海洋论坛▏深海换能器研究概述 - 海底地质探测装备选择

吴钩霜雪明 · 发表于地质类 2024-8-12 05:20:14

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深海是相对浅的大陆架之外的海洋部分，对于科学家来说，深海是海洋中最低的部分，位于温跃层之下，海底之上。深海蕴藏着丰富的矿产、油气、生物等资源，是人类未来发展的蓝色空间，更是涉及国家长远发展战略的新疆域。深海探索研究和开发将是21世纪各国竞争的热点领域。2012年，我国第一艘自行设计、自主研制“蛟龙号”载人潜水器，其具有近海底自动航行、深海悬浮定位、高速水声通信等功能，下潜深度达到7062m，创造了同时间世界同类作业型潜水器的最大下潜深度纪录。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，而深海换能器技术是其中十分重要的技术支撑。

一、深海换能器性能特点

深海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、结构材料以及其他电气构件通过一定的结构组合而成。不同类型的深海水声装备对换能器的工作频段、空间覆盖、工作深度、安装形式等需求差异较大。

对于海底地质探测等装备，一般需要100Hz以下的甚低频声源；对于深海超远程通信、深海声学潜标等装备，其声源多布放在深海声道轴上，工作深度约1000m，工作频率约为数百Hz，接收阵列则视需求布放在几十m至数千m水深；对于声学通信、水声定位、失事救助、声学释放器等装备，工作频率多为数kHz至数十kHz不等，工作深度为数百m至全海深；对于海底地形地貌探测设备，如多波束声呐、侧扫声呐、合成孔径声呐等，依探测距离的远近不同，其工作频率为数十kHz至数百kHz不等，工作深度为数十m至6000m乃至全海深，一般要求声基阵具有宽指向性覆盖。

深海环境对换能器性能的影响主要有静水压力和温度两个方面，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等发生变化，不同静水压力下水声换能器会有不同的电声性能。

深海环境下换能器所受的静水压力增大，这就要求换能器具有较高的静态机械刚度来承受高的静水压力，同时要求换能器具有较大的动态顺性以适用于低频工作；工作深度增大，环境温度会随之发生变化，环境温度变化会引起换能器的阻抗、电容等性能发生变化，导致换能器与发射机发生失配。

二、深海换能器结构形式

随着工作深度的加大，换能器所受的静水压力增大，这就要求换能器具有较高的静态机械刚度来承受静水压力。对于许多类型的换能器，特别是压电陶瓷换能器，由于需要对压电陶瓷施加预应力，对于某些类型的换能器，静水压力的增大会使预应力减小（IV型弯张换能器等随静水压增加而预应力释放，但圆环、纵振等随静水压增加预应力是增加的），使换能器无法正常工作。这就需要根据不同的情况采取相应的措施来降低静水压力的影响，即压力补偿措施，其基本原理都是加大内腔的压力使换能器内外腔的压力平衡。

⒈自支撑耐压结构

采用具有一定厚度且能承受一定静水压力的材料做成换能器的壳体，密封的壳体或去耦材料释放压力来承受一定的静水压力。换能器做成一个封闭腔，封闭腔内部是空腔，利用本体结构作为自支撑的结构形式承受一定的静水压力。这种压力补偿措施的优点是结构简单、使用方便、释放效果好，但由于壳体强度和驱动结构的限制，一般工作水深在500m以内。比较典型的有纵振换能器、圆柱换能器、弯张换能器、平面换能器等，如图1所示。

图1 几种自支撑耐压结构换能器

自支撑球形换能器（图2），压电陶瓷球壳选用厚壁空心压电陶瓷球壳，厚度不小于直径十分之一，由两个半球黏结而成。高强度复合泡沫位于压电陶瓷球壳内部或外部（承压结构），通过黏结剂与压电陶瓷球壳紧密连接，水听器内置抗冲击前置放大器。该结构形式保证水听器最大工作深度7000m，并具有良好压力稳定性，适合作为高静水压条件下水声声压校准、水声测量用标准水听器。

图2 自支撑球形换能器

⒉自由浸没耐压结构

换能器内腔与外界水介质互通，从而使结构上承受的静水压力达到自平衡，理论上工作深度不受水深限制，溢流圆环换能器和Helmholtz换能器通常应用此方法。合理设计圆环换能器的液腔尺寸，可激励低频液腔谐振峰，与圆环自身的径向谐振组合，实现多模宽带工作。

溢流圆环换能器，如图3所示，其具有工作频率低、工作频带宽、水平无指向性、发射功率大、耐静水压力性能好等优点，是一种典型的深海低频大功率换能器，被广泛应用于水声探测、水声通信等领域。

图3 溢流圆环换能器及基阵

Helmholtz换能器的液腔振动模态具有谐振频率低、机电转换系数高的特点，容易实现小体积、低频、大功率发射，液腔振动和结构振动耦合可以形成宽带发射。Helmholtz水声换能器固有的溢流结构，使其能够不使用压力释放装置即可深海工作，因此Helmholtz水声换能器是一种理想的低频、宽带、大功率、深海声源。

图4 Helmholtz换能器

Helmholtz换能器的核心部分是一个双面辐射的纵振压电换能器，称之为Janus换能器。在Janus换能器辐射盖板外侧套一对圆柱壳腔体，腔体与Janus换能器包围的空间充水后构成Helmholtz谐振腔，两个腔体间留有狭缝构成辐射口。在Janus换能器纵振激励下引起低频液腔振动，声能量通过辐射口辐射出去。Janus-Helmholtz换能器（图5）为固有的溢流结构，无需使用压力补偿装置即可实现深海工作。其采用了施加预应力的压电晶堆作为驱动部件实现大功率发射。同时，Janus-Helmholtz换能器利用液腔谐振模态及Janus换能器纵向谐振模态耦合，具有低频宽带特性，是一种理想的低频、宽带、大功率深海换能器。

图5 Janus-Helmholtz换能器

Janus-Ring换能器在Janus-Helmholtz换能器的基础上进行变形设计（图6），其特征在于：压电陶瓷圆环换能器作为圆柱壳腔体，增加了功能元件，提高了发射电压响应，功率容量也随之增加，可以作为深海、低频、宽带、大功率声源。图6中的序号示意分别为：1-辐射头，2-纵向振子，3-中间质量块，4-预应力螺杆，5-圆环换能器，6-连接杆，7-引出电缆。

图6 Janus-Ring换能器

Janus-HammerBell换能器（图7）结构上与Janus-Helmholtz换能器有相似之处，但工作原理有所区别。Janus-HammerBell换能器的纵振能量通过液腔耦合到外壳上，激发外壳的径向振动。其利用的是Janus换能器纵振动模态和外壳的径向振动模态耦合形成宽带发射。外壳与海水接触面积大，声转换效率高，内部液腔与外围介质贯通，可实现深海工作。

图7 Janus-HammerBell换能器

中船第七一五研究所赵双提出一种耐高静水压球形水听器（图8），该水听器的两个半球形压电元件分别黏结在金属圆环两侧拼接成一个整球，半球形压电元件上连接导线，球形内腔硫化橡胶用于防水，压电元件下端粘在非金属支撑结构上，非金属支撑结构下端连接螺杆，螺杆下端连接基座，基座与其他结构设备连接，水听器外表面硫化橡胶实现防水。该水听器设置海水进出压电小球内部的通道，利用溢流式原理，通过球壳内外海水贯通实现压力平衡，解决了传统球形标准水听器无法承受过高静水压力问题，保证水听器在各深度均能正常工作，为载人和非载人深潜器的发展提供技术支持。

图8 溢流球形水听器

⒊液体补偿耐压结构

由于液体的“不可压缩性”，用液体充填满换能器密封腔体，达到内外压力平衡，工作深度可达全海深，且通过内部液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。对于一定的频率和声功率的换能器，其体积较大、重量较重。

目前常见液体补偿耐压结构方案是填充绝缘液体，如硅油、蓖麻油等。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。其类型有充油圆环换能器、充油纵振换能器等，见图9～10。

图9 充油式圆环换能器

图10 充油式纵振换能器

⒋气体补偿耐压结构

换能器密封的壳体内部设有充气囊，注入压缩空气来支撑静水压力，换能器能够与周围介质实现静水压力平衡，并提供良好的压力释放，其缺点是由于低频换能器需要很大的内腔，当在大深度使用时，需要一个很大的高压气体存储容器，当换能器的工作深度增大时，高压气体系统变得复杂并有安全问题。

国内外对气体压力补偿的研究越来越多，大致分为传统被动式压力补偿和主动式压力补偿两大类型。

⑴被动式气体补偿

被动式气体压力补偿器常用的形式是气囊式，静水压力通过气囊直接传递给补偿气囊内的空气，气囊通过连接管道与换能器相通，实现换能器内外压力平衡。其结构比较简单，是一种使用最为广泛的压力补偿方式。该方案具有可靠性好、补偿速度快、补偿精度高等特点，但受到气囊材料容易老化的影响，使用寿命较短。

美国Alliant Techsystems公司研制的超低频大功率水声换能器HX-554，见图11。其由10个长1085mm、宽119mm、厚53mm的压电晶堆（每个晶堆由92片压电陶瓷方片粘结而成，晶堆中间加了一段无源材料）围成桶状结构，内部设有充气囊以平衡静水压力，工作深度可达1000m。

图11 HX-554PP型换能器

中船第七一五研究所马振研制完成了多型Ⅶ型弯张换能器（图12），换能器的谐振频率分别为300、400Hz等多种类型，换能器的端面设有充气囊，内部充入高压气体，该型换能器工作深度可达水下1200m，其发送电压响应见图13。

图12 被动式气体补偿Ⅶ型弯张换能器

图13 被动式气体补偿Ⅶ型弯张换能器的发送电压响应

⑵主动式气体补偿

主动气体补偿带有一个低压腔，一个高压腔，换能器内部气体压力由电气比例阀控制。这类压力补偿方案解决了气囊补偿使用寿命短的问题，具有控制和补偿精度高、寿命长等特点。但是相对气囊式补偿方案，电控主动气体补偿方案的系统结构较为复杂。该方案又可以分为开式压力补偿和闭式压力补偿两种。

①开式压力补偿

图14为开式气体补偿换能器工作原理。换能器下水之前高压腔充满高压气体，低压腔抽真空。水深压力传感器检测外部静水压力，静水压力和换能器内部气体压力不一致时，控制器驱动电气比例阀改变方向或者流量，直到换能器内外压力差<允许压差。当静水压力增加时，高压腔的高压气体经过电气比例阀和连接管道补充到换能器中，使换能器内部压力升高。当静水压力降低时，换能器的高压气体通过连接管道经过电气比例阀释放到低压腔，使换能器内部压力下降。

该补偿方式的使用寿命远高于气囊式补偿方案，但是当高压腔的压力≤换能器内部压力或者低压腔的压力≥换能器腔的压力时，系统就失去了工作能力，必须重新补充高压腔的高压气体，对低压腔再次抽真空。因此其使用时间受到限制，不能在水下长时间循环使用。

图14 开式气体补偿换能器工作原理图

②闭式压力补偿

闭式主动压力补偿方案是在开式主动压力补偿方案基础上的改进，水深压力传感器、输出压力传感器、低压腔压力传感器和高压腔压力传感器分别检测静水压力、系统输出压力（换能器内部压力）、低压腔压力和高压腔压力，控制器采集这4个压力值。以这4个压力值为控制输入，控制电气比例阀的动作，保证换能器内部压力和静水压力一致，控制空气压缩机的运行使高压腔和低压腔的压力分别处于允许的压力范围内，保证压力补偿系统正常工作。图15是其工作原理图。相对于开式主动压力补偿方案，闭式主动压力补偿方案可以实现长时间连续循环使用。

图15闭式气体补偿换能器工作原理图

中船第七一五研究所程启航研制的主动压力补偿弯曲换能器（图16），其谐振频率为110Hz。换能器的连接电缆是气电混合缆，高压气体通过气电混合缆充入换能器内部，该型换能器工作深度可达水下1000m。其发送电压响应如图17所示。

图16 主动气体补偿弯曲圆盘换能器

图17 主动气体补偿弯曲圆盘换能器的发送电压响应

⒌顺性管液腔结构

因目标探测或水声对抗的需要，对高性能的深海耐压换能器的需求越来越迫切。提高换能器耐压性能的常用方法是增加换能器自身结构强度，但这可能会导致换能器性能变化。溢流结构设计也是提高耐压性能较为有效的方法，该方法使换能器内部腔体和外部水域连通，达到内外压力平衡，从而大大提高换能器的耐压性能。但由于换能器内部存在液腔，会带来换能器声源级的损失。为了解决此问题，研究人员提出在换能器内部填充顺性管，通过改变换能器内液腔的等效阻抗，降低辐射阻，减小声源级的损失。

图18 Janus-Helmholtz和溢流圆环顺性管换能器

在换能器腔内液体中插入顺性管结构，增加了等效顺性，是传统的Helmholtz谐振腔换能器经常采用的方法。不同顺性的顺性管与不同数量的顺性管可形成多样的等效顺性腔，从而对谐振频率进行调节。虽然顺性管的应力极限使换能器的工作深度受限，但对于中等深度的换能器仍是较好的选择。对于同样尺寸的顺性管，向顺性管内充入高压气体可以进一步增大换能器的工作深度。

以某型溢流式弯张换能器为例，通过有限元软件计算得到该换能器的工作频率为552Hz、电压发射响应为125.8dB；该换能器液腔内部装入顺性管结构后，计算得到该换能器的工作频率为440Hz、发送电压响应为136dB，见图19。通过上述计算结果可知，顺性管可以改变换能器液腔的辐射阻抗，提高换能器的发射声源级，同时可以降低换能器的工作谐振。

图19 某型溢流式顺性管弯张换能器的发射性能

三、深海换能器制造工艺

自由浸没耐压结构和液体耐压结构的深海换能器理论上适宜于全海深工作。对于这两型换能器，在大深度条件下工作，必须保证在换能器封闭腔体内不能存在一定体积气孔、一定大小缝隙等缺陷，否则其耐压性能将大幅度降低。

对于上述两型深海换能器，如果采用常压橡胶灌注和充液工艺，都无法保证换能器封闭腔体无气泡、孔隙等缺陷。真空负压橡胶灌注和充液工艺可以显著减小气孔的体积、有效消除缝隙等缺陷。对于体积较小的换能器可以采用内置真空负压灌注法进行橡胶灌注和充液，对于体积较大换能器可以采用外置真空负压灌注法进行橡胶灌注和充液。

四、深海换能器试验和测试

深海换能器研制完成后，为了检验换能器的性能，首先需要进行静水压力试验，针对不同项目的要求，可以参照有关文献等标准规范进行静水压力试验。国家深海基地管理中心、中科院科学与工程研究所、国家海洋仪器设备产品质量监督检验中心等单位都可以进行高静水压力试验。

换能器通常需要在消声水池或自由场条件下进行声学性能测试，检验换能器的声学性能。对于某些深海换能器，浅水条件下与深海的性能存在一定的偏差，因此需要在消声压力罐中模拟深海条件，进行换能器性能测试。浙江大学建有一个大口径高压罐，可以测量20MPa压力下换能器的性能。水声计量一级站建有一套高静水压耦合腔声学测试系统，见图20。最大静水压力50MPa，可以进行小型水听器的测试。水声计量一级站还建成了一套最大静水压力为70MPa的声学性能测试系统，测试最低频率为5kHz。对于低于5kHz的换能器可以放置于透声压力舱中，压力舱放置于消声水池中进行高静水压力下换能器性能测试。

图20 高静水压耦合腔声学测试系统

五、结束语

在深海水声通信、水声定位、海底地质探测、海底地形地貌勘测等领域，对工作在深海环境条件的换能器会有更多更广泛的需求。根据换能器的结构形式和工作深度的不同，应采取不同的压力补偿措施。几种典型耐压结构特性见表1。

表1 几种换能器压力补偿措施

⑴自支撑耐压结构，特点是结构简单、使用方便、释放效果好。但是受到背衬材料和结构的限制，对换能器的工作特性有一定影响。

⑵自由浸没式结构，理论上工作深度不受水深限制。常见类型溢流式圆环换能器，合理设计圆环换能器的液腔尺寸，可激励低频液腔谐振峰，与圆环自身的径向谐振组合，实现多模宽带工作。对于尺寸/波长比更小的弯张/弯曲类换能器，由于水背衬的耦合作用，在辐射声功率方面存在一些问题。

⑶液体补偿结构，可使换能器做到基本不依赖于工作深度。存在的缺点是该型换能器体积比较大、重量比较重，由于机械阻抗升高，相对需要较大的驱动力。

⑷气体补偿结构，能够提供良好的压力释放性，补偿精度高、可靠性好。但是换能器的工作深度受限，适用于深度较浅而换能器自支撑结构又不能很好地满足要求的场合。

⑸顺性管液腔结构，换能器的工作深度与顺性管的应力极限有关，受顺性管不同压力下性能变化影响，换能器的声学性能往往随深度变化，因此该型结构适用于中等深度工作的换能器。

⑹真空负压橡胶灌注和充液工艺相对于采用常压橡胶灌注和充液工艺，可以显著减小气孔的体积、有效消除缝隙，采用该工艺改进措施制造的换能器，其耐深海工作性能明显提高。

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END

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【作者简介】文/苏妍，来自中船第七一五研究所。文章来自《声学与电子工程》（2024年第1期），参考文章略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流，转载也请备注由“溪流海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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