水声对抗器材用换能器的现状与发展∗

吕 琳

（91388部队91分队 湛江 524022）

1 引言

近年来，随着水声换能器技术、信号检测技术、声传播理论和应用的快速发展，水声对抗技术也随之得到发展并日益受到各国海军的高度重视，它不仅是提高各种舰艇和潜艇自身生存能力的重要措施，同时也是取得水下作战主动权的决定性因素之一。

水声对抗按对象可分为声纳对抗和鱼雷对抗。声纳对抗手段包括诱骗、干扰、压制等，使声纳丢失目标或出现假目标。鱼雷对抗则包括对鱼雷的检测、预警和杀伤等。其中杀伤方式可分为软杀伤和硬杀伤。软杀伤是指利用诱骗、干扰、压制手段使来袭鱼雷迷失方向或者航程耗尽。硬杀伤是指采用爆炸、撞击、引爆、拦截等方式使鱼雷受到毁伤或航程截止。目前，水声对抗领域装备最多、应用最广泛的对抗器材就是软对抗器材，其发展历史较长，技术较完善，对抗效果也较好。硬对抗是新发展的技术，软硬结合是水声对抗技术的发展趋势。

水声对抗器材通常通过器材发射管或鱼雷发射管发射，对器材的直径、体积和质量等有严格的限制。随着装备技术的发展，舰艇设备数量逐渐增多，舰艇空间日益紧张。为了在不降低水面舰和潜艇（以下简称舰艇）载弹量（即攻击性能）的前提下提高舰艇水声对抗能力，必然对水声对抗器材的体积重量提出更高的要求，同时，出于对抗敌远程主动和被动声呐的需要，水声对抗器材也提出将工作频率向甚低频拓展的目标，以上因素决定了作为水声对抗器材核心部件的换能器（以下简称水声对抗换能器）具有低频、宽带、大功率、小尺寸的鲜明的特点。本文对水声对抗换能器的发展进行了介绍，分为常规换能器和新型换能器两个部分，接下来将分别阐述。

2 常规换能器

目前水声对抗换能器有圆管换能器、镶拼圆环换能器、弯张换能器等等，这些换能器都具有大功率、大开角的特点，非常适合应用于水声对抗器材上。

2.1 圆管换能器

圆管换能器是最常用的声学换能器单元之一，其结构简单、成本低廉、工作性能稳定，特别是其水平方向不呈现指向性的特点，非常适合应用于水声对抗器材中。国际上多型中小口径声诱饵均选用圆管换能器。如意大利的C3xx等［13］。圆管换能器结构见图1，外形呈薄壁圆管结构，使用中常采用封装和自由溢流两种方式，自由溢流式换能器内腔可进海水，适合做深水发射器，其发射工作频率一般在数十千赫左右。工作带宽约为1个倍频程。近年来，国内外有学者利用换能器的径向模态和长度模态耦合，研制出2～3个倍频程工作带宽的圆管换能器，进一步提高了圆管换能器的工作性能［5］。

图1 圆智换能器结构图

2.2 镶拼圆环换能器

镶拼圆环换能器如图2所示，换能器由n个同样尺寸的梯形陶瓷片镶嵌而成，陶瓷片的极化方向沿切线方向。为避免不同压电陶瓷片之间振动方式不一致，相邻两片压电陶瓷片极化方向相反，陶瓷片采用并联方式连接。该类型换能器有下列优点：1）具有较大的机电耦合系数；2）克服了大型压电陶瓷圆柱烧结的难题，容易制作大尺寸的低频换能器。3）外形结构利于声诱饵的共形安装。该类型换能器可以满足数百赫兹至十几千赫兹的大功率发射要求，目前已应用于国际上多款大中型水声对抗器材中如美国的MK30等，均能达到较好的作战效能。

图2 镶拼圆环换能器结构图

2.3 弯张换能器

弯张换能器首次出现于1966年toulis的专利中，它的振动模式是由驱动元件的伸张振动和壳子的弯曲振动组合而成，通常分为如图3所示的7种类型［6］，弯张换能器具有低频、宽带、大功率、小尺寸的特点。传统的低频换能器中，tonpilz和镶拼圆环若要做到甚低频，设计尺寸将非常可观，动圈等换能器虽然能做到较低的频率，但是其工作深度又不能达到要求，弯张换能器的出现，为低频声诱饵的设计提供了一个较好的解决方案。如美国的MK30型声诱饵，其低频段即采用弯张换能器制成，最低工作频率达到100Hz［13］，目前在弯张换能器中，应用最多的是III型和IV型两种。

图3 弯张换能器类型

3 新型换能器

随着声呐技术的发展，对声诱饵技术也提出了新的要求，目前国际上声诱饵的发展趋势有两种，一是将工作频率进一步降低以对抗岸基警戒声呐，二是尺寸减小以实现快速装填及多点布放。这就要求换能器要有更小的体积和更低的工作频率，常规换能器已经难以满足使用要求，针对这些迫切问题，近年来国内外开始加强适用于对抗器材的新型换能器的研究，取得很大进展。

3.1 弯曲圆盘组合式换能器

弯曲圆盘组合式换能器是21世纪初发展起来的一种大功率、小尺寸换能器系统。该换能器通过基元间的互辐射作用，可以降低谐振频率，实现低频，大功率发射的目的。其基元结构如图4所示。弯曲圆盘换能器基元是采用两片对称发射的双叠片，通过薄圆环连接在一起，薄圆环与双叠片粘接，形成边缘简支条件。上下两片陶瓷片安装时正负极方向相反，当外加信号时，陶瓷片径向收缩带动金属片进行弯曲振动，从而向外辐射声波。构成弯曲圆盘组合式换能器的各个弯曲圆盘基元在高度方向上按一定间隔密排堆叠而成，当换能器工作时，基元间强烈的互辐射作用会增大换能器基元间的辐射阻和等效质量抗，由公式可知组合式换能器的谐振频率随着等效质量抗的升高而降低。利用该换能器形式，我们可以在小型声诱饵上实现低频工作性能，如意大利的C3xx系列声诱饵，其直径为123.8mm，工作频率范围为数十千赫，若采用弯曲圆盘组合式换能器，可以将其工作频率拓展到1kHz以下，同时具备小型诱饵灵活机动的特点，将大大提高声诱饵的作战效能［7～8，12］。

3.2 开缝圆环换能器

开缝圆环换能器是新发展起来的低频小尺寸换能器的典型代表。其基本结构如图4所示，压电陶瓷梯形长条片拼接成内部的压电陶瓷环，压电陶瓷环沿高度方向开一条狭缝，以降低结构的等效刚度；紧靠压电陶瓷环外表面包覆轻质材料如碳纤维、铝合金等作为辐射壳体；壳体外部包覆透声橡胶实现水下密封［9～11］。换能器工作时，压电陶瓷驱动开缝壳体在开缝附近作扩张振动，向外发射声波。有研究人员研制出的换能器样机，直径约为300mm，谐振频率可以达到 100Hz以下［9］，而且该换能器可以做成溢流结构，理论上没有深度限制，非常适合甚低频声诱饵设备的要求。

图4 开缝圆环换能器示意图

4 结语

近年来，我国周边海域安全形势日趋紧张，为应对复杂的国际局势，海军需要加速推行转型建设和现代化建设，以捍卫国家安全，保障我国经济建设成果。水声对抗器材是现代化海军作战系统的重要组成部分，而换能器是水声对抗器材的核心部件，本文对一些适用于水声对抗器材的换能器进行了介绍，并根据器材的需求，对一些新型换能器的发展方向也进行了跟踪。