换能器耐低温性能实验研究

王冬石 程宏

（1.中海油田服务有限公司，燕郊，065201；2.昆明船舶设备研究试验中心，昆明，650051）

应用于某半潜式钻井平台的超短基线定位(USBL)系统，其设计工作温度为0℃～55℃，但针对该平台将赴寒带（海水温度在 0℃以下，海上最低环境温度−15℃）作业时对超短基线定位系统的应用需求，需开展超短基线定位系统寒带应用可行性评估。其中，超短基线阵及应答器换能器耐低温性能评估与测试是一项重要内容，由于在国内换能器从未开展过低温条件下的工作测试，需研究制定低温测试方案，进行相应的测试工作，通过测试结果评估超短基线定位系统的基阵和应答器换能器能否满足海水低温工作条件。

1 耐低温性能评估

超短基线定位系统由水下应答器、超短基线基阵、信号处理设备及显控设备等组成。其中，超短基线阵及应答器换能器主要包括以下几个部分：金属结构、压电陶瓷、水密聚氨酯橡胶材料。

首先，从材料角度来看，金属结构（包括TC4钛合金及○型密封圈等）在−5℃情况下其属性变化较小，可以忽略影响。

换能器核心部件的压电陶瓷采用锆钛酸铅固溶体PZT-4材料，该材料的各物理参数都随温度发生变化。为了保证压电器件在较宽的温度范围内可以正常地工作，应用上要求压电陶瓷材料的性能随温度的变化尽可能地小。因此，压电陶瓷的温度稳定性问题受到人们的高度重视，开展了广泛的研究。在−30℃到200℃的范围内，压电陶瓷的性能变化趋势均有学者做过相应的实验[1-4]，随着温度的降低，压电陶瓷的介电常数ε较常温下会有细微下降[1]，但不影响正常使用。

基阵和换能器的包覆材料采用的是聚氨酯橡胶材料，其低温性能通常用脆性温度（玻璃化温度）来衡量。聚氨酯弹性体具有良好的低温性能，主要表现在脆性温度一般都很低（−70℃～−40℃），典型的浇注型聚氨酯弹性体的脆性温度如表1所示。

表1 典型的浇注型聚氨酯弹性体的脆性温度及其比较

文献[5]的研究结果表明，聚氨酯材料在−10℃条件下的透声系数较40℃时减小比率在8%以内，且与金属材料钛合金的粘合性性能较好。随着温度的下降，聚氨酯弹性体的硬度、拉伸强度将增大，而回弹和扯断伸长率下降。实际使用过程中聚氨酯不存在受力的情况，因此在−5℃左右不影响使用。从材料的环境适应性分析，换能器在−5℃左右可以正常使用。在此基础上我们开展了实际测试。

2 低温冷冻试验

将基阵或应答器换能器放入消声水池中测试其导纳数据，分四种情况：常温（18℃）条件下；−5℃冷冻8 h后；−20℃冷冻8 h后；冷冻后放置恢复到常温条件下。对以上数据进行分析比较，判断低温冷冻后基阵和换能器是否会产生异常。基阵和应答器换能器的测试结果如图1～图2所示。

图1 基阵在不同温度条件下导纳曲线

对于基阵和应答器换能器而言，在常温、−5℃冷冻、−20℃冷冻后以及恢复常温后测试，不同条件下测量的导纳数据与常温下的测量数据相比，同一频点导纳变化率均在±20%以内，属于正常范围，表明经过低温冷冻后，基阵和换能器未出现异常。

图2 应答器换能器在不同温度条件下导纳曲线

3 常温和低温水下工作测试与比较

配置可设定温度的768 L冰柜，在冰柜中加注海盐和杂质，模拟海水最低温不结冰环境（不低于−5℃），我们用海盐配制了质量浓度为 10%的氯化钠水溶液，其冰点为−10℃。将基阵或应答器换能器放入冰柜低温水中，测试信号为脉宽3 ms的CW信号，收发间距约80 cm，通电连续工作，测试其接收信号幅度，与常温下的测试结果进行比较。

我们分别在常温（水温7℃）、−3℃水温（冷冻测试 1）和−5℃水温（冷冻测试 2）三种条件下开展了基阵和应答器换能器水下工作实际测量，加电测试其发射和接收信号的幅度等参数，并观察接收波形有无失真，与常温下的测试结果进行了比较。由于在此测试条件下界面反射叠加严重，我们选择CW脉冲前沿8个周期无反射叠加影响的波形进行测量，读取其幅度均方根值。图3为不同水温下应答器发射、基阵接收信号幅度比较，图4为不同水温下基阵发射、应答器接收信号幅度比较。

图3 应答器发射，基阵接收低温冷冻前后工作性能比较

图4 基阵发射、应答器换能器接收低温冷冻前后工作性能比较

从文献[3]、[4]和[7]的研究成果来看，压电陶瓷的谐振频率随温度变化主要是由两个因素引起的，一是温度引起几何尺寸的变化，一是温度引起材料弹性柔顺系数的变化。

表征材料几何尺寸变化的参数为膨胀系数，其数量级大约为 10−6℃；弹性柔顺系数的温度系数的数量级为10−4℃。由此可见，引起谐振频率随温度发生变化的两个因素中，弹性柔顺系数的变化是主要因素。压电陶瓷的谐振频率与弹性柔顺系数的关系如下：

其中，fr为压电陶瓷的谐振频率，l为压电振子的长度，ρ为材料密度，为材料弹性柔顺系数。

由材料的微观粒子学分析，随着温度的升高，粒子热运动加剧，粒子间平衡距离增大，粒子间相互作用力减弱，因而在较小应力作用下就能产生较大的形变，即弹性柔顺系数变大；相反在低温条件下压电陶瓷的弹性柔顺系数较小，则谐振频率较常温下升高。图3中21 kHz时接收幅度较常温条件小，图4中在25 kHz和27 kHz的接收幅度较常温条件大，这是谐振频率升高的结果，与理论分析结果一致。总体而言，在−3℃和−5℃水下基阵和应答器换能器收发信号幅度与常温下无明显差异，信号波形也无失真，基阵和应答器换能器能够正常工作。

4 结论

关于换能器低温水下工作测试此前在国内未见相关报道，为满足极地寒带的应用要求，我们开展了相关工作，在−3℃和−5℃水温下基阵和换能器信号接收正常，换能器谐振点最大上移了约1 kHz，但不影响超短基线定位系统工作。根据各国对极地海域的考察数据，海水最低温度不低于−2℃，因而现有压电陶瓷材料的基阵和换能器完全能满足低温水下使用要求，只是在零下几十度环境下的储存和运输需采取相应的防护措施。

该项试验成果为超短基线定位系统的寒带应用奠定了基础，系统随半潜式钻井平台在北极（海底水温−0.8℃）作业期间工作正常，为平台作业提供了可靠的安全保障。基阵和换能器在低温水下长期工作的寿命和可靠性今后尚需开展进一步的研究和试验。

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