深水换能器现状及展望

黄威朱辉庆傅寅锋（. 海军驻上海沪东中华造船集团有限公司军事代表室,上海,009）(.海军驻杭州地区军事代表室，杭州，00) （.海军驻上海地区水声导航系统军事代表室，上海，008）



深水换能器现状及展望

黄威1朱辉庆2傅寅锋3
（1. 海军驻上海沪东中华造船集团有限公司军事代表室,上海,200129）(2.海军驻杭州地区军事代表室，杭州，310023) （3.海军驻上海地区水声导航系统军事代表室，上海，201108）

摘要国家近年来加强了对深海声学系统的应用研究，而深水水声换能器为深海科学研究提供技术支撑。为了对深水换能器的材料特性、耐压结构设计、在深水环境下发射性能和接收性能的测试手段能够深入了解，特别介绍了美国及中国深水换能器发展现状，并提出开展耐高静压换能器有源材料、耐高静压水声无源材料、换能器耐压结构和工艺、高静水压测量技术等方面的研究。

关键词深水换能器；高压测试系统；水声无源材料；综述

随着科学技术的进步，人类社会可持续发展的迫切需求，深海探索研究和开发将是21世纪各国竞争的热点领域，水声技术是进行海洋环境动态变化的监测和预测、海洋气候变化预测、海洋生物和矿产资源调查与评估、领土划界和现代航海安全保障、深海工程等十分有效的手段之一。深海水声技术作为深海科学研究和装备发展的核心关键技术之一必将大力发展，而深水水声换能器技术是十分重要的技术支撑。

深水换能器包括发射换能器和接收水听器，一般是由换能材料、无源声学材料、结构材料以及其它电气构件通过一定的结构组合形成的。换能器工作频率从几赫兹到数兆赫兹；工作水深从几百米到几千米，最大水深可达10 000 m以上。静水压力会使换能器材料的机电性能、无源材料的声学和力学性能、结构材料的应力应变特性、电气构件的电气特性发生变化，不同静水压力下水声换能器会有不同的电声性能。设计和研制深水换能器的关键是：耐高静水压条件下的材料选择、结构设计和工艺、仿真与测试。在优化仿真换能器电声和力学性能的基础上，综合考虑材料、工艺、结构和测试性等因数，才能保证设计和研制的换能器性能在静压力下的变化在总体允许的范围内 。

1　国外发展情况

从换能器耐压结构上划分，主要有两类，一类是利用换能器耐压外壳或压电陶瓷自身承压，由于耐压外壳及去耦材料自身的承压限制，此种方式存在一定的深度限制，一般工作深度在1 000 m以内。典型的例子如球形换能器/水听器，利用陶瓷球自身的壁厚承压，或者刚性外壳密封的纵振换能器等，此外也有一些特殊设计，如美国专利5172344[1]中描述的一种换能器，其耐压壳体的前盖后盖之间用刚性框架连接、谐振块（后盖板）和陶瓷堆通过螺杆固定在壳体后盖上，谐振块与壳体后盖、刚性框架、前盖组成的振动系统，可激发出多种振动模态，如图1所示。

图1　美国专利5172344结构图

美国专利5431058[2]通过在IV型弯张换能器的陶瓷堆之间增加弹性单元使其可在深水工作，弹性材料具有低静态刚性和高动态刚性，来避免深水工作时外壳的应力释放同时又能将陶瓷堆振动传递到外壳，如图2所示。

图2　美国专利5431058结构图

另一类是在换能器外壳内充油达到内外压力平衡，此种结构的换能器工作深度可达全海深，即11 000 m以上，溢流式换能器则与此类似，区别在于换能器内腔是开放式的，与外界水直接相通。文献[3]描述了典型的溢流式圆环换能器的液腔峰与径向峰计算方法。美国专利4068209[4]介绍的深水换能器可通过充油达到内外压平衡，且通过内部油腔与结构件的耦合形成多模振动，拓宽了换能器的使用频段，如图3所示。

图3　美国专利4068209结构图

深水换能器常使用耐压障板以获得所需要的指向性，一般需使用刚性材料以保证在深水下的反声性能[5]。美国专利4982386[6]提出一种深水换能器，通过背部的刚性障板（中间有空气通道）获得较好的单端辐射效果，如图4所示。

图4　美国专利4982386结构图

美国专利4399526[7]中障板采取刚性和顺性材料交叠的三明治形式，而美国专利4488271[8]将圆环换能器安装在障板中，障板由中空小球组成帽子形状。文献[8]通过两种不同尺寸的溢流式圆管构成多谐振腔，改变圆管的尺寸可调整工作频率，获得低频宽带的深水换能器。600 Hz换能器（见图5）外形尺寸0.81 m×0.37 m，可工作范围575 ~1 100 Hz，最大发送电压响应约140 dB；200 Hz换能器外型尺寸2.46 m×0.73 m，可工作范围200 ~350 Hz，最大发送电压响应约145 dB，声源级可达197 dB。法国研制的亥姆霍兹换能器谐振频率300 Hz，工作水深可达2 000 m，声源级超过195 dB。

图5　多谐振腔圆管换能器性能

国外一方面注重开发系列化换能器，适合于不同水深工作；另一方面也很注重对换能器深水工作性能的认知和深水使用潜力的挖掘。到目前为止，美国已有系列化的宽带、高效深水换能器用于装备，其中工作频率1 kHz以下主要用于潜标、深海潜器等载体的声源；工作频率1 ~100 kHz用于航空吊放声纳、水声通信、避障声纳、探雷声纳等装备；工作频率为10 kHz的换能器主要应用于应答器、声学释放器等方面。深水换能器的耐深水能力已经基本覆盖所有海域。

2国内发展情况

国内现有换能器及基阵在深水应用较少，对换能器在深水环境下的发射性能、接收性能及其工作稳定性等缺乏研究和相应的研究手段；近年来，随着我国对深海领域的研究逐渐开展，对深水换能器的需求也日益增长，如“蛟龙号”7 000 m载人深潜器，其上安装有深水通信系统，实现深潜器与母船之间的语音和数据通信。通信系统的换能器工作频段为7~15 kHz，最大声源级≥195 dB，波束宽度约80°，工作水深可达7 000 m，如图6所示。

图6　7 000 m换能器(上)及发送电压响应图(下)

在定位系统、深水通信、声学释放器系统上应用较广的深水半空间换能器，国内已有较为成熟的设计，其外形为一个圆柱状的橡皮囊，在垂直方向的指向性覆盖约180°，工作频段为7~15 kHz，最大声源级≥193 dB，工作水深可达10 000 m，见图7。

图7　深水半空间换能器及发送电压响应图

此外，溢流式圆环换能器也具有深水工作的能力，通过液腔振动和圆环径向振动形成两个谐振峰，可实现多模宽带工作，一般工作在1~10 kHz范围。国内现有深水换能器工作频段多集中在10 kHz附近，在低频和高频则少见报道。耐高静水压力主要依靠充油等措施实现，相对较为单一，在相关的耐高静压无源材料、高静压测试手段等方面缺少研究。

3 需研究的内容

3.1加强耐高静压换能器有源材料研究

换能器有源材料包括压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物、压电复合材料、磁致伸缩材料、光纤光栅等。在高静态压力作用下，压电陶瓷（单晶）的电畴取向或压磁材料的磁畴取向可能发生变化，从而使压电（压磁）常数、介电常数（磁导率）发生变化。 要想获得大深度下稳定工作的换能器，有源材料的稳定性至关重要。

3.2加强耐高静压水声无源材料研究

水声无源材料是水声换能器及基阵不可或缺的一部分，无源材料的作用主要有透声材料、去耦材料、背衬材料、反声材料等。换能器性能稳定和可靠与无源材料的力学特性、电气特性和声学特性密不可分，要求材料随频段、时间、温度、压力、盐度、光照等的变化尽可能小。目前用于换能器水密的透声材料多采用硫化橡胶（或聚氨酯橡胶），基本可满足压力稳定性的要求，但在温度稳定性上需要进一步提高；而去耦材料、背衬材料则存在高静压下变形、失效的问题，需要将材料和应用相结合，加强材料、结构、工艺、建模和检测方法等多方面研究，突破国内声学材料长期以来一直以均匀材料设计为主的模式，拓展声学材料构件的品种、范围，在声学材料构件、复合耐压结构设计、加工成型工艺研究方面突破关键技术。

3.3加强换能器耐压结构和工艺研究

目前常见的解决换能器耐压问题的方案是充油（硅油、蓖麻油等），利用硅油的不可压缩性，随着外界压力的升高内部硅油受压产生相应的内压，达到内外压力平衡。充油方式对于中低频换能器性能影响较小，但对于频率较高的换能器则存在损耗较大、声学性能降低的问题。应加强材料、结构、工艺、建模等多方面研究，突破声学结构设计、复合耐压结构设计和制造工艺等关键技术，提高换能器电声学参数随温度、压力的稳定性。

3.4加强高静水压测量技术研究

困扰深水换能器发展的一个关键因素是换能器性能“在线”测试，常压水池只能测试换能器在几米水深的性能，换能器仅能做高静压水压试验，验证在深水情况下有无损坏，但无法获得深水下的实际性能。国内近年也有部分单位建有高压消声测试系统，但受制于消声材料的性能，只能测试较高频率的换能器，工作压力最高也仅10 MPa。对于大深度（7 000 m乃至10 000 m深度）、低频率（1 kHz以下）、大尺寸的换能器性能则无能为力。因此，应大力加强高静水压水声环境构造技术，包括70 MPa高压水池及消声材料技术；100 MPa以上密闭高压小容器（耦合腔）设计技术；5 MPa以上高压透声容器设计技术。开展高压水池的低频测量技术以及声管校准水听器技术，满足低频、大尺寸、大深度换能器测试需求。图8为两种高压测试方法示意图。

图8　两种高压测试方法（上为高压消声水池；下是耐压透声容器）

4 结论

与国外深水换能器的成系列、规模化应用相比，国内深水换能器的应用面较窄，少见成熟的系统化应用。近年来，国内加强了对深海声学系统的应用研究，并取得了一定的成果，如“蛟龙号”载人深潜器的深海通信系统。但总的来说，对深水换能器的材料特性、耐压结构设计等还不够深入；深水换能器的类型还不够丰富；对换能器在深水环境下的发射性能、接收性能缺乏测试手段。因此，应在换能器的有源和无源材料、换能器结构设计、高静压下测试手段等方面加强研究，研制出更多类型和工作频段的深水换能器及基阵，为深海科学研究和装备发展提供技术支撑。

参考文献：

[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] 李俊宝,解宝兴,夏金东,等. 深海压电水声换能器及其制造方法:中国,101072452A[P].2007-11-14.

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