ADCP压电换能器及其校准方法研究进展

周营英，王 敏，何龙标，杨 平

(中国计量科学研究院，北京 100029)

0 引言

声学多普勒流速剖面仪(ADCP)是一种水声学流速计，利用换能器发射的脉冲信号在随水流运动的微小散射体(如浮游生物、气泡、泥沙等)中产生的多普勒频移测量流速。相较于传统的机械式和电磁式海流计，它不扰动流场，可测量三维的流速和流向，测速范围大且测试分辨率高，被广泛应用在水文环境监测、河口和海洋流场结构调查、港口航道流速及流量测试等领域[1]。

ADCP工作频率从几十千赫兹到几兆赫兹，前端的压电换能器需在一定频带内按预设的信号形式产生声波，且不失真地接收水中的声波信号。ADCP按照换能器的结构方式可分为两类：

1)使用多个独立的活塞式换能器，内部圆盘状的压电陶瓷(或其他压电材料)做伸缩振动，产生垂直于换能器表面的定向声辐射波束[2]。

2)电极与平面换能器阵列中单个陶瓷元件的顶部和底部垂直连接，利用相控阵技术，通过时间延迟或相位滞后形成多个波束。压电换能器作为ADCP的关键部件，其谐振频率、发射响应、自由场灵敏度、指向性等参数直接影响测流性能。

此外，由于ADCP长时间工作于海洋环境中，易受温度、盐度、压力等因素的影响，测量结果可能出现偏移和偏差，需要定期校准。该文结合ADCP仪器自身的发展，梳理了ADCP压电换能器及其阵列的研究进展，并对压电换能器及ADCP的校准方法进行简要概述。

1 ADCP原理及压电换能器

1.1 ADCP的测流原理

假设水流速度和方向与微小散射体相同，且水流速度在小空间的相同水平面上是个常量，ADCP的压电换能器向水中发射脉冲信号，当脉冲信号遇到随流漂移的微小散射体时发生后向散射，产生多普勒频移(即回波信号与发射信号频率之差)，部分散射信号返回ADCP，ADCP根据频移可计算出流速。若ADCP静止，经公式推导[3]可得

(1)

式中：vb为换能器的相对径向流速；fd为多普勒频移；f0为发射信号的频率；f1为回波信号的频率；c为水中声速；λ为发射信号的波长。

1.2 ADCP的分类

ADCP根据信号发射方式可分为窄带式、脉冲相干式和宽带式。窄带式ADCP发射单频矩形脉冲信号，剖面范围大，但空间分辨率低；脉冲相干式ADCP发射一对短脉冲，空间分辨率高，但剖面范围限制在几十米内；宽带式ADCP发射2个以上编码脉冲波系列，结合了窄带式的鲁棒性和大范围，以及脉冲相干式的高空间分辨率和低方差，是一种折中方案。ADCP根据换能器结构方式可分为相控式和常规式，如图1所示。常规式ADCP各换能器独立产生波束，各个波束的指向均与水平面成相同的角度，换能器的安装要求较高。相控式ADCP由1个平面换能器阵列经相控技术通过栅瓣形成多个倾斜波束，体积小，从机理上免除了对声速的补偿，提高了测速精度。

1.3 ADCP中的压电换能器

1.3.1 压电换能器

ADCP对接收到的声波信号进行处理并解算出流速，因此，从前端压电换能器获取高质量的数据是提升性能的先决条件。压电换能器能实现电能和声能的相互转换，结构主要包括压电陶瓷片、匹配层、背衬、引出电缆和外壳等，其参数指标主要有工作频率、频带宽度、指向性、机电耦合系数、转换效率、发射响应、接收灵敏度和阻抗特性等。不同的使用场合和使用途径下，换能器参数指标也不同，所以在设计压电换能器时需要综合考虑耐压、环境适应和宽带匹配等问题。

ADCP中的压电换能器一般为圆盘形状，利用压电材料自身或外壳承压，这种方式存在一定的深度限制[4]。压电材料一般包括压电单晶、压电陶瓷和压电复合材料，压电单晶(如铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)与铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT))的压电常数和机电耦合系数高于压电陶瓷，但生长工艺复杂，成本高；压电复合材料灵敏度高、声特性阻抗低，但制作工艺复杂，其中高分子材料的使用影响陶瓷的有效面积和声特性阻抗；压电陶瓷纵向机电耦合系数较高、介电损耗较小，且原料成本低，易于加工，生产周期短[5]，是目前应用最广泛的压电材料。

ADCP中的压电换能器一般由压电陶瓷(如PZT4)材料制成[6-8]。RDI公司的150 kHz换能器使用压电陶瓷圆盘，通过聚氨酯封装在一个带有背衬材料的金属杯中，背衬材料不可压缩，以确保换能器在压力下不会破裂。通过沉积在压电陶瓷表面的银电极层施加电场，压电陶瓷圆盘在电场作用下膨胀或收缩，产生垂直方向的波束。图2是150 kHz换能器波束图。由图可知，波束角约为4°，在距离主瓣15°外，旁瓣相较于主瓣被抑制35 dB以上[9]。

除压电陶瓷外，使用压电复合材料也可进行ADCP换能器的设计。压电复合换能器通常是主动压电陶瓷和被动聚合物的组合，从压电陶瓷的实心块或圆盘开始，通过切割去除活性材料，形成深凹槽，后填充被动聚合物降低泊松比，从而提高灵敏度。如Nortek的Signature55 ADCP使用了苏格兰阿伯丁生产的压电复合元件，能够实现1 000 m范围内的流速测量，在相同输出功率下，相较当时RDI的75 kHz ADCP,Signature 55 ADCP的剖面测量范围比RDI多200 m[10]；中国科学院声学所设计的相控式换能器也使用了复合材料的压电片[11]。图3为Morgan公司用于ADCP换能器中的压电复合元件，由一系列经过改良的软压电陶瓷材料制成，如PZT5H1或PZT5A1，其具有更高的灵敏度。

温度是换能器环境适应的一个重要方面。压电换能器是多材料复合结构，在高低温条件下，若不同材料的变形量差异较大,则会出现破损现象，所以换能器在选取材料时，除了要保证耐压，还要有一定的环境适应性，要同时考虑各部分材料的适配度。

在宽带匹配方面，一般通过合理设计换能器的几何参数、在辐射端添加匹配层以及电学匹配等方法拓宽带宽。ADCP经历了窄带和宽带测速阶段，对于窄带式ADCP，发射和接收带宽约为标称工作频率的2%，宽带式ADCP则需要约25%～50%的带宽。1987年，RDI公司在研制宽带ADCP时，通过电调谐和阻抗匹配的方法，拓宽了300 kHz换能器的带宽，达到了3 dB带宽约为载波频率70%的目标[12]。

除了上面提到的耐压、环境适应和宽带匹配问题，合理设计压电换能器的内部结构也可提升其性能[13-14]。如Rowe公司针对压电陶瓷圆盘的轴向和径向耦合振动现象，在偏振方向上采用了部分切割的设计，减少了耦合振动[14]。众所周知，沿压电陶瓷圆盘厚度方向的第一模式决定了换能器的共振频率，圆盘的直径决定了辐射的表面，但是当圆盘的长径比(厚度与直径之比)为0.1～0.5时，会产生轴向和径向的耦合振动，降低圆盘的机械性能，破坏频谱和声辐射模式，因此，一般将圆盘厚度和直径之比控制在远小于或远大于1。图4是部分切割后的压电陶瓷圆盘。结构为多个立方体和薄圆盘，立方体以3-3模式振动，薄圆盘具有较小的长径比，从而减少了耦合振动，提高了机电耦合系数。

1.3.2 压电换能器阵列

理论上，为了获得水域的三维流场，ADCP至少需要装配3个不同方向且独立的换能器。图5是ADCP常用的换能器阵型结构。从左向右依次是3波束Convex结构、4波束Janus结构、4波束Cyclops结构、5波束Janus结构。相比3波束，4波束能得到更多信息，可验证水体的均匀性，减少因俯仰和旋转引起的水平速度误差。5波束在4波束的基础上能同时测量水跟踪流速和底跟踪速度，使水底深度的测量更稳健。这些阵型结构中每个换能器由单独的信号驱动，通常所有换能器为并联连接，操作简单。但是需要严格控制多个换能器的对称性和一致性，还需要一个较大的机械结构作支撑，换能器的凹凸平面影响了测流流场，测流时需要补偿由声速带来的误差。

自ADCP问世以来，一直在努力优化尺寸、质量、精度、成本、范围和性能，以扩大其适用性。在以上阵型结构的基础上，ADCP在换能器阵列方面有较大进展，从阵列方面入手改善了ADCP的局限性。ADCP的压电换能器为收发合置，压电陶瓷片受交流电激励产生振动，发射脉冲信号，当发射脉冲结束后，压电陶瓷因惯性并不立即停止振动，这种余振“拖尾”的时间所对应的空间即盲区，需要等余振消失后才可接收回波，所以无法测得盲区的流速。Nortek公司开发了零盲区“Z-Cell”ADCP[15]，如图6所示，在之前3波束的基础上添加3个水平定向均匀分布的换能器，解决了盲区测流的难题。

当ADCP工作于深海海区时，几何扩展损失急剧增大，必须采用较低的工作频率，但低频所需的换能器尺寸较大。1995年，RDI公司的75 kHz ADCP的单个换能器直径约为∅1 m，质量为120～160 kg，如果使用相同的方法制造38 kHz ADCP，换能器的直径约∅2 m，质量增加1个数量级，这将带来诸多不便。相较于低频活塞式ADCP的大尺寸，相控式ADCP的平面阵与活塞式中一个换能器大小相近，平面阵包括大量方形或圆形的小型压电换能器元件，间距一般为载波频率波长的1/2。相控式ADCP利用波束形成的特殊情况，控制相位产生多个波束，其换能器表面平坦，呈流线型结构，可消除平行于换能器表面因声速带来的速度分量误差。相同尺寸下，相控式工作频率更低，测量深度更深，一个给定尺寸的典型相控式换能器比类似尺寸的活塞传感器平均多了15%的量程[16]，但相控式ADCP对换能器阵列设计以及制造要求较高，且需要单独的发射和接收波束形成电路。RDI公司完成了38 kHz宽带相控阵ADCP的开发和试验工作[17]，如图7所示，阵列由988个38 kHz活塞换能器组成，阵元间距为半波长，阵列直径约∅1 m，厚度105 mm，可同时产生4个波束，测量1 000 m水深的海流剖面。单个波束发射的声源级约为224 dB，波束角为3.88°，波束之间的串扰降低至-35 dB。

2009年，Vogt公开了一种测量流速的系统并简单介绍了换能器的结构[18]，其中的换能器为相控式，图8为其三维视图。图中，陶瓷元件通过顶部和底部上两块薄的、透明的柔性印刷电路进行电气和机械连接，使用粘合剂按照列和行将导线粘合，构成二维阵列；玻璃纤维材料用于改善阵列和水之间的耦合阻抗，增加换能器元件的带宽；聚氨酯用来密封；充气纸板用来反射向后传输的声能。之后，Rowe公司提出了一种与子阵列单侧电极连接的方法，改善了二维阵列技术的双面电极互连，降低了制造成本[19]。

2022年，中国科学院声学所设计了一种八波束宽带相控阵换能器(见图9)，实现了两个垂直方向上各有4个波束的八波束，提高了回波信号强度，更有利于计算多普勒频移[11]。

除在相控式ADCP方面的设计，一些公司和学者通过换能器阵列实现多频联合，如采用多频电子和固件模块实现换能器双频，75 kHz和300 kHz、300 kHz和1 200 kHz、600 kHz和2 400 kHz等组合[2]。RTI的SeaSEVEN ADCP(见图10)能在两个不同的频率下进行信号收发，较低的频率提供更大的剖面范围，较高的频率提供更高的速度分辨率，相比单一频率的ADCP，其具有更高的精度和更大的剖面范围。

2019年，另一种形式的双频活塞式ADCP被提出，其配置有4个高频换能器和4个低频换能器，能够同时或顺序地形成两个重叠声束。如图11所示，高频圆盘换能器在低频圆盘换能器的内部，其厚度为低频的1/4，两个换能器具有相同或相近的波束角度，可相互独立配置[20]。

相控式ADCP也在朝多频的方向发展，如图12所示。Sarangapani设计了一种新型的双频相控式换能器，工作在两个基频(38 kHz和300 kHz)下，能在远场形成独立的窄波束。不同基频基于换能器结构中不同材料的不同尺寸，300 kHz换能器是由直径∅160 mm的未加工的圆盘陶瓷切割而成，38 kHz换能器的直径为∅770 mm，包含900个单独的压电元件，间隔为半波长[21]。多频相控式包含多元件，额定压力较低，无法用于深海部署。

2 压电换能器及ADCP的校准

ADCP作为一种有效的测量流速和流量的工具，若长时间采用不变的出厂数据，缺乏科学的量值溯源，可能引入较大的测量偏差。美国地质调查局(USGS)在2014年要求所有直接从制造商处购买的ADCP在投入使用前，都将在数据库进行注册和跟踪，且以3年为周期在实验室进行质量保证检查[22]，故需定期对ADCP进行校准。压电换能器是ADCP的关键部件，对其校准是检查换能器性能的基础，也是研制与生产过程中必不可少的环节。

2.1 压电换能器的校准

2.1.1 压电换能器的校准参数

国家计量技术规范JJF 1861-2020《1 kHz～200 kHz水声换能器校准规范》中建议水声换能器的校准参数为等效电阻抗模(等效电导纳模)、自由场灵敏度级、发送电压响应级、发送电流响应级、声源级和指向性[23]。其中，较为重要的参数是灵敏度级、发送响应级和指向性。

2.1.2 压电换能器的校准方法

目前水下压电换能器校准一般是自由场校准法，包括互易法和比较法。等效电阻抗模是通过设置不同频率下的脉冲调制正弦信号，读取电压和电流的取样信号和取样系数后经计算校准。自由场灵敏度、发送电压响应级、发送电流响应级和声源级则采用自由场比较法，应用脉冲声技术，在自由场远场条件下布放被校换能器和标准换能器，测量相应的物理量进行校准。指向性是通过升降回转装置旋转换能器，测量各方向上的电压输出，进行归一化处理得到。

2.2 ADCP的校准

2.2.1 ADCP的校准参数

ADCP本质上是一个测量流速的系统，若要对其进行全面的校准，就必须校准影响流量的所有因素，保证测量数据的溯源性。如图13所示，ADCP校准主要针对声性能、定向性能、纵横摇性能。其中声性能与压电换能器相关，决定了水跟踪、底跟踪和测深性能。水跟踪性能校准是ADCP校准的核心[24]。下面主要介绍水跟踪性能的校准方法。

2.2.2 ADCP的校准方法

GB/T 24558—2009《声学多普勒流速剖面仪》[25]中规定ADCP的流速校准方法为水槽拖车试验、同步比测和自身航行试验。《HY/T 102-2007声学多普勒流速剖面仪检测方法》[26]中建议ADCP的校准方法为GPS检测法和同类型测流仪器检测法，GPS检测法与自身航行试验原理相同，同类型测流仪器检测法属于同步比测。除了上述方法，目前许多学者通过仿真回波信号[27-29]来校准ADCP。

ADCP的校准是将流速参考值与ADCP解算值进行对比，每种校准方法的本质是相通的。水槽拖车试验是将ADCP固定在拖车上，轨道上的拖车以设定的若干速度稳定牵引ADCP，使ADCP与水产生相对运动，水中包含悬浮的颗粒物作为微小散射体，测量拖车处于匀速时的速度，并将其与ADCP测试值进行比对校准。同步比测是将待校准的ADCP与经过校准的参考ADCP同时测量同一水体，并将两者数据进行比对。自身航行试验是将ADCP安装于试验船上，搭载满足要求的航向测量仪和导航定位仪(如GPS)，使试验船闭合、正交或往返回路航行。ADCP使用底跟踪方式进行船速测量，将导航定位仪和ADCP测得的流速数据分别统计平均后进行比对校准。除了上述的产生真实参考流速外，声波应答法是通过设置回波信号相对于发射信号的频偏来实现速度矢量的模拟，ADCP接收到模拟信号后解算出流速值，与预先设置信号所对应的标准流速值进行比对校准。

3 结束语

该文综述了ADCP中的压电换能器及其阵列的研究进展，重点介绍了换能器阵列结构对ADCP性能的影响，此外还简要概述了压电换能器及ADCP整机的校准方法。随着新型有源压电材料的发展、新结构的出现、加工技术水平的提高以及仿真建模技术的进步，不断推动压电换能器及ADCP仪器的发展。ADCP朝着低频、双频/多频联合测流、大深度海流测量、模块化等方向发展，其校准方法向高精度、低成本、大量程、快速等方向发展，相信未来ADCP压电换能器和ADCP系统都能取得更大的进步。