Underwater acoustic transducers are used to detect and track targets by using sound waves in underwater environments. To enhance the performance, they can be arranged in various formations to create arrays. However, acoustic interaction between the constituent channels of array transducers is inevitable, and it distorts their characteristics. In this study, the transmitting voltage response (TVR) spectrum of an acoustic planar array transducer is analyzed by considering the crosstalk between channels. The transmitting performance of an array transducer is frequently analyzed using the conventional finite element method (FEM). However, when the size of the array is large, the time and cost of computation using the FEM increase to almost prohibitive levels. To overcome this problem, a new equivalent circuit method (ECM) is developed to analyze the acoustic characteristics of an underwater array transducer. The ECM is validated by comparing its TVR spectrum with that analyzed using the FEM. After validation, the ECM is utilized to design the optimal structure of a planar array transducer having the broadest bandwidth. The sample analysis conducted using the ECM was approximately 1780 times faster than that by the FEM. Therefore the ECM developed in this work can facilitate the design of an underwater planar array transducer with a superior speed and efficiency compared with those achievable with the conventional numerical analysis methods such as the FEM.

中文翻译：

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基于等效电路法的声平面阵列换能器结构设计

水声换能器用于在水下环境中利用声波来检测和跟踪目标。为了提高性能，它们可以排列成各种形式来创建阵列。然而，阵列换能器的组成通道之间的声学​​相互作用是不可避免的，并且会扭曲它们的特性。在这项研究中，通过考虑通道之间的串扰来分析声学平面阵列换能器的发射电压响应 (TVR) 谱。阵列换能器的传输性能经常使用传统的有限元方法 (FEM) 进行分析。然而，当数组的大小很大时，使用 FEM 的计算时间和成本增加到几乎令人望而却步的水平。为了克服这个问题，开发了一种新的等效电路方法 (ECM) 来分析水下阵列换能器的声学特性。通过将其 TVR 频谱与使用 FEM 分析的频谱进行比较来验证 ECM。验证后，ECM 用于设计具有最宽带宽的平面阵列换能器的最佳结构。使用 ECM 进行的样品分析比 FEM 快大约 1780 倍。因此，在这项工作中开发的 ECM 可以促进水下平面阵列换能器的设计，与传统的数值分析方法（如 FEM）相比，具有更高的速度和效率。ECM用于设计具有最宽带宽的平面阵列换能器的优化结构。使用 ECM 进行的样品分析比 FEM 快大约 1780 倍。因此，在这项工作中开发的 ECM 可以促进水下平面阵列换能器的设计，与传统的数值分析方法（如 FEM）相比，具有更高的速度和效率。ECM用于设计具有最宽带宽的平面阵列换能器的优化结构。使用 ECM 进行的样品分析比 FEM 快大约 1780 倍。因此，在这项工作中开发的 ECM 可以促进水下平面阵列换能器的设计，与传统的数值分析方法（如 FEM）相比，具有更高的速度和效率。