汪德昭、尚爾昌同著：《水聲學》，科學出版社，北京，1981。