專利視角下的水聲換能器技術發(fā)展分析

安 然，賈東曜

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300304）

0 引 言

水下電纜和光纜等線纜的敷設需要船和海底挖掘機在水下進行，敷設困難，并且價格昂貴。在使用過程中，經過的船舶或者錨會誤觸線纜，大型的魚類和水下海底地殼活動激烈，均會導致線纜損壞，使得水下有線通信技術應用的范圍極為有限。此外，在水下無線通信技術領域，海水對電磁波能量的吸收作用很強，導致電磁波在水中的衰減極快，即使穿透能力較強的超長波，也僅能穿透水面約100 m 左右。光波在水下傳輸所受到的影響包括吸收、光束擴散及多普勒效應，會降低光在水下通信的性能，并且，即使是傳輸最遠的藍綠激光，在水下也只有幾百米的通信傳輸距離。

聲波是目前已知的唯一能在水中實現(xiàn)遠距離信號傳輸?shù)哪芰啃问?，因此聲波是水下無線通信的主要傳輸工具。使用聲波作為水下無線通信的載體，設備簡單，只需使用水聲換能器將電能和聲能進行互相轉換即可。水聲換能器是水聲通信技術中在水下發(fā)射和接收聲波的關鍵器件，用于實現(xiàn)水下的探測、識別、通信以及水下環(huán)境監(jiān)測和資源開發(fā)。

專利信息包含著一個行業(yè)發(fā)展的重要數(shù)據(jù)。通過對專利信息進行科學的加工整理，結合產業(yè)相關技術的分析，可轉化為對產業(yè)發(fā)展具有較高技術與商業(yè)價值的信息[1]。筆者通過對水聲換能器技術領域國內外專利申請現(xiàn)狀進行分析，根據(jù)分析結果，分別從專利申請角度和專利技術角度，給出該技術領域最新的技術發(fā)展趨勢，供相關技術領域人員參考。

1 水聲換能器技術發(fā)展趨勢

水聲換能器技術研發(fā)領域涉及物理學、力學、數(shù)學、材料學、電子學、化學及機械學等在內的多學科交叉和學科融合，因此水聲換能器的發(fā)展與其他基礎學科關系密切，并且各個關聯(lián)學科的研究進展也成為水聲換能器發(fā)展的制約因素[2]。目前，水聲換能器的發(fā)展方向主要包括應用新型材料、采用新工藝布置、設計新結構等實現(xiàn)水聲換能器的綜合技術性能的改善和提升。水聲換能器技術創(chuàng)新的直接動力來自軍事和民用等領域對水聲通信技術需求的提高[3]。

通過對水聲換能器相關專利技術進行梳理，從專利公開國別排名可以發(fā)現(xiàn)，占比69.8%的為中國專利申請，其次是美國和俄羅斯。相關專利的申請情況主要可以分為三個階段，如圖1 所示。

圖1 專利申請量發(fā)展趨勢

第一階段（1990 年—2009 年），水聲通信技術的專利申請較少，每年的申請量只有幾件，且申請人主要為美國海軍等科研院所。主要原因為水聲通信技術最初主要用于軍事領域，包括水下武器的智能化、對其進行指揮控制通信以及對水下航行器實施監(jiān)測和導航、對水雷的遠程聲遙控等，還未拓展到其他更廣泛的應用領域。而中國在這一時期針對低能耗的水聲通信技術基本上屬于空白期。

第二階段（2010 年—2015 年），“十二五”時期是我國海洋經濟加快調整優(yōu)化的關鍵時期。我國編制了《全國海洋經濟發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，成為“十二五”時期我國海洋經濟發(fā)展的行動綱領[4]。因此，進入2010 年以后，水聲通信技術在中國的專利申請開始第一次快速增長。在這一階段，每年的申請量平穩(wěn)增長，在2010—2011 年申請量略有下滑，主要原因在于相關科研院所正在起步階段，處于探索研究方向時期，此后申請量繼續(xù)保持平穩(wěn)增長的趨勢。這一時期，技術主要集中在多普勒補償技術的研發(fā)，同時多輸入多輸出技術、相移鍵控技術也開始快速發(fā)展起來。

第三階段（2015 年至今），為貫徹落實海洋強國戰(zhàn)略、促進海洋經濟發(fā)展，國家編制了《全國海洋經濟發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，使得“十三五”以來，在海洋經濟轉型過程中急需的核心技術和關鍵共性技術方面均取得突破性進展。水聲通信技術在中國迎來了發(fā)展契機，相應地，中國的專利申請也快速增長。這一階段，相關科研院所在技術方面進行了很多創(chuàng)新性研究，水聲換能器技術在中國有了迅速的發(fā)展。

2 水聲換能器技術發(fā)展脈絡

1945 年，美國海軍水聲實驗室成功研制出第一臺水聲電話，通過模擬頻率調制技術，實現(xiàn)了潛艇間以及與潛水員之間的通信。在20 世紀90 年代，美國首先提出“水聲通信組網”的概念。美國現(xiàn)已實現(xiàn)的水聲傳感器實驗網絡FRONT（Front-Resolving Observationl Network Telemetry）被美國海軍稱作“Telesonar”（遙遠聲吶），具有傳感器、網關及轉發(fā)器三種類型的節(jié)點。

然而，在專利申請量方面，美國的相關專利申請較少，特別是美國海軍，這與實際美國在水聲通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀不符。作為水下傳感器網絡的核心通信方式，水聲通信技術對于構建水下通信網絡具有極高的軍事應用價值，可為潛艇、部署在海底的多種傳感器陣列以及其他水面和空中作戰(zhàn)平臺之間提供數(shù)據(jù)交換。因此，受到美國保密審查制度的影響，大量水聲換能器技術處于保密狀態(tài)而無法被查詢和檢索到。例如，美國的自主海洋觀測網AOSN 的建設以及MPL 實驗室的研究均受到軍方資助并已經投入使用，然而卻未能檢索到與其對應的專利文件。據(jù)此推測，涉及水聲換能器技術的美國專利申請由于受到保密審查影響而公開數(shù)量較少。

美國海軍于1959 年開始了對水聲換能器的研究，并在此之后申請了大量專利作為基礎專利，雖然相關申請經歷了20 多年的保密期，但已經反映出美國海軍在水聲通信技術領域深厚的技術積累。從專利文件中披露的相關技術還可以發(fā)現(xiàn)，目前水聲換能器技術發(fā)展主要有以下兩個方向，如圖2 所示。

圖2 水聲換能器技術熱點路徑圖

一是應用具有更大順性和伸縮系數(shù)的新型材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓電陶瓷材料。水聲換能器技術的突破從根本上決定于功能材料的技術突破，典型的代表是超磁致伸縮材料、弛豫鐵電單晶材料和壓電復合材料（專利號CN110012401A、JP2005236582A、US20040130410A1），利用磁致伸縮效應和壓電效應，能夠有效提高效率和振動位移。

二是探索新型結構，通過合適的結構來發(fā)揮作用[5]。其中具有代表性的結構是彎張換能器、壓電陶瓷環(huán)嵌套式縱振換能器和開縫圓管換能器（專利號US7719926B2、EP258948B1、WO8910677A1、CN105187983A、US4864548A）。

3 結 語

從水聲換能器的專利申請角度來看，我國在水聲換能器技術領域的專利技術發(fā)展相較美國在時間方面存在延遲。我國在水聲換能器技術領域的積累不足，導致我國在水聲換能器技術研究方面仍處于追趕態(tài)勢，具有較大的技術發(fā)展空間。并且，我國的專利申請中呈現(xiàn)出高校及科研院所的申請量遠大于公司企業(yè)的狀態(tài)，雖然具有較高的技術含量，但專利技術成果轉化率較低，還未形成產業(yè)化發(fā)展，面向的領域也仍舊集中在軍事方面，還未廣泛地應用于民用及商用領域。對此，可以通過增加科研院所與軍方、中國海洋石油集團有限公司等之間的合作，實現(xiàn)多方的協(xié)同創(chuàng)新，有效推進技術研究的深度和實用性，通過開展海試，積累經驗，幫助自身技術的提升。

從水聲換能器的專利技術角度來看，換能材料的性能決定了水聲換能器的能量轉化率和體積，相關研究者可以隨時關注換能材料方面的新進展、新動態(tài)，將新的高性能材料引入水聲換能器的研究中來，以實現(xiàn)技術突破。例如，通過使用稀土合金材料及稀有金屬合金材料等新一代磁致伸縮材料、三元系鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PIN-PMNPT）和錳摻雜鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（Mn：PIN-PMN-PT）等壓電單晶材料來進一步改善水聲換能器的工作特性。水聲換能器的結構也對其功耗和體積有重要影響，因而除了關注彎曲振動低頻換能器和彎張換能器兩種結構類型外，還可以考慮使用溢流腔結構的彎曲圓盤換能器和采用溢流圓管換能器作為激勵源的多液腔低頻寬帶換能器。此外，根據(jù)材料特性將新材料和新結構結合，以提高水聲換能器性能，將是未來研究的重點。