深水換能器現(xiàn)狀及展望

黃威朱輝慶傅寅鋒（. 海軍駐上海滬東中華造船集團(tuán)有限公司軍事代表室,上海,009）(.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，00) （.海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室，上海，008）

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深水換能器現(xiàn)狀及展望

黃威1朱輝慶2傅寅鋒3
（1. 海軍駐上海滬東中華造船集團(tuán)有限公司軍事代表室,上海,200129）(2.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023) （3.海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室，上海，201108）

摘要國家近年來加強(qiáng)了對深海聲學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用研究，而深水水聲換能器為深?？茖W(xué)研究提供技術(shù)支撐。為了對深水換能器的材料特性、耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計、在深水環(huán)境下發(fā)射性能和接收性能的測試手段能夠深入了解，特別介紹了美國及中國深水換能器發(fā)展現(xiàn)狀，并提出開展耐高靜壓換能器有源材料、耐高靜壓水聲無源材料、換能器耐壓結(jié)構(gòu)和工藝、高靜水壓測量技術(shù)等方面的研究。

關(guān)鍵詞深水換能器；高壓測試系統(tǒng)；水聲無源材料；綜述

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類社會可持續(xù)發(fā)展的迫切需求，深海探索研究和開發(fā)將是21世紀(jì)各國競爭的熱點領(lǐng)域，水聲技術(shù)是進(jìn)行海洋環(huán)境動態(tài)變化的監(jiān)測和預(yù)測、海洋氣候變化預(yù)測、海洋生物和礦產(chǎn)資源調(diào)查與評估、領(lǐng)土劃界和現(xiàn)代航海安全保障、深海工程等十分有效的手段之一。深海水聲技術(shù)作為深海科學(xué)研究和裝備發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)之一必將大力發(fā)展，而深水水聲換能器技術(shù)是十分重要的技術(shù)支撐。

深水換能器包括發(fā)射換能器和接收水聽器，一般是由換能材料、無源聲學(xué)材料、結(jié)構(gòu)材料以及其它電氣構(gòu)件通過一定的結(jié)構(gòu)組合形成的。換能器工作頻率從幾赫茲到數(shù)兆赫茲；工作水深從幾百米到幾千米，最大水深可達(dá)10 000 m以上。靜水壓力會使換能器材料的機(jī)電性能、無源材料的聲學(xué)和力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力應(yīng)變特性、電氣構(gòu)件的電氣特性發(fā)生變化，不同靜水壓力下水聲換能器會有不同的電聲性能。設(shè)計和研制深水換能器的關(guān)鍵是：耐高靜水壓條件下的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝、仿真與測試。在優(yōu)化仿真換能器電聲和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，綜合考慮材料、工藝、結(jié)構(gòu)和測試性等因數(shù)，才能保證設(shè)計和研制的換能器性能在靜壓力下的變化在總體允許的范圍內(nèi) 。

1　國外發(fā)展情況

從換能器耐壓結(jié)構(gòu)上劃分，主要有兩類，一類是利用換能器耐壓外殼或壓電陶瓷自身承壓，由于耐壓外殼及去耦材料自身的承壓限制，此種方式存在一定的深度限制，一般工作深度在1 000 m以內(nèi)。典型的例子如球形換能器/水聽器，利用陶瓷球自身的壁厚承壓，或者剛性外殼密封的縱振換能器等，此外也有一些特殊設(shè)計，如美國專利5172344[1]中描述的一種換能器，其耐壓殼體的前蓋后蓋之間用剛性框架連接、諧振塊（后蓋板）和陶瓷堆通過螺桿固定在殼體后蓋上，諧振塊與殼體后蓋、剛性框架、前蓋組成的振動系統(tǒng)，可激發(fā)出多種振動模態(tài)，如圖1所示。

圖1　美國專利5172344結(jié)構(gòu)圖

美國專利5431058[2]通過在IV型彎張換能器的陶瓷堆之間增加彈性單元使其可在深水工作，彈性材料具有低靜態(tài)剛性和高動態(tài)剛性，來避免深水工作時外殼的應(yīng)力釋放同時又能將陶瓷堆振動傳遞到外殼，如圖2所示。

圖2　美國專利5431058結(jié)構(gòu)圖

另一類是在換能器外殼內(nèi)充油達(dá)到內(nèi)外壓力平衡，此種結(jié)構(gòu)的換能器工作深度可達(dá)全海深，即11 000 m以上，溢流式換能器則與此類似，區(qū)別在于換能器內(nèi)腔是開放式的，與外界水直接相通。文獻(xiàn)[3]描述了典型的溢流式圓環(huán)換能器的液腔峰與徑向峰計算方法。美國專利4068209[4]介紹的深水換能器可通過充油達(dá)到內(nèi)外壓平衡，且通過內(nèi)部油腔與結(jié)構(gòu)件的耦合形成多模振動，拓寬了換能器的使用頻段，如圖3所示。

圖3　美國專利4068209結(jié)構(gòu)圖

深水換能器常使用耐壓障板以獲得所需要的指向性，一般需使用剛性材料以保證在深水下的反聲性能[5]。美國專利4982386[6]提出一種深水換能器，通過背部的剛性障板（中間有空氣通道）獲得較好的單端輻射效果，如圖4所示。

圖4　美國專利4982386結(jié)構(gòu)圖

美國專利4399526[7]中障板采取剛性和順性材料交疊的三明治形式，而美國專利4488271[8]將圓環(huán)換能器安裝在障板中，障板由中空小球組成帽子形狀。文獻(xiàn)[8]通過兩種不同尺寸的溢流式圓管構(gòu)成多諧振腔，改變圓管的尺寸可調(diào)整工作頻率，獲得低頻寬帶的深水換能器。600 Hz換能器（見圖5）外形尺寸0.81 m×0.37 m，可工作范圍575 ~1 100 Hz，最大發(fā)送電壓響應(yīng)約140 dB；200 Hz換能器外型尺寸2.46 m×0.73 m，可工作范圍200 ~350 Hz，最大發(fā)送電壓響應(yīng)約145 dB，聲源級可達(dá)197 dB。法國研制的亥姆霍茲換能器諧振頻率300 Hz，工作水深可達(dá)2 000 m，聲源級超過195 dB。

圖5　多諧振腔圓管換能器性能

國外一方面注重開發(fā)系列化換能器，適合于不同水深工作；另一方面也很注重對換能器深水工作性能的認(rèn)知和深水使用潛力的挖掘。到目前為止，美國已有系列化的寬帶、高效深水換能器用于裝備，其中工作頻率1 kHz以下主要用于潛標(biāo)、深海潛器等載體的聲源；工作頻率1 ~100 kHz用于航空吊放聲納、水聲通信、避障聲納、探雷聲納等裝備；工作頻率為10 kHz的換能器主要應(yīng)用于應(yīng)答器、聲學(xué)釋放器等方面。深水換能器的耐深水能力已經(jīng)基本覆蓋所有海域。

2國內(nèi)發(fā)展情況

國內(nèi)現(xiàn)有換能器及基陣在深水應(yīng)用較少，對換能器在深水環(huán)境下的發(fā)射性能、接收性能及其工作穩(wěn)定性等缺乏研究和相應(yīng)的研究手段；近年來，隨著我國對深海領(lǐng)域的研究逐漸開展，對深水換能器的需求也日益增長，如“蛟龍?zhí)枴? 000 m載人深潛器，其上安裝有深水通信系統(tǒng)，實現(xiàn)深潛器與母船之間的語音和數(shù)據(jù)通信。通信系統(tǒng)的換能器工作頻段為7~15 kHz，最大聲源級≥195 dB，波束寬度約80°，工作水深可達(dá)7 000 m，如圖6所示。

圖6　7 000 m換能器(上)及發(fā)送電壓響應(yīng)圖(下)

在定位系統(tǒng)、深水通信、聲學(xué)釋放器系統(tǒng)上應(yīng)用較廣的深水半空間換能器，國內(nèi)已有較為成熟的設(shè)計，其外形為一個圓柱狀的橡皮囊，在垂直方向的指向性覆蓋約180°，工作頻段為7~15 kHz，最大聲源級≥193 dB，工作水深可達(dá)10 000 m，見圖7。

圖7　深水半空間換能器及發(fā)送電壓響應(yīng)圖

此外，溢流式圓環(huán)換能器也具有深水工作的能力，通過液腔振動和圓環(huán)徑向振動形成兩個諧振峰，可實現(xiàn)多模寬帶工作，一般工作在1~10 kHz范圍。國內(nèi)現(xiàn)有深水換能器工作頻段多集中在10 kHz附近，在低頻和高頻則少見報道。耐高靜水壓力主要依靠充油等措施實現(xiàn)，相對較為單一，在相關(guān)的耐高靜壓無源材料、高靜壓測試手段等方面缺少研究。

3 需研究的內(nèi)容

3.1加強(qiáng)耐高靜壓換能器有源材料研究

換能器有源材料包括壓電陶瓷、壓電單晶、壓電聚合物、壓電復(fù)合材料、磁致伸縮材料、光纖光柵等。在高靜態(tài)壓力作用下，壓電陶瓷（單晶）的電疇取向或壓磁材料的磁疇取向可能發(fā)生變化，從而使壓電（壓磁）常數(shù)、介電常數(shù)（磁導(dǎo)率）發(fā)生變化。 要想獲得大深度下穩(wěn)定工作的換能器，有源材料的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

3.2加強(qiáng)耐高靜壓水聲無源材料研究

水聲無源材料是水聲換能器及基陣不可或缺的一部分，無源材料的作用主要有透聲材料、去耦材料、背襯材料、反聲材料等。換能器性能穩(wěn)定和可靠與無源材料的力學(xué)特性、電氣特性和聲學(xué)特性密不可分，要求材料隨頻段、時間、溫度、壓力、鹽度、光照等的變化盡可能小。目前用于換能器水密的透聲材料多采用硫化橡膠（或聚氨酯橡膠），基本可滿足壓力穩(wěn)定性的要求，但在溫度穩(wěn)定性上需要進(jìn)一步提高；而去耦材料、背襯材料則存在高靜壓下變形、失效的問題，需要將材料和應(yīng)用相結(jié)合，加強(qiáng)材料、結(jié)構(gòu)、工藝、建模和檢測方法等多方面研究，突破國內(nèi)聲學(xué)材料長期以來一直以均勻材料設(shè)計為主的模式，拓展聲學(xué)材料構(gòu)件的品種、范圍，在聲學(xué)材料構(gòu)件、復(fù)合耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工成型工藝研究方面突破關(guān)鍵技術(shù)。

3.3加強(qiáng)換能器耐壓結(jié)構(gòu)和工藝研究

目前常見的解決換能器耐壓問題的方案是充油（硅油、蓖麻油等），利用硅油的不可壓縮性，隨著外界壓力的升高內(nèi)部硅油受壓產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)壓，達(dá)到內(nèi)外壓力平衡。充油方式對于中低頻換能器性能影響較小，但對于頻率較高的換能器則存在損耗較大、聲學(xué)性能降低的問題。應(yīng)加強(qiáng)材料、結(jié)構(gòu)、工藝、建模等多方面研究，突破聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)合耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝等關(guān)鍵技術(shù)，提高換能器電聲學(xué)參數(shù)隨溫度、壓力的穩(wěn)定性。

3.4加強(qiáng)高靜水壓測量技術(shù)研究

困擾深水換能器發(fā)展的一個關(guān)鍵因素是換能器性能“在線”測試，常壓水池只能測試換能器在幾米水深的性能，換能器僅能做高靜壓水壓試驗，驗證在深水情況下有無損壞，但無法獲得深水下的實際性能。國內(nèi)近年也有部分單位建有高壓消聲測試系統(tǒng)，但受制于消聲材料的性能，只能測試較高頻率的換能器，工作壓力最高也僅10 MPa。對于大深度（7 000 m乃至10 000 m深度）、低頻率（1 kHz以下）、大尺寸的換能器性能則無能為力。因此，應(yīng)大力加強(qiáng)高靜水壓水聲環(huán)境構(gòu)造技術(shù)，包括70 MPa高壓水池及消聲材料技術(shù)；100 MPa以上密閉高壓小容器（耦合腔）設(shè)計技術(shù)；5 MPa以上高壓透聲容器設(shè)計技術(shù)。開展高壓水池的低頻測量技術(shù)以及聲管校準(zhǔn)水聽器技術(shù)，滿足低頻、大尺寸、大深度換能器測試需求。圖8為兩種高壓測試方法示意圖。

圖8　兩種高壓測試方法（上為高壓消聲水池；下是耐壓透聲容器）

4 結(jié)論

與國外深水換能器的成系列、規(guī)?；瘧?yīng)用相比，國內(nèi)深水換能器的應(yīng)用面較窄，少見成熟的系統(tǒng)化應(yīng)用。近年來，國內(nèi)加強(qiáng)了對深海聲學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用研究，并取得了一定的成果，如“蛟龍?zhí)枴陛d人深潛器的深海通信系統(tǒng)。但總的來說，對深水換能器的材料特性、耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計等還不夠深入；深水換能器的類型還不夠豐富；對換能器在深水環(huán)境下的發(fā)射性能、接收性能缺乏測試手段。因此，應(yīng)在換能器的有源和無源材料、換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計、高靜壓下測試手段等方面加強(qiáng)研究，研制出更多類型和工作頻段的深水換能器及基陣，為深?？茖W(xué)研究和裝備發(fā)展提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1] EHRLICH STANLEY L. Deep submergence transducer: US,5172344[P].1992-12-15.

[2] LAGIER MICHEL, DUFOURCQ PHILIPPE. Flexural strain gauge acoustic transducer for deep submersion:US, 5431058[P]. 1995-7-11.

[3] MCMAHON G W. Performance of open ferroelectric ceramic cylinders in underwater transducers, JASA, 1964,36,(3):528-533.

[4] LAGIER MICHEL. Electroacoustic transducer for deep submersion: US,4068209[P]. 1978-1-10.

[5] 李俊寶,解寶興,夏金東,等. 深海壓電水聲換能器及其制造方法:中國,101072452A[P].2007-11-14.

[6]HENRIQUEZ THEODORE A. Underwater acoustic waveguide transducer for deep ocean depths:US,4982386[P]. 1991-1-1.

[7] EYNCK JOHN J. Acoustic baffle for high-pressure service,modular design:US,4399526[P]. 1983-8-16.

[8] HELD JIMMY L, COLLINS KENNETH D, MACKELBURG GERALD R. Deep ocean wide band acoustic baffle:US, 4488271[P]. 1984-12-11.