換能器陣
正文
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
弧度(λ為波長) 的方向上所取的值重建起來。重建的方法是是在每個採樣值上乘一個“合成函式”
然後取和疊加，使它等於所需指向性，求出基元上的電壓或電流分布。③前面提到的幅度束控的五種常用方法。④其他方法，如函式逼近法和非線性規劃等等辦法。 線陣和平面陣 等間距陣的幅度束控和不等間距陣中的間距變化之間存在著某種等價性。間距遞增的不等間距陣在均勻幅度和較少基元（間距可大于波長）的情況下，可實現在寬頻帶內有低旁瓣的指向性；等間距陣有計算簡單、設計成熟、可得到最大指向性因子等優點，間距為半波長的均勻幅度的離散線陣的指向性幾乎和均勻幅度的連續線陣的完全相同。平面陣或線陣的指向性都可套用指向性的乘積定理和加法定理。
掃描陣 調節各基元上的激勵力或輸出信號的幅度和相位，能實現波束的掃描或預成多波束的陣。在水聲學中最常用的圓柱陣或球陣。由於它們空間上的對稱性，可大大簡化電子設備。在醫學診斷中，超聲成像的換能器陣，常套用線掃描和扇掃描，線掃描是在一長線陣中，依次地採用部分基元工作，使波束主瓣相應地依次移動，這使電子設備部分能大大簡化。扇掃描是用不同的時延或相移信號加到相應的基元上，才能形成波束掃描，一般將控制相位的方法實現波束掃描的稱為相控陣。扇掃描也可用機械方法來實現，但轉速不能太高。動態聚焦也可看為相控陣，它使波束的焦點在聲軸上由近到遠地掃描。
當波束掃向端射方向附近時，往往由於障板和基元間互輻射阻抗的影響，使波束髮生畸變。
陣中的相互作用效應 各基元之間通過周圍媒質發生聲耦合效應。在共振頻率附近工作時（包括基元本身的力阻抗較低的非共振情況），往往由於這種互作用效應，使陣的性能發生反常情況，如有些基元在陣中吸收聲能。實驗發現,在端射時,最末基元處的聲壓比第一個基元處的聲壓大得多。這種輻射聲壓的積累現象，就可能會使靠近末端的基元振動速度和電的激勵力反相。基元間的相互作用用互輻射阻抗來量度。“速度控制”是對壓電換能器加一串聯電感，使在窄頻帶內，增大自阻抗，從而減少互作用的影響。陣的對稱排列，消除每個基元在位置上的特殊性，也是減少互作用的有效方法之一。但是互阻抗也可利用，如設計合理的，可利用互阻抗使陣的效率、頻寬等特性大大改善。
陣增益 是接收陣空間處理的量度，它比陣的方向性指數具有更大的實際意義，因為它表示了信號和噪聲場的空間- 時間相關結構,其定義有三種表示方式,實質一樣：①陣平均的信號功率與噪聲功率的比值和單個基元的平均信號與噪聲功率的比值之比(用分貝表示)。②陣的信號增益減去陣的噪聲增益（都用分貝表示）。③用互相關係數表示為
影響基陣性能的因素 發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。
