中高频水声换能器发展综述

2014-03-10胡明朱辉庆

声学与电子工程 2014年4期

关键词：基阵声呐换能器

胡明朱辉庆

(海军驻杭州地区军事代表室，杭州，310023)

中高频水声换能器发展综述

胡明朱辉庆

(海军驻杭州地区军事代表室，杭州，310023)

叙述了各种中高频换能器拓宽带工作频带方法及其高频换能器基阵的设计方法，并对应国内外中高频水声换能器阵设备实物介绍。对从事换能器设计的工作人员有指导意义。

声呐；中高频换能器；基阵；设计方法；综述

为探测水中目标或在水中实现数据通信，人们尝试了各种手段，其中最为有效的还是声学方法，这是因为声波在水中的传播损失非常小，传播距离较电、磁、光等远得多。在确定了声作为信息载体后，还必须要有声的接收和发射设备，这样水声换能器就孕育而生。顾名思义，换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。

水声换能器按工作频率可分为低频换能器、中频换能器和高频换能器。一般工作频率在2 kHz以下的称为低频换能器，工作频率在2～100 kHz以内的称为中频换能器，工作频率在100 kHz以上的称为高频换能器。低频换能器通常尺寸重量都较大，中高频换能器尺寸重量较小。中高频换能器一般用于鱼探仪声呐、避碰声呐、三维成像声呐、多波束测深声呐、侧扫声呐、反蛙人声呐、海流剖面仪等要求频率高、分辨力高的水声设备，通常应用于小目标探测或精细成像等领域。

1 中高频宽带换能器设计方法

随着信号处理技术及DSP硬件的发展，信号处理机的运算能力越来越强，所能处理的频段越来越宽，因此对换能器提出了更高的带宽要求，这也是中高频换能器主要关注的问题。目前中高频宽带换能器采用的技术主要有三大类：一类是新型结构技术，包括传统的匹配层技术、纵弯复合技术、多模谐振技术等[1-4]；另一类是采用新型有源材料技术，包括1-3复合材料和弛豫铁电单晶材料[5-6]；还有一类则是通过对有源材料的组合来获得宽带特性[7]，包括采用反转层压电材料等。

1.1 新型结构技术

换能器的带宽通常是由有源材料的机电耦合系数决定的，结构优化设计的主要目的是充分发挥材料的带宽容量。

1.1.1 匹配层技术

高频宽带换能器通常采用匹配层技术，即在陶瓷片上粘结一层或多层特性阻抗不同的无源材料，以达到拓宽换能器工作频段的目的。换能器所能达到的最大带宽与压电材料的机电耦合系数成正比。对于厚度振动机电耦合系数kt=0.5，纵向振动机电耦合系数k33=0.7，两者相差1.4倍，因此人们很自然地就想到了用陶瓷柱拼成圆片再粘结匹配层的方法来拓宽换能器工作频带，如图1所示。通过调节陶瓷颗粒与匹配层之间粘接的面积比，可以获得一个倍频程的带宽[7]。

图1 颗粒型匹配层换能器

1.1.2 纵弯复合技术

纵弯换能器是利用纵向振动和辐射头弯曲振动相结合的多模振动换能器。通常为了增大纵振换能器的辐射面积，将前辐射头设计成喇叭形，在纵向振动的激励下，辐射头会产生沿轴向弯曲的振动，从而得到第二个谐振模态。该种换能器具有结构简单、容易制作的特点，多用于对结构、重量、尺寸要求不是很严格的场合。图2为典型的纵弯复合振动换能器及其前两阶振动模态，一般也能获得一个倍频程的带宽[8]。

图2 纵弯复合振动换能器

1.1.3 多激励技术

多激励换能器通常在陶瓷堆之间加入中间质量块，这样，对于高频来说，中间质量块及其以下部分都充当了后盖板的角色，而对于低频，中间质量块则被当作了前盖板，这是多激励换能器一般的设计思路。与匹配层和纵弯换能器相比，多激励换能器由于陶瓷元件体积较大、辐射面相对较小、中间质量块刚度较大，导致发射电压响应起伏大于前两种换能器。图3为典型的双激励加匹配层换能器及其前三阶振动模态，一般能获得接近两个倍频程的带宽，但起伏也接近6 dB[7]。

图3 双激励加匹配层换能器

1.2 新型材料技术

换能器的带宽与有源材料的耦合系数息息相关，因此为了提高换能器的带宽，人们往往从有源材料入手。尤其是近年来出现了新型1-3压电复合材料和高性能的弛豫铁电单晶，其厚度耦合系数最高分别达到0.7和0.9，理论上带宽容量可接近两个倍频程。

1.2.1 压电复合材料技术

1-3压电复合材料是目前研究和应用最广泛的一种复合材料。它是一维连通的压电陶瓷柱按一定规律平行排列于三维连通的聚合物基体中、且压电陶瓷柱垂直于电极面而形成的两相压电复合材料。基于1-3复合材料的周期特性，可利用其一阶厚度振动模态、一阶对称横向模态的耦合来拓宽换能器带宽。图4为1-3压电复合材料换能器及其厚度振动模态、一阶对称横向模态，与PZT换能器相比，一般能获得更大的带宽和更好的瞬态响应[6]。

图4 1-3复合材料换能器

1.2.2 压电单晶材料技术

与PZT相比，单晶材料具有高的压电系数、高的介电系数、高的柔顺系数，进而具有高的耦合系数、低的声速、大的相对形变，因此非常适合用来制作宽带发射换能器。目前已开发出三元系PIM-PMN-PT，其三方-四方相变温度达110℃，居里温度达190℃，已接近实用程度。图5为单晶纵振换能器，以及16元基阵与相应PZT换能器基阵功率因子曲线的比较，可以看出功率传输百分比带宽增加了3倍，超过1.5个倍频程。

图5 单晶纵振换能器及16元阵功率因子

1.3 分布式激励技术

尽管换能器所能达到的带宽受材料耦合系数的限制，但人们仍然在结构上不断改进，希望得到更宽的发射电压响应，而放松对电导带宽的要求。最新的方法是利用偶次模同时又通过电反馈调节偶次模大小的方法，该方法电路复杂，反馈点不易选取，实现较困难。这里介绍一种新的分布式激励宽带纵振换能器设计方法。对于一个压电纵振系统，不管其结构多么复杂，总是存在1阶、2阶、3阶等连续模态，而每阶模态的强弱可以用耦合系数来表征，耦合系数其实就是模态函数的积分。因此通过调节纵振换能器陶瓷堆的分布可以调节各阶模态的强弱。图6为分布式激励纵振换能器及其特性曲线，可以看出通过短路某些陶瓷堆，使得这些位置处模态函数积分均为零，从而达到调节各阶模态强弱的目的。

图6 分布式激励换能器

2 中高频换能器基阵

中高频换能器相对较小，在使用时往往需要布成一个基阵，形成一定的指向性，满足声呐总体的要求。中高频换能器基阵由于体积小、阵元多，可以较容易地按照要求形成各种指向性。因此，中高频换能器的一个特点就是换能器与基阵一体化设计，最直接的体现就是仿真计算时往往针对整个基阵而不是针对单个换能器进行。

2.1 鱼雷声自导平面基阵

多频声自导鱼雷是新型鱼雷发展的方向之一，即在一定的频率范围内，随机发射、接收多个频率信号，从而提高抗干扰能力。多频自导的关键技术之一是宽带声基阵及宽带匹配技术。鱼雷声自导平面基阵工作频段范围大致为10～40 kHz，单个鱼雷声自导平面基阵的工作带宽通常达到一个倍频程。由于鱼雷头部空间有限，均采用收发合置的方式，同时为了提高基阵的发射和接收效率，单个换能器通常做成正六边形或正方形，以充分利用整个辐射平面，如图7所示。单个换能器多采用匹配层技术，具有体积小、重量轻、安装方便的优势。

图7 鱼雷声自导平面基阵

2.2 反蛙人声呐基阵

西方各海洋国家都十分重视反蛙人声呐的研究。英、俄等都相继推出了反蛙人声呐，这些声呐属于传统经典式的高频声呐，一般具有水平宽波束发射、窄波束接收的特点。图8为各国反蛙人声呐水下基阵，其中X-Type发射阵由8块平面型1-3复合材料换能器组合而成，中心频率为100 kHz，电导带宽接近40 kHz，水平波束宽度接近180°，指向性起伏最大不超过5 dB。接收阵直径约1 m，由多个接收模块组成，单条水听器水平波束宽度约54°，垂直波束宽度约10°。

图8 反蛙人声呐基阵（X-Type、Cerberus 360、Pallada）

2.3 鱼探仪声基阵

鱼探仪通常采用收发合置基阵，一般安装在船底，吃水较浅，因此需要在垂直维进行相控扫描，一旦发现鱼群后还需要采用定向发射的方式，以精确估计鱼群的大小和识别鱼群的种类。鱼探仪的工作频率一般在20～100 kHz。图9为一个典型的鱼探仪声呐基阵，直径约为400 mm，高度约为350 mm，整个基阵间隔错位布阵，共计8层，每层32个换能器。单个换能器采用匹配层技术，工作频率20～30 kHz。

图9 鱼探仪声呐基阵及内部结构图

2.4 高频U形发射基阵

由于具有巨大的科学、商业和军事价值，西方海洋国家均十分重视多波束声呐的研制，目前已推出Simrad EM3000、SeaBeam 1180、Reson Seabat 8101等多种型号产品。图10为不同型号的多波束声呐水下基阵。早期基阵采用两条相互垂直的直线阵构成T形阵，其缺点是波束脚印不均匀，0°方向干扰过大。为了得到均匀波束脚印并减小零度干扰，最新的多波束声呐收发基阵均采用U形布阵方式，波束覆盖角可达160°，边缘波束比中心波束高15 dB左右，可大大提高作业效率和测量精度。

图10 多波束声呐水下基阵（Sonic 2024、Fansweep 30、715）

2.5 高频球冠发射基阵

三维成像声呐具有成像速度快、分辨力高的特点，可用于海上施工、蛙人探测、水下目标识别等。BlueView和CodaOctpus公司开发了一系列产品，频率为300 kHz～2.25 MHz，如图11所示。三维成像声呐分辨力要求非常高，通常波束数在几千个以上。若采用发射相控扫描的方式将导致控制电路过于复杂，因此多采用整张1-3压电复合材料弯曲成球冠形、抛物面形或椭球面形构成发射阵，一次发射形成较宽的两维波束，覆盖较大的空间角度。同时为了提高空间分辨力，采用大的平面接收阵。

图11 三维成像声呐基阵

2.6 多普勒海流剖面仪相控阵

多普勒海流剖面仪多用于舰船、潜艇和水下航行器的底跟踪、航速测量、海流测量等。工作时向前、后、左、右同时发射四个波束，通过回波的多普勒差异来测量相对速度，如图12所示。早期的多普勒海流剖面仪基阵多采用4个平面阵按一定角度布置构成，其缺点是对4个平面阵一致性要求很高。最近采用两维相控阵技术，利用栅瓣来形成四个主波束，巧妙解决了一致性要求高的问题，目前已有38 kHz、75 kHz、150 kHz、300 kHz等多款产品，满足不同的平台需求。

图12 多普勒海流剖面仪

3 中高频换能器应用前景

近年来随着水下无人航行器AUV/UUV的兴起，中高频换能器得到迅速发展和集中应用。水下无人航行器利用高频水声换能器可进行水声导航、水声通信、水下自主探测、水声环境考察、水下地形地貌测量、水下沉积物定位与识别等。目前国外AUV技术已经比较成熟，重量从几十公斤到几百公斤，潜深从几十米到几千米，续航从几公里到几百公里，用途从军用到民用，已经发展了几十型，用于航道开辟、前沿侦查、扫雷等功能。

4 中高频换能器发展趋势

目前，性能先进的AUV都装有多部中高频声呐设备，如图13所示。这些声呐一般都是在专属领域逐渐发展形成系列产品，AUV通常根据任务要求进行选装，这种使用方式容易导致AUV载荷过多，任务冗余，降低了AUV的使用效率，因此根据AUV的使命任务和自身特点，采用多功能声基阵一体化设计将成为AUV声呐中高频基阵的一个发展趋势。

另一方面，水下无人航行器已从浅海走向深海，对其安装的中高频换能器提出了更高的耐静水压要求。目前国外已有工作深度达6000 m的AUV，其上装备了较多的中高频声呐基阵，因此中高频深水换能器也是发展趋势之一。