应用于海底沉积声学原位测量的球形换能器研制

王 帅, 刘文妮，褚广宇，潘耀宗

(中国科学院声学研究所 北海研究站, 山东 青岛 266112)

0 引言

研究海底沉积物声学特性有助于获得沉积物类型、地层结构、沉积环境等信息，同时可进一步分析沉积物的物理力学性质、海底承载力和稳定性等[1-2]，对推动我国海底沉积声学研究、海洋工程勘察、海洋减灾防灾和国家海洋安全具有重要科学意义和应用价值。海底沉积物声学原位测量方法是将声学测量仪器下放到海底，并把探杆(针)置入沉积物中，直接测量沉积物的声波和声衰减系数。这种方法避免了对沉积物的扰动，且周围环境未发生变化，测量结果相对于实验室测量方法更接近真实值。2017年，美国华盛顿大学应用物理实验室(APL-UW)研发了一款大深度贯入的原位测量系统(SAMS)[3-4]，主要用于中低频声波的声速和声衰减系数的测量。声源由9个中频换能器(ITC-1032)和1个低频换能器(ITC-1007)组成，10个发射换能器的工作频段为2～10 kHz。2006年，自然资源部第二海洋研究所成功研制了多频海底沉积声学原位测量系统(MFISMSGMS)[5]，该系统结构和测量方式类似于美国的声学长矛。发射换能器和接收换能器阵上下分置，设计测量深度4～8 m、测量频率8～120 kHz内的12个频点。2009年，中国科学院海洋研究所研制了新型海底沉积声学原位测量系统(NISSAMS)[6-7]，用于海底表层沉积物声速和声衰减系数的测量。系统包括1个发射通道和2个接收通道，另有一组反向的换能器备用。测量最大深度为0.3 m，声源发射频率为10～50 kHz，设计工作水深500 m。2010年，自然资源部第一海洋研究所研制了双向自容式海底沉积声学原位测量系统(BSSAP)[8]，测量频率为20～40 kHz，近期经过升级换代，测量频率扩展为8～200 kHz。

虽然我国已经研发了中高频海底沉积声学原位测量技术与系统，但是低频声传播情况下的声速、声衰减系数等是沉积声学研究、海洋工程和国防建设更为关心的声学参数，相关技术和产品与国外仍有差距。本文为实现海底沉积声学原位测量系统的低频声学特性测量，设计研制了中低频球形换能器(SP32K和SP12K)，实现了与国外同类型产品(如ITC-1007和ITC-1032)类似的性能，为我国拓宽海底沉积声学原位测量系统的测量频带提供了重要保障。

1 球形换能器仿真分析

1.1 球形换能器模态分析

图1为国外ITC-1007与ITC-1032球形换能器的发射电压响应曲线[9]。由图可知，两种球形换能器的谐振频率分别为11.5 kHz、32 kHz。

球形换能器的径向振动谐振频率为

(1)

根据式(1)计算可得压电球壳的尺寸，低频压电陶瓷球壳平均直径为∅150 mm，中频压电陶瓷球壳平均直径为∅60 mm。根据计算得到的压电陶瓷球壳尺寸对压电陶瓷球壳进行模态分析。

图2为中低频球形换能器的模态仿真图，其中低频换能器的谐振频率为12 kHz，中频换能器的谐振频率为32 kHz。仿真中两陶瓷球壳厚度为5 mm，仿真结果与ITC球形换能器的谐振频率接近。

1.2 球形换能器频域分析

对换能器的发射电压响应进行频域分析，其中低频换能器的仿真频率为1～20 kHz，中频换能器的仿真频率为1～50 kHz。

图3为中低频球形换能器仿真模型图。图中外部水域与匹配层为水材料，内侧圆环部分为压电球壳，模型采用轴对称模型(对称轴为z轴)。压电陶瓷为径向极化，材料为PZT4。其余结构采用隔振处理，在仿真中忽略其对性能的影响。中低频换能器结构相同，其仿真模型也相近，只有外径上的差别，压电陶瓷壳厚均为5 mm。

图4、5为中低频球形换能器的发射特性仿真图。由仿真计算得到低频球形换能器在6～20 kHz频带，其发射电压响应均高于140 dB，最大发射电压响应为149 dB，与ITC-1007的性能相同。中频球形换能器在26～40 kHz频带，其发射电压响应高于140 dB，最大发射电压响应为148 dB，与ITC-1032性能接近。

2 球形换能器装配与测试

针对海底沉积声学原位测量系统的坐底特性，保证换能器在系统入水、坐底过程中不会被损坏，在换能器的端部设计有金属承重结构。在测量系统坐底过程中，金属结构会先与海底进行接触，通过内部软性结构减少接触时的冲击对内部压电球壳的影响。另外，金属结构可帮助换能器更易陷入海底泥沙中，更符合底质声学原位测量要求。

图6为中低频球形换能器实物图。装配后的低频换能器(型号：SP12K)外径∅172mm，中频换能器(型号：SP32K)外径∅72mm。换能器整体采用聚氨酯材料包裹水密，空气中质量分别为4.2 kg与0.4 kg。两种换能器在中国科学院声学研究所北海研究站消声水池(20 m×12 m×8 m)中进行了性能测试。

图7～10分别为中频(SP32K)与低频(SP12K)球形换能器在水中的导纳、发射电压响应、接收灵敏度及指向性测试结果。由图可以看出，SP12K换能器的谐振频率为12 kHz，最大发射电压响应为149 dB，可工作频率为2～20 kHz，接收灵敏度平坦段约为-188 dB，在10 kHz处无指向性。SP32K换能器的谐振频率为32 kHz，最大发射电压响应为149 dB，可工作频率为10～50 kHz，接收灵敏度平坦段约为-195 dB，在10 kHz处无指向性。中低频球形换能器样机实测性能与仿真结果较符合。

对比ITC系列中低频球形换能器与自研SP12K、SP32K的性能指标，如表1、2所示。由表可见，自研的两种球形换能器性能指标与国外产品性能指标基本相同，满足国内对同类换能器产品的需求。

表1 低频球形换能器性能对比

表2 中频球形换能器性能对比

3 结束语

本文参照国外低频海底沉积声学原位测量系统采用的ITC-1007与ITC-1032中低频声源，研制了对应的国产化球形发射换能器SP12K和SP32K。SP12K低频换能器的谐振频率为12 kHz，最大发射电压响应为149 dB，接收灵敏度为-188 dB；SP32K中频换能器的谐振频率为32 kHz，最大发射电压响应为149 dB，接收灵敏度为-195 dB。测试结果表明，两款球形换能器声学性能与国外同类产品基本一致，能够拓宽海底沉积声学原位测量系统的低频测量频带，满足国内对同类换能器产品的需求，为我国海底沉积声学原位测量系统提供基础保障。