中高頻水聲換能器發(fā)展綜述

胡明 朱輝慶

(海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023)

中高頻水聲換能器發(fā)展綜述

胡明 朱輝慶

(海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023)

敘述了各種中高頻換能器拓寬帶工作頻帶方法及其高頻換能器基陣的設(shè)計方法，并對應(yīng)國內(nèi)外中高頻水聲換能器陣設(shè)備實物介紹。對從事?lián)Q能器設(shè)計的工作人員有指導(dǎo)意義。

聲吶；中高頻換能器；基陣；設(shè)計方法；綜述

為探測水中目標(biāo)或在水中實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，人們嘗試了各種手段，其中最為有效的還是聲學(xué)方法，這是因為聲波在水中的傳播損失非常小，傳播距離較電、磁、光等遠(yuǎn)得多。在確定了聲作為信息載體后，還必須要有聲的接收和發(fā)射設(shè)備，這樣水聲換能器就孕育而生。顧名思義，換能器就是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件，是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的裝置。

水聲換能器按工作頻率可分為低頻換能器、中頻換能器和高頻換能器。一般工作頻率在2 kHz以下的稱為低頻換能器，工作頻率在2～100 kHz以內(nèi)的稱為中頻換能器，工作頻率在100 kHz以上的稱為高頻換能器。低頻換能器通常尺寸重量都較大，中高頻換能器尺寸重量較小。中高頻換能器一般用于魚探儀聲吶、避碰聲吶、三維成像聲吶、多波束測深聲吶、側(cè)掃聲吶、反蛙人聲吶、海流剖面儀等要求頻率高、分辨力高的水聲設(shè)備，通常應(yīng)用于小目標(biāo)探測或精細(xì)成像等領(lǐng)域。

1 中高頻寬帶換能器設(shè)計方法

隨著信號處理技術(shù)及DSP硬件的發(fā)展，信號處理機(jī)的運(yùn)算能力越來越強(qiáng)，所能處理的頻段越來越寬，因此對換能器提出了更高的帶寬要求，這也是中高頻換能器主要關(guān)注的問題。目前中高頻寬帶換能器采用的技術(shù)主要有三大類：一類是新型結(jié)構(gòu)技術(shù)，包括傳統(tǒng)的匹配層技術(shù)、縱彎復(fù)合技術(shù)、多模諧振技術(shù)等[1-4]；另一類是采用新型有源材料技術(shù)，包括1-3復(fù)合材料和弛豫鐵電單晶材料[5-6]；還有一類則是通過對有源材料的組合來獲得寬帶特性[7]，包括采用反轉(zhuǎn)層壓電材料等。

1.1 新型結(jié)構(gòu)技術(shù)

換能器的帶寬通常是由有源材料的機(jī)電耦合系數(shù)決定的，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的主要目的是充分發(fā)揮材料的帶寬容量。

1.1.1 匹配層技術(shù)

高頻寬帶換能器通常采用匹配層技術(shù)，即在陶瓷片上粘結(jié)一層或多層特性阻抗不同的無源材料，以達(dá)到拓寬換能器工作頻段的目的。換能器所能達(dá)到的最大帶寬與壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)成正比。對于厚度振動機(jī)電耦合系數(shù)kt=0.5，縱向振動機(jī)電耦合系數(shù)k33=0.7，兩者相差1.4倍，因此人們很自然地就想到了用陶瓷柱拼成圓片再粘結(jié)匹配層的方法來拓寬換能器工作頻帶，如圖1所示。通過調(diào)節(jié)陶瓷顆粒與匹配層之間粘接的面積比，可以獲得一個倍頻程的帶寬[7]。

圖1 顆粒型匹配層換能器

1.1.2 縱彎復(fù)合技術(shù)

縱彎換能器是利用縱向振動和輻射頭彎曲振動相結(jié)合的多模振動換能器。通常為了增大縱振換能器的輻射面積，將前輻射頭設(shè)計成喇叭形，在縱向振動的激勵下，輻射頭會產(chǎn)生沿軸向彎曲的振動，從而得到第二個諧振模態(tài)。該種換能器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易制作的特點(diǎn)，多用于對結(jié)構(gòu)、重量、尺寸要求不是很嚴(yán)格的場合。圖2為典型的縱彎復(fù)合振動換能器及其前兩階振動模態(tài)，一般也能獲得一個倍頻程的帶寬[8]。

圖2 縱彎復(fù)合振動換能器

1.1.3 多激勵技術(shù)

多激勵換能器通常在陶瓷堆之間加入中間質(zhì)量塊，這樣，對于高頻來說，中間質(zhì)量塊及其以下部分都充當(dāng)了后蓋板的角色，而對于低頻，中間質(zhì)量塊則被當(dāng)作了前蓋板，這是多激勵換能器一般的設(shè)計思路。與匹配層和縱彎換能器相比，多激勵換能器由于陶瓷元件體積較大、輻射面相對較小、中間質(zhì)量塊剛度較大，導(dǎo)致發(fā)射電壓響應(yīng)起伏大于前兩種換能器。圖3為典型的雙激勵加匹配層換能器及其前三階振動模態(tài)，一般能獲得接近兩個倍頻程的帶寬，但起伏也接近6 dB[7]。

圖3 雙激勵加匹配層換能器

1.2 新型材料技術(shù)

換能器的帶寬與有源材料的耦合系數(shù)息息相關(guān)，因此為了提高換能器的帶寬，人們往往從有源材料入手。尤其是近年來出現(xiàn)了新型1-3壓電復(fù)合材料和高性能的弛豫鐵電單晶，其厚度耦合系數(shù)最高分別達(dá)到0.7和0.9，理論上帶寬容量可接近兩個倍頻程。

1.2.1 壓電復(fù)合材料技術(shù)

1-3壓電復(fù)合材料是目前研究和應(yīng)用最廣泛的一種復(fù)合材料。它是一維連通的壓電陶瓷柱按一定規(guī)律平行排列于三維連通的聚合物基體中、且壓電陶瓷柱垂直于電極面而形成的兩相壓電復(fù)合材料?；?-3復(fù)合材料的周期特性，可利用其一階厚度振動模態(tài)、一階對稱橫向模態(tài)的耦合來拓寬換能器帶寬。圖4為1-3壓電復(fù)合材料換能器及其厚度振動模態(tài)、一階對稱橫向模態(tài)，與PZT換能器相比，一般能獲得更大的帶寬和更好的瞬態(tài)響應(yīng)[6]。

圖4 1-3復(fù)合材料換能器

1.2.2 壓電單晶材料技術(shù)

與PZT相比，單晶材料具有高的壓電系數(shù)、高的介電系數(shù)、高的柔順系數(shù)，進(jìn)而具有高的耦合系數(shù)、低的聲速、大的相對形變，因此非常適合用來制作寬帶發(fā)射換能器。目前已開發(fā)出三元系PIM-PMN-PT，其三方-四方相變溫度達(dá)110℃，居里溫度達(dá)190℃，已接近實用程度。圖5為單晶縱振換能器，以及16元基陣與相應(yīng)PZT換能器基陣功率因子曲線的比較，可以看出功率傳輸百分比帶寬增加了3倍，超過1.5個倍頻程。

圖5 單晶縱振換能器及16元陣功率因子

1.3 分布式激勵技術(shù)

盡管換能器所能達(dá)到的帶寬受材料耦合系數(shù)的限制，但人們?nèi)匀辉诮Y(jié)構(gòu)上不斷改進(jìn)，希望得到更寬的發(fā)射電壓響應(yīng)，而放松對電導(dǎo)帶寬的要求。最新的方法是利用偶次模同時又通過電反饋調(diào)節(jié)偶次模大小的方法，該方法電路復(fù)雜，反饋點(diǎn)不易選取，實現(xiàn)較困難。這里介紹一種新的分布式激勵寬帶縱振換能器設(shè)計方法。對于一個壓電縱振系統(tǒng)，不管其結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，總是存在1階、2階、3階等連續(xù)模態(tài)，而每階模態(tài)的強(qiáng)弱可以用耦合系數(shù)來表征，耦合系數(shù)其實就是模態(tài)函數(shù)的積分。因此通過調(diào)節(jié)縱振換能器陶瓷堆的分布可以調(diào)節(jié)各階模態(tài)的強(qiáng)弱。圖6為分布式激勵縱振換能器及其特性曲線，可以看出通過短路某些陶瓷堆，使得這些位置處模態(tài)函數(shù)積分均為零，從而達(dá)到調(diào)節(jié)各階模態(tài)強(qiáng)弱的目的。

圖6 分布式激勵換能器

2 中高頻換能器基陣

中高頻換能器相對較小，在使用時往往需要布成一個基陣，形成一定的指向性，滿足聲吶總體的要求。中高頻換能器基陣由于體積小、陣元多，可以較容易地按照要求形成各種指向性。因此，中高頻換能器的一個特點(diǎn)就是換能器與基陣一體化設(shè)計，最直接的體現(xiàn)就是仿真計算時往往針對整個基陣而不是針對單個換能器進(jìn)行。

2.1 魚雷聲自導(dǎo)平面基陣

多頻聲自導(dǎo)魚雷是新型魚雷發(fā)展的方向之一，即在一定的頻率范圍內(nèi)，隨機(jī)發(fā)射、接收多個頻率信號，從而提高抗干擾能力。多頻自導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)之一是寬帶聲基陣及寬帶匹配技術(shù)。魚雷聲自導(dǎo)平面基陣工作頻段范圍大致為10～40 kHz，單個魚雷聲自導(dǎo)平面基陣的工作帶寬通常達(dá)到一個倍頻程。由于魚雷頭部空間有限，均采用收發(fā)合置的方式，同時為了提高基陣的發(fā)射和接收效率，單個換能器通常做成正六邊形或正方形，以充分利用整個輻射平面，如圖7所示。單個換能器多采用匹配層技術(shù)，具有體積小、重量輕、安裝方便的優(yōu)勢。

圖7 魚雷聲自導(dǎo)平面基陣

2.2 反蛙人聲吶基陣

西方各海洋國家都十分重視反蛙人聲吶的研究。英、俄等都相繼推出了反蛙人聲吶，這些聲吶屬于傳統(tǒng)經(jīng)典式的高頻聲吶，一般具有水平寬波束發(fā)射、窄波束接收的特點(diǎn)。圖8為各國反蛙人聲吶水下基陣，其中X-Type發(fā)射陣由8塊平面型1-3復(fù)合材料換能器組合而成，中心頻率為100 kHz，電導(dǎo)帶寬接近40 kHz，水平波束寬度接近180°，指向性起伏最大不超過5 dB。接收陣直徑約1 m，由多個接收模塊組成，單條水聽器水平波束寬度約54°，垂直波束寬度約10°。

圖8 反蛙人聲吶基陣（X-Type、Cerberus 360、Pallada）

2.3 魚探儀聲基陣

魚探儀通常采用收發(fā)合置基陣，一般安裝在船底，吃水較淺，因此需要在垂直維進(jìn)行相控掃描，一旦發(fā)現(xiàn)魚群后還需要采用定向發(fā)射的方式，以精確估計魚群的大小和識別魚群的種類。魚探儀的工作頻率一般在20～100 kHz。圖9為一個典型的魚探儀聲吶基陣，直徑約為400 mm，高度約為350 mm，整個基陣間隔錯位布陣，共計8層，每層32個換能器。單個換能器采用匹配層技術(shù)，工作頻率20～30 kHz。

圖9 魚探儀聲吶基陣及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.4 高頻U形發(fā)射基陣

由于具有巨大的科學(xué)、商業(yè)和軍事價值，西方海洋國家均十分重視多波束聲吶的研制，目前已推出Simrad EM3000、SeaBeam 1180、Reson Seabat 8101等多種型號產(chǎn)品。圖10為不同型號的多波束聲吶水下基陣。早期基陣采用兩條相互垂直的直線陣構(gòu)成T形陣，其缺點(diǎn)是波束腳印不均勻，0°方向干擾過大。為了得到均勻波束腳印并減小零度干擾，最新的多波束聲吶收發(fā)基陣均采用U形布陣方式，波束覆蓋角可達(dá)160°，邊緣波束比中心波束高15 dB左右，可大大提高作業(yè)效率和測量精度。

圖10 多波束聲吶水下基陣（Sonic 2024、Fansweep 30、715）

2.5 高頻球冠發(fā)射基陣

三維成像聲吶具有成像速度快、分辨力高的特點(diǎn)，可用于海上施工、蛙人探測、水下目標(biāo)識別等。BlueView和CodaOctpus公司開發(fā)了一系列產(chǎn)品，頻率為300 kHz～2.25 MHz，如圖11所示。三維成像聲吶分辨力要求非常高，通常波束數(shù)在幾千個以上。若采用發(fā)射相控掃描的方式將導(dǎo)致控制電路過于復(fù)雜，因此多采用整張1-3壓電復(fù)合材料彎曲成球冠形、拋物面形或橢球面形構(gòu)成發(fā)射陣，一次發(fā)射形成較寬的兩維波束，覆蓋較大的空間角度。同時為了提高空間分辨力，采用大的平面接收陣。

圖11 三維成像聲吶基陣

2.6 多普勒海流剖面儀相控陣

多普勒海流剖面儀多用于艦船、潛艇和水下航行器的底跟蹤、航速測量、海流測量等。工作時向前、后、左、右同時發(fā)射四個波束，通過回波的多普勒差異來測量相對速度，如圖12所示。早期的多普勒海流剖面儀基陣多采用4個平面陣按一定角度布置構(gòu)成，其缺點(diǎn)是對4個平面陣一致性要求很高。最近采用兩維相控陣技術(shù)，利用柵瓣來形成四個主波束，巧妙解決了一致性要求高的問題，目前已有38 kHz、75 kHz、150 kHz、300 kHz等多款產(chǎn)品，滿足不同的平臺需求。

圖12 多普勒海流剖面儀

3 中高頻換能器應(yīng)用前景

近年來隨著水下無人航行器AUV/UUV的興起，中高頻換能器得到迅速發(fā)展和集中應(yīng)用。水下無人航行器利用高頻水聲換能器可進(jìn)行水聲導(dǎo)航、水聲通信、水下自主探測、水聲環(huán)境考察、水下地形地貌測量、水下沉積物定位與識別等。目前國外AUV技術(shù)已經(jīng)比較成熟，重量從幾十公斤到幾百公斤，潛深從幾十米到幾千米，續(xù)航從幾公里到幾百公里，用途從軍用到民用，已經(jīng)發(fā)展了幾十型，用于航道開辟、前沿偵查、掃雷等功能。

4 中高頻換能器發(fā)展趨勢

目前，性能先進(jìn)的AUV都裝有多部中高頻聲吶設(shè)備，如圖13所示。這些聲吶一般都是在專屬領(lǐng)域逐漸發(fā)展形成系列產(chǎn)品，AUV通常根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行選裝，這種使用方式容易導(dǎo)致AUV載荷過多，任務(wù)冗余，降低了AUV的使用效率，因此根據(jù)AUV的使命任務(wù)和自身特點(diǎn)，采用多功能聲基陣一體化設(shè)計將成為AUV聲吶中高頻基陣的一個發(fā)展趨勢。

另一方面，水下無人航行器已從淺海走向深海，對其安裝的中高頻換能器提出了更高的耐靜水壓要求。目前國外已有工作深度達(dá)6000 m的AUV，其上裝備了較多的中高頻聲吶基陣，因此中高頻深水換能器也是發(fā)展趨勢之一。

圖13 冰島的GAVIA

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