溫度及壓力對(duì)換能器性能的影響分析

仲林建 唐軍

(第七一五研究所，杭州，310023)

溫度及壓力對(duì)換能器性能的影響分析

仲林建 唐軍

(第七一五研究所，杭州，310023)

換能器在溫度和壓力的影響下性能會(huì)發(fā)生變化，為觀察其變化趨勢(shì)，利用Tonpilz縱向振動(dòng)結(jié)構(gòu)制作了換能器及基陣，測(cè)試了基陣在不同溫度和壓力下的電導(dǎo)、發(fā)射響應(yīng)及接收靈敏度。隨著溫度的降低，其電導(dǎo)值及發(fā)射響應(yīng)等也相應(yīng)降低，隨著靜水壓力的增加，最大值對(duì)應(yīng)的頻率降低。

換能器；溫度；壓力；性能分析

海底礦產(chǎn)資源的勘探與開(kāi)發(fā)、海洋生物研究以及深海警備等活動(dòng)中，聲吶系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)重要的角色，其中換能器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。工作在深海環(huán)境下的設(shè)備首先要考慮能否承受高靜水壓且性能良好，一些文獻(xiàn)對(duì)利用液腔耦合振動(dòng)的深水換能器進(jìn)行了報(bào)道[2-3]，滿(mǎn)足耐壓情況下還要考慮溫度的變化對(duì)換能器性能的影響。通常縱向振動(dòng)換能器由有源材料、鋁、鋼、去耦材料、透聲膠和包履橡膠等材料構(gòu)成，換能器是實(shí)現(xiàn)機(jī)電（電機(jī)）轉(zhuǎn)換的復(fù)雜系統(tǒng)，換能器構(gòu)成材料的物理變化會(huì)影響換能器的振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境溫度及壓力發(fā)生變化后，材料的物理變化最終導(dǎo)致?lián)Q能器性能也發(fā)生變化。最常見(jiàn)的情況是受溫度的影響，換能器的諧振頻率發(fā)生漂移、電導(dǎo)發(fā)生變化。本文對(duì)換能器在不同溫度和壓力下的發(fā)射和接收性能做了分析，可為換能器的設(shè)計(jì)提供一些參考。

1 換能器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

換能器采用夾心式結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），前蓋板為硬鋁材質(zhì)，后蓋板和預(yù)應(yīng)力螺桿采用不銹鋼，壓電陶瓷元件4片并聯(lián)，壓電元件與前后蓋板之間各有一片絕緣墊片，換能器內(nèi)部有一層去耦泡沫進(jìn)行隔振，最外側(cè)硫化一層橡膠。

圖1 換能器示意圖

基陣的布陣圖如圖2所示，換能器陣元單獨(dú)硫化后通過(guò)2道密封圈安裝于基陣架上，換能器利用壓條進(jìn)行固定，換能器后蓋板處的凸臺(tái)起到了壓力支撐作用，同時(shí)凸臺(tái)與基陣架之間有一層硫化橡膠隔振及去耦，最終基陣整體再灌注一層聚氨酯水密材料，在基陣的外側(cè)封口處硫化一層水密橡膠，整個(gè)基陣多道措施保護(hù)，既保證了可靠性，又保證了耐壓效果。

圖2 基陣布陣圖

由于壓力罐不能任意設(shè)置溫度和壓力值，因此對(duì)變溫變壓的測(cè)試流程進(jìn)行了優(yōu)化處理，其流程圖如圖3所示，其中星形標(biāo)記為測(cè)試點(diǎn)。

圖3 變溫變壓測(cè)試流程

首先在常溫常壓下（21℃、0.3 MPa）測(cè)試換能器及基陣的性能，然后通過(guò)制冰將水溫在常壓下降至10℃，測(cè)試基陣性能參數(shù)；再在常壓下將水溫降至4℃，接近深海中的水溫環(huán)境，測(cè)試基陣性能參數(shù)；將水溫降至1℃以后開(kāi)始注水加壓力，當(dāng)壓力加至4 MPa時(shí)，水溫4.8℃左右，此時(shí)測(cè)試基陣性能參數(shù)；然后繼續(xù)注水加壓至7 MPa，此時(shí)溫度為5.5℃，測(cè)試基陣性能參數(shù)；最終釋放壓力后，溫度為5.8℃，測(cè)試基陣性能參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)及性能測(cè)試

實(shí)測(cè)的電導(dǎo)曲線、發(fā)送響應(yīng)及接收靈敏度曲線隨溫度及壓力的變化趨勢(shì)如圖4~7所示。

圖4 電導(dǎo)隨壓力及溫度變化的曲線

圖5 靈敏度隨壓力及溫度變化的曲線

圖4為電導(dǎo)值隨壓力及溫度的變化曲線。從圖中可以看出電導(dǎo)值隨著溫度的降低而降低，諧振頻率基本不變；隨著靜水壓力的增加，電導(dǎo)值變化較小，但諧振頻率有所降低，當(dāng)靜水壓力釋放后，諧振頻率相應(yīng)的增加。同時(shí)，比較21℃常壓和4.4℃常壓的數(shù)據(jù)，溫度差異導(dǎo)致電導(dǎo)值差異較大，換能器外側(cè)有硫化橡膠和聚氨酯橡膠，其特性受溫度影響較大；再比較4.4℃常壓和5.8℃放壓后數(shù)據(jù)，同樣差異較大，這里有2個(gè)差異因數(shù)：一是4.4℃常壓狀態(tài)對(duì)應(yīng)于高壓罐體密封狀態(tài)，其實(shí)際有約0.3 MPa的壓力，二是溫度的差異，橡膠和聚氨酯在4.4℃到5.8℃過(guò)程中可能有一個(gè)變化較快的點(diǎn)。

圖5為靈敏度隨壓力及溫度的變化曲線。從圖中可以看出靈敏度隨著溫度的降低而降低，靈敏度最大值對(duì)應(yīng)的頻率基本不變，同時(shí)，隨著靜水壓力的增加，靈敏度量級(jí)變化較小，但靈敏度最大值對(duì)應(yīng)的頻率有所降低，當(dāng)靜水壓力釋放后，靈敏度最大值對(duì)應(yīng)的頻率相應(yīng)增加。

圖6為發(fā)送電壓響應(yīng)隨壓力及溫度變化的曲線。從圖中可以看出隨著溫度的下降，發(fā)送響應(yīng)級(jí)從184 dB下降到178 dB，隨著靜水壓力增加，最大發(fā)送響應(yīng)級(jí)對(duì)應(yīng)的頻率下降。圖7為功率響應(yīng)隨壓力及溫度變化的曲線，其變化規(guī)律與發(fā)送響應(yīng)基本一致，但4.4℃常壓下的曲線異常，可能是由于測(cè)試誤差等原因造成的。

圖6 發(fā)送電壓響應(yīng)隨壓力及溫度變化的曲線

圖7 功率響應(yīng)隨壓力及溫度變化的曲線

3 小結(jié)

通過(guò)對(duì)基陣不同壓力及溫度下性能的測(cè)試，可以看出，隨著溫度的降低，電導(dǎo)值及響應(yīng)等也相應(yīng)降低，隨著靜水壓力的增加，最大發(fā)送響應(yīng)頻率相應(yīng)降低。

對(duì)于深海中使用的換能器，一方面要保證其耐靜水壓性能，主要是結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，文中的換能器與基陣架連接處雖然有隔振橡膠，但在大的靜水壓力下，其隔振效果大幅降低，還需進(jìn)一步改進(jìn)；另一方面，水密層對(duì)溫度影響較大，需要改進(jìn)橡膠配方，從而保證換能器有較好的溫度穩(wěn)定性。

[1]李俊寶,夏金東,高俊琴,等.一種深海寬帶半球指向性換能器[J].聲學(xué)技術(shù),2008,27(5):556-557.

[2]劉繼伍.溢流式圓管換能器輻射阻抗的近似計(jì)算[J].聲學(xué)與電子工程,2005,增刊:P233-235.

[3]田忠仁.深水換能器設(shè)計(jì)[J].聲學(xué)與電子工程,2005,增刊:135-136.