船舶聲吶換能器加速壽命試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盛成明，唐鎖夫

(702廠， 上海 200434)

0 前言

船舶聲吶裝備一般由干端電子設(shè)備部分和濕端水下聲系統(tǒng)組成，船舶聲吶換能器是水下聲系統(tǒng)的重要組成部分。換能器性能的好壞，直接影響聲吶裝備的性能。

在船舶聲吶裝備修理時(shí)，都應(yīng)檢查水下聲系統(tǒng)換能器的性能，對(duì)于不滿足技術(shù)指標(biāo)要求的，進(jìn)行更換或修理。由于大部分換能器安裝在水線以下，日常修理更換不便，一般需進(jìn)行預(yù)防性的估算，將達(dá)到或接近使用壽命的換能器進(jìn)行更換。

但是，各型換能器的使用壽命均沒有直接的數(shù)據(jù)可查。因此在實(shí)際修理保障中，由于不能掌握換能器的使用壽命，某些換能器實(shí)際已經(jīng)臨近使用壽命，沒有及時(shí)進(jìn)行更換，時(shí)間不久就出現(xiàn)損壞或性能下降;有時(shí)還會(huì)將還有幾年使用壽命的換能器也進(jìn)行了更換，造成不必要的浪費(fèi)。

換能器的使用壽命除了本身物理因素之外，還受到使用環(huán)境的影響［1］。因此，針對(duì)聲吶換能器無法定量評(píng)估使用壽命的問題，研制一套聲吶換能器加速壽命試驗(yàn)設(shè)備，模擬換能器使用環(huán)境，為開展換能器使用壽命的研究提供必要的條件，以便在短期內(nèi)根據(jù)試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，分析得到換能器的壽命分布曲線［2－3］。對(duì)換能器的使用壽命進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)，將大大提升聲吶換能器維修保障能力。

1 設(shè)備組成

研制的總體思路是設(shè)備能在模擬船舶聲吶換能器的使用環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，增加換能器工作環(huán)境條件的苛刻程度，如改變靜水壓力、溫度、鹽度等條件，以達(dá)到加快試驗(yàn)速度，縮短試驗(yàn)時(shí)間的目的，為船舶聲吶換能器的壽命研究提供必要的條件［4］。

1.1 設(shè)備構(gòu)成

聲吶換能器加速壽命試驗(yàn)設(shè)備由絕緣測(cè)試分機(jī)、溫度控制分機(jī)、壓力控制分機(jī)、數(shù)據(jù)采集處理分機(jī)、工況調(diào)節(jié)分機(jī)、電聲性能測(cè)試分機(jī)、2個(gè)壓力水箱及配套設(shè)施組成，如圖1所示。

圖1 設(shè)備組成及信號(hào)流程圖

1.2 設(shè)備詳細(xì)說明

1)功能。

主要功能見圖2。

圖2 設(shè)備功能圖

2)工作原理。

(1)絕緣測(cè)試分機(jī)。

絕緣電阻測(cè)量采用恒壓法，通過在選定的電壓下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量流經(jīng)電阻的電流，得到電阻與電壓的關(guān)系曲線，從而測(cè)出絕緣電阻阻值。

依據(jù)數(shù)據(jù)采集處理分機(jī)的指令，來控制絕緣電阻測(cè)量工作，絕緣電阻測(cè)量分機(jī)與換能器連接，直接測(cè)量出設(shè)定測(cè)試電壓下?lián)Q能器的絕緣電阻。根據(jù)指令選擇測(cè)量通道，實(shí)現(xiàn)多換能器的自動(dòng)輪循測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)采集處理分機(jī)處理。

(2)溫度控制分機(jī)。

溫度控制分機(jī)主要由智能溫度控制器、溫度傳感器、電加熱器組成。智能溫度控制器根據(jù)數(shù)據(jù)采集處理分機(jī)輸入的溫度控制參數(shù)，采用先進(jìn)的PID溫度控制算法，采集溫度傳感器水溫?cái)?shù)據(jù)，控制電加熱器加熱并維持壓力水箱內(nèi)的水在設(shè)定溫度范圍。將測(cè)量的溫度值經(jīng)過處理發(fā)送給數(shù)據(jù)采集處理分機(jī)。

(3)壓力水箱。

壓力水箱由承壓結(jié)構(gòu)件，密封圈，填料函、保溫層、排氣閥、進(jìn)水閥、放水閥、電控閉合裝置等構(gòu)成。承壓結(jié)構(gòu)件內(nèi)部進(jìn)行防腐處理。

安裝好換能器后，向壓力水箱內(nèi)注入已預(yù)先加熱的水，閉合壓力水箱、放水閥，開啟進(jìn)水閥、排氣閥，由壓力控制分機(jī)的高壓水泵將水注滿壓力水箱，排氣閥排除空氣。

達(dá)到初步設(shè)定值后，加熱器將水溫加熱并恒定在設(shè)定范圍，控制高壓水泵加壓至設(shè)定值。

(4)壓力控制分機(jī)。

壓力控制分機(jī)由智能壓力控制器、高壓水泵、壓力傳感器等組成。

智能壓力控制器根據(jù)數(shù)據(jù)采集處理分機(jī)輸入的指令，控制高壓水泵將壓力水箱的水加壓至設(shè)定值，并將測(cè)量的壓力值經(jīng)過處理發(fā)送給數(shù)據(jù)采集處理分機(jī)。

(5)工況預(yù)調(diào)節(jié)分機(jī)。

為了滿足試驗(yàn)用水要求，通過工況預(yù)調(diào)節(jié)分機(jī)，將試驗(yàn)用水進(jìn)行預(yù)加熱及鹽度調(diào)節(jié)。整個(gè)裝置由儲(chǔ)水罐、閥門、電加熱器、溫度傳感器、鹽度傳感器等組成。

開啟供水閥門，將儲(chǔ)水罐內(nèi)注入一定量的水。根據(jù)水位標(biāo)尺所示水量，人工分批注入相應(yīng)的鹽至規(guī)定值，以供壓力水箱試驗(yàn)用。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集處理分機(jī)指令，控制電加熱器將壓力水箱的溫度加熱至設(shè)定值;并將測(cè)量的溫度值經(jīng)過處理發(fā)送給數(shù)據(jù)采集處理分機(jī)。

(6)電聲性能測(cè)試分機(jī)。

（2）Meyer & Allen（1984）提出了組織承諾的二維測(cè)量模型（情感承諾和持續(xù)承諾），并開發(fā)出了一個(gè)情感承諾量表（ACS）和持續(xù)承諾量表（CCS）。之后McGee & Ford（1987）在Meyer和 Allen（1984）二因素模型的基礎(chǔ)上，將ACS和CCS合并成一個(gè)共有16個(gè)項(xiàng)目的量表。通過對(duì)該量表驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，情感承諾是一種獨(dú)立的承諾形式，但持續(xù)承諾卻可以分為多種維度，但其并未明確指出具體各維度。

測(cè)量換能器電聲性能參數(shù)在試驗(yàn)過程中發(fā)生的變化，主要測(cè)量以下數(shù)據(jù):①阻抗測(cè)量。通過阻抗特性分析儀測(cè)量換能器在某一固定頻率的電阻抗，測(cè)量換能器的串、并聯(lián)諧振頻率，以確定換能器是否工作在最佳工作頻率。②電容測(cè)量。通過交流電橋測(cè)量換能器的電容。③指向性測(cè)量。通過水聲測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量換能器的指向性。④靈敏度測(cè)量。通過水聲測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量換能器的靈敏度。

將上述測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集處理分機(jī)。

(7)數(shù)據(jù)采集處理分機(jī)。

通過預(yù)先設(shè)定的溫度、壓力控制參數(shù)及控制指令，輸出相應(yīng)控制信號(hào);采集溫度、壓力、鹽度及換能器絕緣電阻等參數(shù)，經(jīng)相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，顯示、輸出并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，為換能器壽命分析提供數(shù)據(jù)。

使用高級(jí)編程語言LabView編寫程序，通過通訊程序?qū)y(cè)量?jī)x器及溫度、壓力控制分機(jī)發(fā)出操作指令及控制參數(shù);采集溫度、壓力、鹽度、絕緣電阻等參數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)字濾波等數(shù)字處理方法以圖形表格的形式顯示在數(shù)據(jù)采集處理分機(jī)操作界面上，同時(shí)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集處理分機(jī)中，具備數(shù)據(jù)打印功能。

2 主要技術(shù)特點(diǎn)

聲吶換能器加速壽命試驗(yàn)設(shè)備的主要技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)設(shè)備綜合運(yùn)用壓力容器技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、儀器儀表開發(fā)等技術(shù)，研制開發(fā)了聲吶換能器加速壽命試驗(yàn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了聲吶換能器水下綜合環(huán)境模擬，主要性能指標(biāo)檢測(cè)及自動(dòng)記錄，為開展換能器使用壽命的研究提供了有力的支撐。

2)設(shè)備的研制是基于對(duì)聲吶換能器失效分析、壽命試驗(yàn)技術(shù)方法分析、統(tǒng)計(jì)分析、壽命預(yù)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備能模擬船舶聲吶換能器的使用環(huán)境條件，增加換能器工作環(huán)境條件的苛刻程度，如改變靜水壓力、溫度、鹽度等條件，以達(dá)到加快試驗(yàn)速度，縮短試驗(yàn)時(shí)間的目的。

3)設(shè)備的研制成功，為聲吶換能器壽命研究工作提供了有力的條件。通過對(duì)聲吶換能器壽命的有效預(yù)計(jì)，將確保聲吶換能器的科學(xué)使用、管理和維修，制定更有效的維修保障計(jì)劃，提高裝備保障水平。

3 結(jié)束語

針對(duì)船舶聲吶換能器數(shù)量多、種類廣，使用壽命無法預(yù)估，非計(jì)劃內(nèi)修理難度大、代價(jià)高等問題，結(jié)合船舶聲吶換能器維修保障的實(shí)際，綜合運(yùn)用壓力容器技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、儀器儀表開發(fā)等技術(shù)，研制了聲吶換能器加速壽命試驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備具備了靜水壓力、溫度、鹽度調(diào)節(jié)，全過程自動(dòng)測(cè)量記錄靜水壓力、溫度、鹽度等試驗(yàn)條件和換能器的絕緣電阻等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的功能。該設(shè)備為開展換能器使用壽命的研究提供了一種先進(jìn)、綜合、實(shí)用的技術(shù)手段，以便在短期內(nèi)根據(jù)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，對(duì)換能器的使用壽命進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)，對(duì)提高聲吶換能器維修保障能力有著重要的意義。

［1］費(fèi)國(guó)強(qiáng)，林家旺，寇紅軍，等.壓電陶瓷水聽器絕緣電阻和平均壽命 ［J］.聲學(xué)與電子工程，2008(1):1－4.

［2］錢萍，陳文華，馬子魁，等.綜合應(yīng)力加速壽命模型驗(yàn)證方法的研究 ［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(24):156－161.

［3］趙華，許迪，龔時(shí)宏.微噴頭耐久性的加速壽命試驗(yàn)方法研究 ［J］.水利學(xué)報(bào)，2009，40(10):1248－1253.

［4］張?jiān)稣?以可靠性為中心的質(zhì)量設(shè)計(jì)、分析和控制［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.