一种前端开放式超声换能器封装结构

李明宇，胡丽华，云泽霖，宋世德，黄 一

（1.大连理工大学 船舶工程学院，辽宁 大连 116024；2.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；3.大连理工大学 海岸及近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

0 引言

随着科技的进步，海洋工程得到了长足的发展，人们向着更深的海域进发。随着被勘探海域深度的增加，水下生产设备的工作环境也愈发恶劣。除了水下环境对设备的化学腐蚀外，海洋中存在着大量的贝类、软体生物与微生物，这些海洋生物会附着于水下生产设备，久而久之，会对水下生产设备造成永久性损伤［1］。据相关统计，全球每年由于污损生物附着导致海洋结构物造成的损失高达数百亿美元，全球有8%～10%的海洋结构物出现事故是由于海洋生物污损和相关腐蚀造成的［2］。

超声波基于其所产生的空化作用，近年来在海洋结构物的防污工作中被广泛运用。超声空化使得存在于液体中的微气核（空化核）在声波的作用下振动，气泡在被压缩崩溃时产生的高温高压冲击波可有效杀灭、驱逐海洋污损生物［3］。

1 换能器封装结构目前存在的问题

目前，主流的超声波清理装置是由超声发生器、超声换能器以及整体封装舱体三部分组成的［4］。换能器通过特制胶或耦合剂与整体封装舱体内壁连接成一整体，与换能器连接的壁面称为超声波振板。超声波振板的加入，使得超声振子的能量可通过振板更均匀地传递到流体中。在空间有限的清洗槽内，采用该种结构形式，可以使槽内的超声场分布更加均匀，保证其清洗效果［5-6］。

但在实海开放环境中，需要对生产设备的某些关键位置进行重点防护。这些关键位置通常是一些可操作结构（如各种阀门，开关，操作面板等）。因此，换能器的安装需要为潜水员预留出操作空间（若将换能器直接固定在生产设备上，强烈的振动会对生产设备的结构及防污涂层造成严重的损坏），这使得换能器与生产设备间必须有一定的距离。且为了保证防污效果，水下换能器需要长时间、不间断地工作，这对换能器的能量利用率提出了更高的要求。

将换能器置于四周完全密封的舱体内，可通过超声波振板将能量均匀传递到流体中，但分散的能量缩短了其在流体中传递的距离，并且在开放的实海环境中缺少壁面的反射，能量的分散更加重其本身的损耗。同时，一部分超声振子的能量会损耗在耦合剂与超声波振板中，降低了能量的利用率。因此，目前主流的超声清洗装置在较小尺寸的清洗槽中效果较好，但显然无法满足实海超声防污系统中高集中、远距离、低损耗的需求，需针对换能器的封装结构进行优化。

2 前端开放式换能器封装舱设计

针对传统整体封装结构存在的问题，本文设计了新型前端开放式换能器封装舱结构。该结构主要由头部防水接头、线缆防水接头、舱体及底盖等部分构成，如图1 所示。

图1 换能器及封装舱结构

通过头部的大型号防水接头结构实现辐射面与舱体接触部分的密封，在装配时拧紧头部大型号防水接头可将换能器固定；在舱体侧面设置线缆口，通过线缆口将线缆牵引至舱室内，并与换能器连接。

装配时，先将头部大型号防水接头与舱体连接；再将换能器放至于指定位置（辐射面与头部防水接头开口处平齐），为减小换能器与防水接头的接触面积，在换能器头部绑扎橡胶圈，拧紧防水接头；将电缆通过侧面开口伸入至舱内与换能器连接，随后拧紧电缆处的防水接头；在舱室内注满导热油（辅助换能器散热，加强结构密封性），在换能器尾端放置一吸音胶垫，避免换能器与底盖间的钢性接触；最后拧紧底盖。

结构中，所有的螺纹连接处均涂抹密封胶，进一步保证整体结构的密封性。

设计中发现，头部防水接头的松紧程度会对换能器的正常工作产生影响，如过紧会约束换能器的振动，使功率升高，降低换能器的效率。对此，采用在换能器头部绑扎橡胶圈的方式，减小接触面积，减小结构对换能器的束缚作用，减轻前端对换能器的束缚力后，换能器的工作状态能够得到明显改善。

装配完成后的前端开放式封装结构实物如图2所示。

图2 前端开放式封装结构实物

3 压力试验

3.1 实验目的与方法

3.1.1 实验目的

本实验的目的是对前端开放式换能器封装舱进行打压实验，验证换能器封装舱在实际100 m 水深的工作条件下能否承受水压并同时保证其水密性能。

3.1.2 实验方法

放置封装舱于压力容器中，向压力容器内打压至1.0 MPa 后关闭压力阀门，观察压力表示数，判断封装结构的耐压性与水密性。压力容器如图3所示。

图3 压力容器

3.2 实验结果

经过48 h 的实验，压力表示数仍维持在1 Mpa附近。打开封装舱后盖观察，其内部未见漏水现象，表明结构防水性良好；观察结构外观，未见明显破损与凹陷，表明结构耐压性能良好。实验结果如图4 所示。

图4 压力表示数

4 声场对比实验

4.1 实验目的与方法

4.1.1 实验目的

声场对比实验的目的是探究以前端开放式封装结构封装的超声换能器和以传统整体封装结构封装的超声换能器前端的声场分布，对比声场特征，通过实验验证前端开放式封装结构能否有效地减小能量损失，集中声场能量，提高声场强度。

4.1.2 实验系统与装置

实验采用超声波发生器、超声波换能器、前端开放式封装结构、整体封装式封装结构、水听器、数据采集卡等设备与仪器，整体实验系统搭建如图5所示。

图5 实验系统示意图

4.1.3 实验方法

首先，对超声换能器正前方中线上6 m 的声场进行测量。

其次，将超声换能器及其封装结构固定在指定位置，开启超声发生器，超声换能器激励前方水体产生超声场。将水听器依次放置在各个测量点位置，对声场进行采样。

最后使用同一超声换能器，采用两种封装结构进行封装，依次进行试验。两次试验应保证超声发生器的功率一致。

4.2 实验结果与分析

4.2.1 实验结果

将采集到的数据滤波处理后，进行傅里叶变换，得到主频率对应的电压幅值V，通过下列公式转换为声压级dB：

式中：x为水听器的灵敏度，P为声压，M为该水听器灵敏度下单位电压，V为所测电压幅值，SPL为声压级；Per为参考压力，取1×10-6Pa。

处理后得到各点的声压级，如表1 所示。整理为图片形式，结果如图6 所示。

图6 声压级变化曲线

表1 传统整体封装声场声压级（单位：dB）

4.2.2 分析与结论

以下关于某一声场的结论均是通过对比另一声场得出。

（1）在0～2 m 范围内，两声场声压级大致相同，最大声压级相差1 dB。

（2）在2～6 m 范围内，传统整体封装结构中换能器所激发的声场声压级衰减更快。

（3）前端开放式封装结构因降低了能量在结构中的损耗，使得声场能量更加集中。相比传统整体封装结构，可有效提高远处声场强度。

5 结语

本文介绍了一种新型的前端开放式超声换能器封装结构，对其原理及结构形式进行了详细说明，并对该封装结构分别进行了耐压水密实验和声场测量实验。实验结果表明，新型前端开放式超声换能器封装结构具有良好的耐压性与水密性，可满足水下100 m 环境的工作要求；且前端开放式超声换能器封装结构可有效降低能量损失，有效提高远处声场强度。本文的研究结果能够为换能器封装结构的优化提供参考。