专利视角下的水声换能器技术发展分析

安 然，贾东曜

（国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津 300304）

0 引 言

水下电缆和光缆等线缆的敷设需要船和海底挖掘机在水下进行，敷设困难，并且价格昂贵。在使用过程中，经过的船舶或者锚会误触线缆，大型的鱼类和水下海底地壳活动激烈，均会导致线缆损坏，使得水下有线通信技术应用的范围极为有限。此外，在水下无线通信技术领域，海水对电磁波能量的吸收作用很强，导致电磁波在水中的衰减极快，即使穿透能力较强的超长波，也仅能穿透水面约100 m 左右。光波在水下传输所受到的影响包括吸收、光束扩散及多普勒效应，会降低光在水下通信的性能，并且，即使是传输最远的蓝绿激光，在水下也只有几百米的通信传输距离。

声波是目前已知的唯一能在水中实现远距离信号传输的能量形式，因此声波是水下无线通信的主要传输工具。使用声波作为水下无线通信的载体，设备简单，只需使用水声换能器将电能和声能进行互相转换即可。水声换能器是水声通信技术中在水下发射和接收声波的关键器件，用于实现水下的探测、识别、通信以及水下环境监测和资源开发。

专利信息包含着一个行业发展的重要数据。通过对专利信息进行科学的加工整理，结合产业相关技术的分析，可转化为对产业发展具有较高技术与商业价值的信息[1]。笔者通过对水声换能器技术领域国内外专利申请现状进行分析，根据分析结果，分别从专利申请角度和专利技术角度，给出该技术领域最新的技术发展趋势，供相关技术领域人员参考。

1 水声换能器技术发展趋势

水声换能器技术研发领域涉及物理学、力学、数学、材料学、电子学、化学及机械学等在内的多学科交叉和学科融合，因此水声换能器的发展与其他基础学科关系密切，并且各个关联学科的研究进展也成为水声换能器发展的制约因素[2]。目前，水声换能器的发展方向主要包括应用新型材料、采用新工艺布置、设计新结构等实现水声换能器的综合技术性能的改善和提升。水声换能器技术创新的直接动力来自军事和民用等领域对水声通信技术需求的提高[3]。

通过对水声换能器相关专利技术进行梳理，从专利公开国别排名可以发现，占比69.8%的为中国专利申请，其次是美国和俄罗斯。相关专利的申请情况主要可以分为三个阶段，如图1 所示。

图1 专利申请量发展趋势

第一阶段（1990 年—2009 年），水声通信技术的专利申请较少，每年的申请量只有几件，且申请人主要为美国海军等科研院所。主要原因为水声通信技术最初主要用于军事领域，包括水下武器的智能化、对其进行指挥控制通信以及对水下航行器实施监测和导航、对水雷的远程声遥控等，还未拓展到其他更广泛的应用领域。而中国在这一时期针对低能耗的水声通信技术基本上属于空白期。

第二阶段（2010 年—2015 年），“十二五”时期是我国海洋经济加快调整优化的关键时期。我国编制了《全国海洋经济发展“十二五”规划》，成为“十二五”时期我国海洋经济发展的行动纲领[4]。因此，进入2010 年以后，水声通信技术在中国的专利申请开始第一次快速增长。在这一阶段，每年的申请量平稳增长，在2010—2011 年申请量略有下滑，主要原因在于相关科研院所正在起步阶段，处于探索研究方向时期，此后申请量继续保持平稳增长的趋势。这一时期，技术主要集中在多普勒补偿技术的研发，同时多输入多输出技术、相移键控技术也开始快速发展起来。

第三阶段（2015 年至今），为贯彻落实海洋强国战略、促进海洋经济发展，国家编制了《全国海洋经济发展“十三五”规划》，使得“十三五”以来，在海洋经济转型过程中急需的核心技术和关键共性技术方面均取得突破性进展。水声通信技术在中国迎来了发展契机，相应地，中国的专利申请也快速增长。这一阶段，相关科研院所在技术方面进行了很多创新性研究，水声换能器技术在中国有了迅速的发展。

2 水声换能器技术发展脉络

1945 年，美国海军水声实验室成功研制出第一台水声电话，通过模拟频率调制技术，实现了潜艇间以及与潜水员之间的通信。在20 世纪90 年代，美国首先提出“水声通信组网”的概念。美国现已实现的水声传感器实验网络FRONT（Front-Resolving Observationl Network Telemetry）被美国海军称作“Telesonar”（遥远声呐），具有传感器、网关及转发器三种类型的节点。

然而，在专利申请量方面，美国的相关专利申请较少，特别是美国海军，这与实际美国在水声通信技术的发展现状不符。作为水下传感器网络的核心通信方式，水声通信技术对于构建水下通信网络具有极高的军事应用价值，可为潜艇、部署在海底的多种传感器阵列以及其他水面和空中作战平台之间提供数据交换。因此，受到美国保密审查制度的影响，大量水声换能器技术处于保密状态而无法被查询和检索到。例如，美国的自主海洋观测网AOSN 的建设以及MPL 实验室的研究均受到军方资助并已经投入使用，然而却未能检索到与其对应的专利文件。据此推测，涉及水声换能器技术的美国专利申请由于受到保密审查影响而公开数量较少。

美国海军于1959 年开始了对水声换能器的研究，并在此之后申请了大量专利作为基础专利，虽然相关申请经历了20 多年的保密期，但已经反映出美国海军在水声通信技术领域深厚的技术积累。从专利文件中披露的相关技术还可以发现，目前水声换能器技术发展主要有以下两个方向，如图2 所示。

图2 水声换能器技术热点路径图

一是应用具有更大顺性和伸缩系数的新型材料代替传统的压电陶瓷材料。水声换能器技术的突破从根本上决定于功能材料的技术突破，典型的代表是超磁致伸缩材料、弛豫铁电单晶材料和压电复合材料（专利号CN110012401A、JP2005236582A、US20040130410A1），利用磁致伸缩效应和压电效应，能够有效提高效率和振动位移。

二是探索新型结构，通过合适的结构来发挥作用[5]。其中具有代表性的结构是弯张换能器、压电陶瓷环嵌套式纵振换能器和开缝圆管换能器（专利号US7719926B2、EP258948B1、WO8910677A1、CN105187983A、US4864548A）。

3 结 语

从水声换能器的专利申请角度来看，我国在水声换能器技术领域的专利技术发展相较美国在时间方面存在延迟。我国在水声换能器技术领域的积累不足，导致我国在水声换能器技术研究方面仍处于追赶态势，具有较大的技术发展空间。并且，我国的专利申请中呈现出高校及科研院所的申请量远大于公司企业的状态，虽然具有较高的技术含量，但专利技术成果转化率较低，还未形成产业化发展，面向的领域也仍旧集中在军事方面，还未广泛地应用于民用及商用领域。对此，可以通过增加科研院所与军方、中国海洋石油集团有限公司等之间的合作，实现多方的协同创新，有效推进技术研究的深度和实用性，通过开展海试，积累经验，帮助自身技术的提升。

从水声换能器的专利技术角度来看，换能材料的性能决定了水声换能器的能量转化率和体积，相关研究者可以随时关注换能材料方面的新进展、新动态，将新的高性能材料引入水声换能器的研究中来，以实现技术突破。例如，通过使用稀土合金材料及稀有金属合金材料等新一代磁致伸缩材料、三元系铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅（PIN-PMNPT）和锰掺杂铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅（Mn：PIN-PMN-PT）等压电单晶材料来进一步改善水声换能器的工作特性。水声换能器的结构也对其功耗和体积有重要影响，因而除了关注弯曲振动低频换能器和弯张换能器两种结构类型外，还可以考虑使用溢流腔结构的弯曲圆盘换能器和采用溢流圆管换能器作为激励源的多液腔低频宽带换能器。此外，根据材料特性将新材料和新结构结合，以提高水声换能器性能，将是未来研究的重点。