宽带组合式水声换能器设计研制及应用

张庆国，黄其培，李兴武，连 莉

(昆明船舶设备研究试验中心，云南 昆明 650051)

0 引言

海洋不仅是重要的渔业与矿产资源宝藏，也是各国维护国家安全和军事斗争的重要阵地。因此，水声技术成为当前海洋资源勘探与开发、舰艇水下通信与导航、水下目标探测与识别，以及海洋环境监测与自然灾害预报的重要手段[1-2]。

水声换能器是水声技术中声波发射和接收的载体，其技术水平直接影响甚至决定水声技术的最终实现效果。主动声呐探测及海洋资源勘探中要求换能器具有低频大功率及小尺寸等特性[3]，噪声模拟、声呐校准中要求水声换能器具有超低频及超宽带特性[4]。水声通信领域中要求水声换能器具有高效率、超宽带及高灵敏度和带内平坦等特性[5]。总体上，水声换能器向低频、宽带、大功率、小尺寸和深水[6-7]方向发展。

文献[8]提出，深水换能器采用内部冲油法工作深度可达11 000 m，利用内部油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。文献[9]通过多种不同尺寸的溢流式圆管构成多谐振腔，改变圆管的尺寸可调整工作频率，获得更宽的换能器带宽，覆盖频段为200 Hz～2 kHz。郝浩琦等[10]在换能器直径∅250 mm、长500 mm下，实现覆盖频段为7～15 kHz，声源级为200 dB，接收灵敏度为-176 dB，且工作水深达11 000 m[10]；孙淑珍等[11]近期研制的Janus-Ring换能器，其尺寸为直径∅240 mm、长420 mm，覆盖频段为1.8～8.0 kHz，发射响应为144 dB，带内起伏小于6 dB[11]。

综上所述，国外在水声换能器已经覆盖全工作频带，甚至覆盖全水域，在工程化、系列化及通用化上形成一定规模，代表了行业先进水平。国内各科研院所等相关单位进行了大量的研究和试验，取得了一定的成绩，但在水声换能器关键技术、加工工艺等方面与国外相比，仍存在一定的差距，尤其是在水声探测中不断提高的超宽带、小尺寸及高性能等要求上，还需深入研究。

1 研制需求

随着各国舰艇的降噪技术发展，舰艇自身噪声级与水下目标轻度不断降低，鱼雷等水下武器装备多采用宽频带水声换能器[3]，以扩大探测距离，提高复杂水声混响背景下的检测能力和命中精度，增强水下目标识别能力。另外，为了应对各国海军、情报机构、经济实体甚至国际恐怖组织等，派遣蛙人、自主式水下潜器(AUV)和微型潜艇进行的侦查、破坏、爆炸和布雷作业等活动，多采用小型遥控无人潜水器(ROV)等水下航行体搭载各种探测设备进行安全防护[12-13]，并对其声纳主要技术指标提出具体要求[14]。

本文主要针对水面舰船尾流气泡声学探测需求，设计研制一型具备3～100 kHz超宽带接收与发射功能，可大开角对舰船尾流气泡进行实时水声测量，并要求收发功能相互独立且可控，总体结构需紧凑，物理尺寸小巧，便于安装在小型ROV上使用。综合实际需求及实际工况等条件，本文所述的换能器主要技术指标如下：

1) 发射频率为3～100 kHz，接收频率为1～100 kHz。

2) 发射声源级≥189 dB。

3) 接收灵敏度≥-180 dB。

4) 带内起伏≤6 dB。

5) 波束宽度(水平)≥90°(-3 dB)。

6) 波束宽度(垂直)≥70°(-3 dB)。

7) 工作水深≥500 m。

8) 尺寸≤350 mm×150 mm×250 mm。

9) 质量≤10 kg。

其中，ROV为小型探测结构，其搭载能力受限，所以换能器必须在满足性能指标的前提下，尽量尺寸小，质量轻，便于实施。

2 换能器设计与研制

2.1 换能器设计与仿真分析

换能器属于收、发分置结构。发射端利用3个复合棒结构发射换能器联合实现，分别对应频段为3～18 kHz、18～45 kHz、45～100 kHz；接收端利用2个压电陶瓷圆环串联水听器实现，其频段分别为1～40 kHz、40～100 kHz。将上述发射和接收换能器基封装一体，内部设计有反声障板。封装一体后，总质量约9 kg，换能器总体外形为不规整长方体，基础尺寸约为310 mm×150 mm×220 mm，外形如图1所示，主电缆可以接插件形式与外部声呐电子设备连接。

图1 水声换能器总体结构示意图

针对本文水声换能器主要技术指标要求，结合 上述设计方案，对其发射及接收性能进行仿真分析。由于本文设计的换能器结构复杂，频带覆盖较宽，不宜采用理论分析方法进行计算仿真。众所周知，有限元法是当前工程实践中大量采用的一种数值计算仿真方法[15]。

利用ANSYS软件模拟一个自由场水域，建立一个换能器简化模型。在前盖板正前方的远场单元中选取一点计算声压，即可换算出换能器发射电压响应。在远场单元中沿换能器中心选取一定距离各个方向上的声压，即可计算该换能器发射指向性开角。由于该复合棒换能器具有轴对称性，这里选用2D轴对称换能器有限元模型进行有限元分析。

在使用ANSYS计算时，需要考虑水对换能器的影响，通常等效为水球，然后加载荷进行求解计算，换能器在水中的模型如图2、3所示。

图2 发射换能器有限元分析模型图

图3 接收换能器有限元分析模型图

由图2、3可看出，其发射换能器均采用双谐振峰宽带设计。发射换能器3～18 kHz单元谐振频率为5 kHz、14 kHz，18～45 kHz单元谐振频率为20 kHz、40 kHz，45～100 kHz单元谐振频率为55kHz、75 kHz。接收水听器1～40 kHz单元采用压电圆环，单环谐振频率大于40 kHz，确保工作频段平坦，内部两串两并结构，提高灵敏度和稳定性；接收水听器40～100 kHz单元采用压电复合材料，谐振频率大于100 kHz，以保证带内平坦度。

本文采用有限元方程为

(1)

式中:M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;U为节点位移矢量;F为载荷矢量。

发射电压响应级TVR为

(2)

式中：p为节点声压；R为节点到声源等效中心的距离；V为施加的电压。

在ANSYS中提取声轴线上节点声压p，进行计算即可获得换能器的发射响应曲线。

实际设计中，水声换能器的发射部分由3种复合棒发射换能器组成，实现宽带指向性发射，同时抑制后辐射。发射换能器覆盖频段较宽，并主要应用于水声测量，需具备良好的带内平坦度，以保证水声测量的精度。工程上多采用优化换能器辐射头的尺寸，或控制相位优化降低带内起伏[16]，以及在双谐振(或称“双激励”)发射换能器前、后压电陶瓷堆上串联电阻等方式[17]，进一步降低换能器发射电压响应在工作频带内的起伏。本文考虑小型ROV搭载的换能器尺寸及质量，以及总体安装结构，主要采用文献[17]的方式进行发射换能器带内起伏抑制，即调整匹配电阻阻值的方法。

假设发射换能器内部前、后压电陶瓷堆的串联电阻分别为R1、R2，则调整R1、R2的阻值对发射换能器带内平坦度进行控制。通过有限元分析，仿真在不同阻值情况下发射换能器的发射响应。以设计的18～45 kHz双谐振发射换能器为例，仿真分析其发射响应随电阻阻值变化曲线如图4所示。由图可知，调整R1、R2可将发射换能器的频带内平坦度进行基本控制，通过优化电阻R1、R2，可得出在R1=940 Ω，R2=330 Ω时,具有较好的带内平坦度(见图4中点划线所示)，且总体带内发射响应变化不大，可满足设计所需。

图4 发射换能器18～45 kHz带内平坦度曲线图

结合实际物理尺寸和宽带阻抗匹配，综合仿真可得3～18 kHz、18～45 kHz和45～100 kHz发射换能器发射电压响应仿真结果,如图5～7所示。由图5～7可知，换能器的发射电压响应在频带内不小于140 dB，满足设计输入相关技术指标要求，可为水声远距离探测提供较大声源级。

图5 发射换能器3～18 kHz发射响应仿真图

图6 发射换能器18～45 kHz发射响应仿真图

图7 发射换能器45～100 kHz发射响应仿真图

水声换能器的接收部分由两组水听器阵组合实现，每组水听器阵采用压电陶瓷圆环串、并联的方式，实现指向性接收。其中1～40 kHz频段水听器，采用2个压电陶瓷圆环串联的形式制作。单个水听器灵敏度不小于-193 dB，串联后水听器灵敏度不小于-178 dB，灵敏度仿真分析结果如图8所示。水听器水平无指向性(可施加障板调节指向性)，3 kHz垂直指向性约为130°，仿真结果如图9所示。40 kHz垂直指向性约为73°，仿真结果如图10所示。

图8 接收换能器1～40 kHz接收灵敏度仿真图

图9 接收换能器3 kHz垂直指向性仿真图

图10 接收换能器40 kHz垂直指向性仿真图

接收部分40～100 kHz频段水听器采用2个压电陶瓷圆环串联结构，工作频率可满足40～100 kHz使用，但灵敏度低，串联后水听器灵敏度不小于-180 dB，灵敏度仿真结果如图11所示。水听器水平无指向性(可施加障板调节指向性)，100 kHz垂直指向性约为77°，仿真结果如图12所示。

图11 接收换能器40～100 kHz接收灵敏度仿真图

图12 接收换能器100 kHz垂直指向性仿真图

根据有限元法进行仿真分析，本文设计的组合换能器在发射和接收方面均可满足设计输入要求，主要技术指标满足。

2.2 换能器研制

宽带组合式水声换能器安装在小型ROV上使用，在满足宽频带声学探测需求的基础上，着重小尺寸与轻质量设计。本文结合小型ROV总体结构设计，最终研制完成的换能器实物如图13所示。具体设计结构如图14所示。

图13 换能器实物图

图14 换能器实际尺寸图

本文设计研制的宽带组合式水声换能器覆盖发射频段为3～100 kHz，接收频段为1～100 kHz，实物总质量为9.4 kg(空气中，含支架及连接缆)，尺寸为328.5 mm×140 mm×240 mm，小于设计输入中关于尺寸和质量的要求，降低ROV搭载能力要求。该换能器匹配安装在ROV本体上，安装完成后的实物如图15所示。仿真分析结果可作为设计参考输入，但后续在实际研制与调试过程中，需根据实际测量情况进行调整，以满足实际使用需求。

图15 换能器ROV上安装完工图

3 试验测试

宽带组合式水声换能器的发射部分采用3个独立单元，组成覆盖3～100 kHz的工作频段，接收部分采用2个独立单元，组成覆盖1～100 kHz的工作频段。采用两端发射、中间接收的总体布局，确保换能器开角，换能器内部设计有反声障板以降低声信号的内部反射叠加。同时在接收部分采用可调节支架机构设计，根据实际试验情况进行接收换能器高度的有限调节，进一步扩大接收开角，避免换能器壳体及ROV本体遮挡和反射。

研制完成后，为了进一步获得换能器的实际工作性能，与实验室通常采用的收发独立测试方法不同，这里采用换能器整体声学性能指标测试。即整体安装在ROV上后，模拟实际工作情况下进行换能器的水池测试，进一步确认换能器安装在ROV上后，受ROV结构的影响情况，从而获得换能器在实际工作状态下的真实性能参数。在某消声水池进行综合测试，验证其性能指标的实现情况。消声水池测试条件为：环境室温为25 ℃，测试电缆长度3 m，入水深度3 m，环境水温20 ℃，绝缘电阻500 MΩ，静态电容51 000 pF，测试距离为6.2 m。实际测量结果如图16、17所示。

图16 换能器宽带发射声源级及指向性曲线图

图17 换能器宽带接收及指向性曲线图

利用ROV搭载宽带组合式水声换能器，对水面舰船航行尾流气泡进行宽频带的水声探测，获得尾流气泡的相关声学特征及尾流的物理尺寸等信息。具体湖上试验时，利用水面舰船在水面做高速直航运动，其舰船长7.5 m、宽3 m、吃水0.35 m，弦外挂机的螺旋桨在水下深度为0.8 m。试验水域为某湖开阔区域，区域平均水深为35 m，舰船经过测量点时航速为10节。ROV搭载本文宽带组合式水声换能器进行连续测量，重复测量中采用不同声学频率组合进行探测，获得尾流气泡分布情况测量结果如图18所示。

图18 不同频率下的实航尾流气泡强度曲线图

由图18可看出，实际测量舰船尾流气泡尺寸高密度集中在10～20 μm，该测量结果与文献[16]给出的尾流中半径为10～20 μm气泡数密度最高[18-19]相符，证明该换能器在实际工作环境下满足测试需求。同时，利用该换能器连续测量水面舰船航行后形成的尾流气泡层，根据获得的尾流气泡声学目标强度信息，结合当前水声环境(如声速、水深等)及先验数据(如换能器灵敏度、发射声源级级电路增益等)，根据相应处理算法[19-20]估算，获得其气泡强度随深度和时间变化曲线如图19所示。

图19 实航尾流气泡强度随深度及时间变化曲线图

由图19可看出，尾流气泡持续时间约为173 s,实际测量中间段尾流气泡厚度为1.46 m,与常规尾流计算公式给出的经验公式[21]基本相符。

综上所述，通过在消声水池的整体计量测试，测量结果表明，换能器实际性能与仿真结果基本相符。安装在ROV平台上进行湖上实航试验验证，试验结果表明，该换能器覆盖频段宽，结构小，且测量结果与经验公式基本相符，测量数据可信，可满足水面舰船尾流气泡的声学探测要求。

4 结束语

本文提出一种组合式一体化换能器设计方法，具有低频到高频的宽带工作频段，其特征在于，发射端可覆盖3～100 kHz，接收端覆盖1～100 kHz，且开角不小于70°；采用收发分置布局，发射在两端，接收集中在中央，内部具有声学障板结构设计；换能器内部各组件进行一体化封装，整体通过一个水密连接器输出，降低外部连接复杂度；通过换能器中心支架结构，使其换能器整体重心调节，便于ROV等小型水下航行体的适配和安装；换能器开放式布局，通过金属支架进行机械承力，降低整个换能器质量和尺寸，提高适装性。

该换能器在较小尺寸限制条件下，具有工作频段宽、开角较大，质量较轻等优点，已成功应用在某小型ROV上，解决了小型ROV平台上超宽带水声测试难题，具有较高的军事及民用价值。