船舶声呐换能器加速寿命试验设备设计与实现

盛成明，唐锁夫

(702厂， 上海 200434)

0 前言

船舶声呐装备一般由干端电子设备部分和湿端水下声系统组成，船舶声呐换能器是水下声系统的重要组成部分。换能器性能的好坏，直接影响声呐装备的性能。

在船舶声呐装备修理时，都应检查水下声系统换能器的性能，对于不满足技术指标要求的，进行更换或修理。由于大部分换能器安装在水线以下，日常修理更换不便，一般需进行预防性的估算，将达到或接近使用寿命的换能器进行更换。

但是，各型换能器的使用寿命均没有直接的数据可查。因此在实际修理保障中，由于不能掌握换能器的使用寿命，某些换能器实际已经临近使用寿命，没有及时进行更换，时间不久就出现损坏或性能下降;有时还会将还有几年使用寿命的换能器也进行了更换，造成不必要的浪费。

换能器的使用寿命除了本身物理因素之外，还受到使用环境的影响［1］。因此，针对声呐换能器无法定量评估使用寿命的问题，研制一套声呐换能器加速寿命试验设备，模拟换能器使用环境，为开展换能器使用寿命的研究提供必要的条件，以便在短期内根据试验得到数据，分析得到换能器的寿命分布曲线［2－3］。对换能器的使用寿命进行有效的预测，将大大提升声呐换能器维修保障能力。

1 设备组成

研制的总体思路是设备能在模拟船舶声呐换能器的使用环境条件的基础上，增加换能器工作环境条件的苛刻程度，如改变静水压力、温度、盐度等条件，以达到加快试验速度，缩短试验时间的目的，为船舶声呐换能器的寿命研究提供必要的条件［4］。

1.1 设备构成

声呐换能器加速寿命试验设备由绝缘测试分机、温度控制分机、压力控制分机、数据采集处理分机、工况调节分机、电声性能测试分机、2个压力水箱及配套设施组成，如图1所示。

图1 设备组成及信号流程图

1.2 设备详细说明

1)功能。

主要功能见图2。

图2 设备功能图

2)工作原理。

(1)绝缘测试分机。

绝缘电阻测量采用恒压法，通过在选定的电压下进行测试，测量流经电阻的电流，得到电阻与电压的关系曲线，从而测出绝缘电阻阻值。

依据数据采集处理分机的指令，来控制绝缘电阻测量工作，绝缘电阻测量分机与换能器连接，直接测量出设定测试电压下换能器的绝缘电阻。根据指令选择测量通道，实现多换能器的自动轮循测量。测量数据上传到数据采集处理分机处理。

(2)温度控制分机。

温度控制分机主要由智能温度控制器、温度传感器、电加热器组成。智能温度控制器根据数据采集处理分机输入的温度控制参数，采用先进的PID温度控制算法，采集温度传感器水温数据，控制电加热器加热并维持压力水箱内的水在设定温度范围。将测量的温度值经过处理发送给数据采集处理分机。

(3)压力水箱。

压力水箱由承压结构件，密封圈，填料函、保温层、排气阀、进水阀、放水阀、电控闭合装置等构成。承压结构件内部进行防腐处理。

安装好换能器后，向压力水箱内注入已预先加热的水，闭合压力水箱、放水阀，开启进水阀、排气阀，由压力控制分机的高压水泵将水注满压力水箱，排气阀排除空气。

达到初步设定值后，加热器将水温加热并恒定在设定范围，控制高压水泵加压至设定值。

(4)压力控制分机。

压力控制分机由智能压力控制器、高压水泵、压力传感器等组成。

智能压力控制器根据数据采集处理分机输入的指令，控制高压水泵将压力水箱的水加压至设定值，并将测量的压力值经过处理发送给数据采集处理分机。

(5)工况预调节分机。

为了满足试验用水要求，通过工况预调节分机，将试验用水进行预加热及盐度调节。整个装置由储水罐、阀门、电加热器、温度传感器、盐度传感器等组成。

开启供水阀门，将储水罐内注入一定量的水。根据水位标尺所示水量，人工分批注入相应的盐至规定值，以供压力水箱试验用。

根据数据采集处理分机指令，控制电加热器将压力水箱的温度加热至设定值;并将测量的温度值经过处理发送给数据采集处理分机。

(6)电声性能测试分机。

（2）Meyer & Allen（1984）提出了组织承诺的二维测量模型（情感承诺和持续承诺），并开发出了一个情感承诺量表（ACS）和持续承诺量表（CCS）。之后McGee & Ford（1987）在Meyer和 Allen（1984）二因素模型的基础上，将ACS和CCS合并成一个共有16个项目的量表。通过对该量表验证发现，情感承诺是一种独立的承诺形式，但持续承诺却可以分为多种维度，但其并未明确指出具体各维度。

测量换能器电声性能参数在试验过程中发生的变化，主要测量以下数据:①阻抗测量。通过阻抗特性分析仪测量换能器在某一固定频率的电阻抗，测量换能器的串、并联谐振频率，以确定换能器是否工作在最佳工作频率。②电容测量。通过交流电桥测量换能器的电容。③指向性测量。通过水声测量系统测量换能器的指向性。④灵敏度测量。通过水声测量系统测量换能器的灵敏度。

将上述测量数据发送给数据采集处理分机。

(7)数据采集处理分机。

通过预先设定的温度、压力控制参数及控制指令，输出相应控制信号;采集温度、压力、盐度及换能器绝缘电阻等参数，经相应数据处理，显示、输出并存储数据，为换能器寿命分析提供数据。

使用高级编程语言LabView编写程序，通过通讯程序对测量仪器及温度、压力控制分机发出操作指令及控制参数;采集温度、压力、盐度、绝缘电阻等参数，将采集到的数据，经过数字滤波等数字处理方法以图形表格的形式显示在数据采集处理分机操作界面上，同时存储在数据采集处理分机中，具备数据打印功能。

2 主要技术特点

声呐换能器加速寿命试验设备的主要技术特点体现在以下几个方面。

1)设备综合运用压力容器技术、自动化控制技术、仪器仪表开发等技术，研制开发了声呐换能器加速寿命试验设备，实现了声呐换能器水下综合环境模拟，主要性能指标检测及自动记录，为开展换能器使用寿命的研究提供了有力的支撑。

2)设备的研制是基于对声呐换能器失效分析、寿命试验技术方法分析、统计分析、寿命预计分析的基础上，实现设备能模拟船舶声呐换能器的使用环境条件，增加换能器工作环境条件的苛刻程度，如改变静水压力、温度、盐度等条件，以达到加快试验速度，缩短试验时间的目的。

3)设备的研制成功，为声呐换能器寿命研究工作提供了有力的条件。通过对声呐换能器寿命的有效预计，将确保声呐换能器的科学使用、管理和维修，制定更有效的维修保障计划，提高装备保障水平。

3 结束语

针对船舶声呐换能器数量多、种类广，使用寿命无法预估，非计划内修理难度大、代价高等问题，结合船舶声呐换能器维修保障的实际，综合运用压力容器技术、自动化控制技术、仪器仪表开发等技术，研制了声呐换能器加速寿命试验设备。该设备具备了静水压力、温度、盐度调节，全过程自动测量记录静水压力、温度、盐度等试验条件和换能器的绝缘电阻等试验数据的功能。该设备为开展换能器使用寿命的研究提供了一种先进、综合、实用的技术手段，以便在短期内根据试验得到的数据，对换能器的使用寿命进行有效的预测，对提高声呐换能器维修保障能力有着重要的意义。

［1］费国强，林家旺，寇红军，等.压电陶瓷水听器绝缘电阻和平均寿命 ［J］.声学与电子工程，2008(1):1－4.

［2］钱萍，陈文华，马子魁，等.综合应力加速寿命模型验证方法的研究 ［J］.机械工程学报，2010，46(24):156－161.

［3］赵华，许迪，龚时宏.微喷头耐久性的加速寿命试验方法研究 ［J］.水利学报，2009，40(10):1248－1253.

［4］张增照.以可靠性为中心的质量设计、分析和控制［M］.北京:电子工业出版社，2010.