我國水聲換能器技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展機(jī)遇

莫喜平

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 北京 100190

迄今為止，聲波被認(rèn)為是唯一能夠在海洋中遠(yuǎn)距離傳播的信息載體，海洋研究、資源開發(fā)、海上軍事斗爭(zhēng)都離不開水聲技術(shù)。水聲技術(shù)的發(fā)展需要各類水聲換能器提供支撐，而水聲換能器的使命任務(wù)是在水下發(fā)射和接收聲波，因此水聲換能器有“水聲設(shè)備耳目”之稱。水聲換能器的發(fā)展主要包括應(yīng)用新材料、采用新工藝、設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)換能器綜合技術(shù)性能的改善和提升，來自水聲技術(shù)領(lǐng)域的迫切需求是水聲換能器發(fā)展的直接動(dòng)力。筆者曾撰寫綜述性文章[1]，從幾個(gè)不同角度去分析總結(jié)水聲換能器百年研究歷史中的創(chuàng)新思想，梳理了國際上不同時(shí)期換能器方面的標(biāo)志性創(chuàng)新工作。本文則聚焦國內(nèi)近 20 年水聲換能器方面的研究成果，主要包括低頻換能器、高頻寬帶換能器、深水換能器以及矢量水聽器等方面的研究新進(jìn)展。在分析總結(jié)基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的海洋科技發(fā)展戰(zhàn)略與形勢(shì)，簡(jiǎn)要論述當(dāng)前水聲換能器技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展機(jī)遇。

1 我國水聲換能器技術(shù)研究進(jìn)展

水聲換能器是在水介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)聲與其他形式能量或信息轉(zhuǎn)換的一類傳感器；水聲換能器是聲吶系統(tǒng)最前端的設(shè)備，也是聲吶系統(tǒng)與水介質(zhì)相互作用、交流信息的“窗口”。水聲換能器技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域涉及多學(xué)科交叉融合，與之密切關(guān)聯(lián)的學(xué)科主要包括：物理學(xué)、材料學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)等，因此水聲換能器的發(fā)展與其他基礎(chǔ)學(xué)科的成就息息相關(guān)，并同時(shí)受到各個(gè)關(guān)聯(lián)學(xué)科發(fā)展的制約。從我國水聲換能器數(shù)十年發(fā)展歷史來看，最大的發(fā)展動(dòng)力來自于水聲技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，而直至 20 世紀(jì)末我國水聲換能器技術(shù)發(fā)展還缺乏全局性和系統(tǒng)性。近 20 年，我國水聲換能器技術(shù)逐步進(jìn)入系統(tǒng)性發(fā)展階段，從新材料應(yīng)用、新結(jié)構(gòu)、新工藝方面實(shí)現(xiàn)換能器綜合技術(shù)性能的優(yōu)化與提升，在幾個(gè)典型技術(shù)方向上形成了系列研究成果。

1.1 低頻換能器研究進(jìn)展

針對(duì)超遠(yuǎn)程水下信息傳輸和超隱身潛艇探測(cè)發(fā)展的迫切需求，低頻發(fā)射換能器成為 21 世紀(jì)以來水聲換能器領(lǐng)域最受關(guān)注的熱點(diǎn)方向之一，國外超遠(yuǎn)程探測(cè)與通訊聲吶工作頻帶已經(jīng)降低到 100 Hz 左右。低頻換能器涉及許多理論和技術(shù)層面的問題，目前還沒有很好地解決，這方面仍將是未來發(fā)展中的研究熱點(diǎn)與關(guān)注焦點(diǎn)。本節(jié)選擇彎曲振動(dòng)低頻換能器和彎張換能器的研究工作，總結(jié)其中的新技術(shù)成果。

1.1.1 彎曲振動(dòng)低頻換能器

低頻換能器的發(fā)展首先面對(duì)的技術(shù)問題就是幾何尺寸，一般諧振式換能器的工作頻率與幾何尺寸成反比，也就是說換能器的頻率越低則幾何尺寸將會(huì)越大，彎曲振動(dòng)可以有效縮減低頻換能器的幾何尺寸。國內(nèi)近 20 年在彎曲振動(dòng)低頻換能器方面的新設(shè)計(jì)主要包括彎曲梁換能器類、彎曲圓盤換能器類等。

（1）彎曲梁換能器。劉永平等[2]設(shè)計(jì)一種圓筒懸臂梁寬帶發(fā)射換能器（圖 1a），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將彎曲振動(dòng)模態(tài)頻率低的特點(diǎn)和多模態(tài)振動(dòng)耦合拓寬頻帶的方法結(jié)合起來。柴勇等[3]提出一種管梁耦合圓環(huán)換能器（圖 1b），通過在鑲拼圓環(huán)換能器中加入彎曲梁組成管梁耦合結(jié)構(gòu)，增加了有效工作模態(tài)。利用多模耦合作用實(shí)現(xiàn)低頻、寬帶工作特性。采用了溢流結(jié)構(gòu)，經(jīng)過 3 000 m 深海潛標(biāo)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了其耐靜水壓能力。Xu 等[4]提出柱面彎曲低頻換能器的 2 種設(shè)計(jì)方案（圖 1c 和 d），進(jìn)行了系列仿真模擬，給出了新型磁致伸縮材料 Terfenol-D 及 Galfenol 驅(qū)動(dòng)的發(fā)射響應(yīng)曲線，展示了該換能器結(jié)構(gòu)具有超低頻應(yīng)用的潛力。

（2）彎曲圓盤換能器。彎曲圓盤換能器包括三疊片、雙疊片結(jié)構(gòu)等。圖 2a 所示為一對(duì)雙疊片組成的緊湊型彎曲圓盤換能器，國外研究工作比較成熟，劉繼伍[5]對(duì)這種基本結(jié)構(gòu)彎曲圓盤換能器進(jìn)行了深入研究。從這種基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過設(shè)計(jì)液腔和對(duì)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行改進(jìn)，產(chǎn)生了一些新設(shè)計(jì)[6-9]。圖 2b[6]是鑲拼環(huán)驅(qū)動(dòng)的彎曲圓盤換能器。圖2c的設(shè)計(jì)[7]利用了不同尺寸的彎曲圓盤換能器組成基陣，采用不同驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)寬帶工作。圖 2d[8]是溢流腔結(jié)構(gòu)的彎曲圓盤換能器，設(shè)計(jì)中適當(dāng)調(diào)整了液腔尺寸以滿足聲學(xué)性能要求。圖 2e[9]是鐵鎵合金（galfenol）驅(qū)動(dòng)的彎曲圓盤換能器，采用的結(jié)構(gòu)類似于縱向換能器，激發(fā)前輻射板彎曲振動(dòng)。

圖1 彎曲梁低頻換能器的新設(shè)計(jì)（a）中0為固定梁，1—5為不同厚度的柱面梁

圖2 彎曲圓盤低頻換能器的新設(shè)計(jì)

1.1.2 彎張換能器

彎張換能器的概念起始于 Hayes 1936 年的專利，基本工作方式是 1 個(gè)或多個(gè)伸縮振動(dòng)的振子驅(qū)動(dòng)彎曲振動(dòng)殼體產(chǎn)生低頻聲輻射。我國關(guān)于彎張換能器的研究與應(yīng)用從 20 世紀(jì)末開始活躍起來，研究人員設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)形式的彎張換能器，筆者在總結(jié)水聲換能器技術(shù)國際發(fā)展動(dòng)態(tài)的文章[1]中，依照結(jié)構(gòu)和激勵(lì)方式將彎張換能器分為三大類，在此沿用這種分類方法，分別進(jìn)行介紹。

（1）柱型結(jié)構(gòu)彎張換能器。該類換能器由縱向伸縮振子驅(qū)動(dòng)平移彎曲振動(dòng)殼體（圖 3），換能器的振動(dòng)殼體是一個(gè)平移結(jié)構(gòu)體，即各種形狀的柱面殼，由 1 個(gè)或多個(gè)縱向伸縮的振子驅(qū)動(dòng)，包括 IV 型彎張換能器及其變形結(jié)構(gòu)、VII 型彎張換能器、四邊形彎張換能器等。圖 3a 是典型的 IV 型彎張換能器結(jié)構(gòu)形式，陳思等[10]研制了弛豫鐵電單晶 PMNT 材料驅(qū)動(dòng)的 IV 型彎張換能器。李寬和藍(lán)宇[11]研制了稀土超磁致伸縮材料 Terfenol-D 驅(qū)動(dòng)的 IV 型彎張換能器。圖 3b 是 VII 型彎張換能器的新設(shè)計(jì)[12]，采用稀土超磁致伸縮材料 Terfenol-D 驅(qū)動(dòng)，激勵(lì)方式在橫向尺寸最寬的部位設(shè)計(jì) 1 對(duì)平行振子，賀西平和李斌[12]對(duì)該型換能器進(jìn)行了深入的系列研究，包括預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)分析、理論建模、模態(tài)分析、實(shí)驗(yàn)研究等。圖 3c 是對(duì) IV 型彎張換能器改進(jìn)的新設(shè)計(jì)[13]，類似于 I 型彎張換能器到 II 型彎張換能器的設(shè)計(jì)改進(jìn)，采用了長(zhǎng)軸加長(zhǎng)的橢圓殼結(jié)構(gòu)，換能器采用弛豫鐵電單晶材料 PMNT 驅(qū)動(dòng)，具有比一般 IV 型彎張換能器更優(yōu)的寬帶工作特性。圖 3d 是國內(nèi)最早對(duì) IV 型彎張換能器進(jìn)行改進(jìn)的新設(shè)計(jì)——魚唇式彎張換能器[14]，其采用變高度橢圓殼體并應(yīng)用了稀土超磁致伸縮材料 Terfenol-D 驅(qū)動(dòng)，這種特殊形狀的振動(dòng)殼體具有杠桿臂效應(yīng)和高度加權(quán)的雙放大作用。目前 Terfenol-D 魚唇式彎張換能器已經(jīng)系列化，并設(shè)計(jì)成雙殼結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升發(fā)射功率，單只換能器最大聲功率可達(dá)萬瓦級(jí)，成為國內(nèi)低頻大功率發(fā)射換能器的基本類型之一。圖 3e 是正交激勵(lì)四邊形彎張換能器[15]，采用了一種結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計(jì)改進(jìn)，可以在有限體積內(nèi)增加更多的功能材料，提高發(fā)射聲源級(jí)。圖 3f 是對(duì) IV 型彎張換能器的另一改進(jìn)新設(shè)計(jì)[16]，類似于 I 型彎張換能器到 III 型彎張換能器的設(shè)計(jì)改進(jìn)，其采用兩橢圓殼體沿長(zhǎng)軸方向串聯(lián)為一體，用更長(zhǎng)的壓電堆激勵(lì)，使縱向振子的諧振頻率降低而接近彎張殼體基頻模態(tài)，有利于模態(tài)耦合實(shí)現(xiàn)寬帶工作特性。圖 3g 是對(duì) IV 型彎張換能器激勵(lì)振子的改進(jìn)新設(shè)計(jì)[17]，為折疊振子驅(qū)動(dòng)的 IV 型彎張換能器，該結(jié)構(gòu)結(jié)合低剛度的殼體材料可有效降低諧振頻率。

圖3 柱型結(jié)構(gòu)彎張換能器

（2）長(zhǎng)型旋轉(zhuǎn)體彎張換能器。該類換能器由縱向伸縮振子驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱彎曲振動(dòng)殼體（圖 4），換能器的振動(dòng)殼體是一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)體，或者沿圓周分布的一系列桶條梁，一般由 1 個(gè)縱向伸縮的振子驅(qū)動(dòng)，包括 I 型彎張換能器、II 型彎張換能器、III 型彎張換能器的凸型結(jié)構(gòu)和凹型結(jié)構(gòu)等。圖 4a 為 I 型彎張換能器的凹型結(jié)構(gòu)，亦稱為凹筒彎張換能器，蔡志恂等[18]研制了 Terfenol-D 驅(qū)動(dòng)的凹筒彎張換能器。圖 4b 為 III 型彎張換能器的凸型結(jié)構(gòu)，亦稱為葫蘆式彎張換能器，Chai 等[19]研究了 PZT 和 PZT+Terfenol-D 聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的葫蘆式彎張換能器，對(duì)聯(lián)合激勵(lì)的發(fā)射特性參數(shù)進(jìn)行了仿真分析。圖 4c 為磁致伸縮-壓電聯(lián)合激勵(lì)的凹筒彎張換能器[20]，設(shè)計(jì)中應(yīng)用了 Terfenol-D 和 PZT 兩種激勵(lì)元件組成復(fù)合縱向振子。圖 4d 為多壓電堆激勵(lì)的凹筒彎張換能器[21]，在殼體不變和壓電陶瓷材料總體積相同前提下，分析不同個(gè)數(shù)（1—4個(gè)）壓電堆驅(qū)動(dòng)對(duì)換能器性能的影響，設(shè)計(jì)研制了三壓電堆激勵(lì)的凹筒彎張換能器。

圖4 長(zhǎng)型旋轉(zhuǎn)體彎張換能器

（3）扁型旋轉(zhuǎn)體彎張換能器。該類換能器由徑向擴(kuò)張振子驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱彎曲振動(dòng)殼體，換能器的振動(dòng)殼體為 1 個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)體，一般為 1 對(duì)凸或凹的球冠（或類球冠）或圓盤等組成，由 1 個(gè)徑向擴(kuò)張的圓環(huán)或圓片振子驅(qū)動(dòng)，包括 V 型彎張換能器、VI 型彎張換能器、圓盤型彎張換能器等，在此介紹小尺寸 V 型彎張換能器——Cymbal[22]和圓盤型彎張換能器[23]。圖 5a 為小尺寸 V 型彎張換能器，由徑向振動(dòng)的壓電陶瓷圓片驅(qū)動(dòng) 1 對(duì)金屬端帽產(chǎn)生彎曲振動(dòng)；圖 5b 為圓盤型彎張換能器，設(shè)計(jì)中采用 PZT-4 徑向極化壓電陶瓷環(huán)驅(qū)動(dòng)彎曲圓盤，圓盤沿徑向切縫分成 16 等分的扇形結(jié)構(gòu)減少橫向振動(dòng)耦合。這 2 種結(jié)構(gòu)形式的彎張換能器具有諧振頻率低、幾何尺寸小、電聲效率高等特點(diǎn)。

1.2 高頻寬帶換能器研究進(jìn)展

水聲裝備除了以探測(cè)距離為重要指標(biāo)，其另一個(gè)發(fā)展方向是以獲取最大目標(biāo)信息量為主要目的。例如，高分辨率圖像聲吶、高數(shù)據(jù)率水聲通信等要求高頻模式工作，并且工作頻帶盡可能寬的裝備系統(tǒng)，因此高頻寬帶水聲換能器成為該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，類似于光學(xué)成像系統(tǒng)的鏡頭一樣。

圖 6a 為壓電陶瓷柱加匹配層的高頻寬帶換能器，史海榮等[24]研究了壓電陶瓷間隔和陶瓷尺寸的比例及填充材料對(duì)帶寬的影響。圖 6b 為張凱等[25]設(shè)計(jì)的雙匹配層高頻寬帶換能器，其利用壓電陶瓷柱成陣，再添加金屬層和樹脂復(fù)合材料的雙匹配層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高頻寬帶的聲發(fā)射性能。圖 6c 為藍(lán)宇和張凱[26]設(shè)計(jì)的 1-1-3 壓電復(fù)合材料高頻寬帶換能器，由 1 維連通的壓電小柱和 1 維連通的金屬小柱平行排列于 3 維連通的聚合物基體中而構(gòu)成的三相壓電復(fù)合材料，并研制了高頻寬帶發(fā)射換能器。圖 6d 為張凱等[27]設(shè)計(jì)的 1-3 壓電復(fù)合材料高頻寬帶換能器，利用厚度振動(dòng)模態(tài)和一階橫向振動(dòng)模態(tài)耦合作用實(shí)現(xiàn)了寬帶工作特性。圖 6e 為王宏偉[28]設(shè)計(jì)的壓電復(fù)合材料圓環(huán)高頻寬帶換能器，通過徑向切割壓電陶瓷圓環(huán)、灌注環(huán)氧樹脂得到壓電復(fù)合材料圓環(huán)，再將 2 個(gè)不同壁厚的壓電復(fù)合材料圓環(huán)疊合組成徑向輻射的雙諧振換能器。

1.3 深水換能器研究進(jìn)展

深?？臻g是目前海上軍事競(jìng)爭(zhēng)的新的制高點(diǎn)，我國的海洋戰(zhàn)略目標(biāo)之一就是走向深藍(lán)，深海水聲裝備發(fā)展推動(dòng)著深水換能器研究不斷取得突破。本文 1.1 節(jié)介紹的低頻換能器中，溢流腔結(jié)構(gòu)的彎曲圓盤換能器和管梁耦合圓環(huán)換能器也是深水換能器的設(shè)計(jì)實(shí)例，在此不做重復(fù)，另介紹一些典型的深水換能器研究新成果。

圖5 扁型旋轉(zhuǎn)體彎張換能器

圖6 高頻寬帶換能器

圖 7a 為采用末端激勵(lì)和中間激勵(lì)的 2 種主要的 Helmholtz 水聲換能器結(jié)構(gòu)形式，桑永杰等[29]對(duì)彈性壁條件液腔諧振頻率進(jìn)行了理論研究。圖 7b 為 Lu 等[30]設(shè)計(jì)的采用溢流圓管換能器作為激勵(lì)源的多液腔低頻寬帶換能器。圖 7c為桑永杰和藍(lán)宇[31]設(shè)計(jì)的低頻大功率 Janus-Helmholtz 換能器；桑永杰和藍(lán)宇[32]還通過將 Janus-Helmholtz 換能器的腔體圓筒向活塞輻射面前方延長(zhǎng)，在 Janus 輻射器喇叭口處形成新的液腔，研制了多液腔 Janus-Helmholtz 換能器（圖 7d），使換能器具有更寬的工作頻帶。圖 7e 為 Liu[33]設(shè)計(jì)的用于水聲通信的溢流環(huán)深水換能器，設(shè)計(jì)中利用了液腔共振與圓環(huán)徑向振動(dòng)的耦合作用，實(shí)現(xiàn)了寬帶工作特性。圖 7f 為童暉等[34]設(shè)計(jì)的半空間指向性的溢流環(huán)深水寬帶換能器，通過金屬底座改善換能器的垂直方向性和抑制后輻射。圖 7g 為夏鐵堅(jiān)和郝浩琦[35]設(shè)計(jì)的深水寬帶縱向換能器，換能器利用縱向振動(dòng)和前蓋板彎曲振動(dòng)耦合作用實(shí)現(xiàn)寬帶工作，換能器封裝在鈦合金耐壓外殼中，外殼及換能器內(nèi)部充有硅油，通過壓力平衡裝置實(shí)現(xiàn)深水工作。

1.4 矢量水聽器研究進(jìn)展

隨著人們對(duì)聲場(chǎng)矢量信息的深度關(guān)注和矢量水聽器研究的重視，矢量水聽器技術(shù)不斷發(fā)展，成為近年來國際研究熱點(diǎn)之一。進(jìn)入 21 世紀(jì)，我國矢量水聽器應(yīng)用研究最為活躍，根據(jù) 2014 年底的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，國際矢量水聽器及其應(yīng)用領(lǐng)域的學(xué)術(shù)成果近一半來自于我國[36]。在此簡(jiǎn)要介紹一下矢量水聽器近期研究進(jìn)展。

矢量水聽器典型結(jié)構(gòu)是同振型，同振型矢量水聽器是將慣性式敏感元件（振動(dòng)加速度計(jì)、速度計(jì)等）封裝于球形[37]或圓柱形[38]殼內(nèi)而成，其工作原理是基于剛性球或圓柱體在聲場(chǎng)作用下作振蕩運(yùn)動(dòng)的特性，一般設(shè)計(jì)為零浮力（圖 8a）。這方面的理論和工藝比較成熟，如今應(yīng)用了新型壓電單晶材料 PMNT 和 PZNT，使水聽器體積減小、靈敏度提高、自噪聲降低。矢量水聽器主要應(yīng)用于岸基陣、拖曳陣、舷側(cè)陣等，低頻矢量水聽器還應(yīng)用于海洋環(huán)境噪聲測(cè)量、潛/浮標(biāo)等系統(tǒng)。

圖7 深水換能器

圖8 矢量水聽器

圖 8b 是一種可固定安裝的同振柱型矢量水聽器[39]，其基本原理沒有改變，結(jié)構(gòu)上用安裝桿代替了懸掛框架，將懸掛彈簧改成橡膠彈簧。這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)景可拓展到平臺(tái)載體上固定安裝。

隨著微機(jī)電加工技術(shù)（M E M S）的發(fā)展，MEMS 技術(shù)已應(yīng)用于矢量水聽器設(shè)計(jì)研制當(dāng)中，MEMS技術(shù)可以將敏感單元、控制電路、低噪聲匹配電路、采樣預(yù)處理模塊等微電子元件集成為一體，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。一種典型工作模式是以微加速度傳感器作為敏感元件[40]（圖 8c），利用單晶硅的壓阻效應(yīng)原理設(shè)計(jì)敏感芯片，研制了3 維同振柱型復(fù)合 MEMS 矢量水聽器。另一種工作模式是基于仿生學(xué)原理，仿效魚的側(cè)線機(jī)械傳感細(xì)胞感知水運(yùn)動(dòng)的原理，設(shè)計(jì)了 MEMS 壓阻式矢量水聽器[41]（圖 8d）。

光纖水聽器是光纖傳感技術(shù)在水聲領(lǐng)域的成功應(yīng)用之一，顯示出高靈敏度、低噪聲、大動(dòng)態(tài)范圍、抗干擾等技術(shù)特點(diǎn)，近年來在矢量水聽器方面也得到拓展應(yīng)用，研究人員設(shè)計(jì)研制出了光纖矢量水聽器。圖 8e 是一種 3 維柱型光纖矢量水聽器[42]，基于 Bragg 光柵設(shè)計(jì)了加速度傳感單元和聲壓傳感單元，研制出聲壓-振速矢量水聽器。圖8f 是一種 3 維球型光纖矢量水聽器[43]，基于全保偏光纖干涉系統(tǒng)，研制出 3 維正交芯軸式干涉型光纖矢量水聽器，結(jié)構(gòu)緊湊且聲中心重合于一點(diǎn)。

2 淺議我國水聲換能器的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)差距

本文第 1 節(jié)介紹了我國在低頻換能器、高頻寬帶換能器、深水換能器以及矢量水聽器等方面的研究進(jìn)展，搜集的資料雖未能詳盡，但也具有相當(dāng)?shù)牡湫托院痛硇裕旧厦枥L出了我國水聲換能器發(fā)展的前沿輪廓。與國際上不同時(shí)期換能器方面的標(biāo)志性創(chuàng)新工作相比，我國相當(dāng)一部分的創(chuàng)新設(shè)計(jì)工作要晚于國際前沿技術(shù)水平幾年甚至十幾年。

上文已經(jīng)提到，我國水聲換能器發(fā)展的最大動(dòng)力來自水聲技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。在我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技力量相對(duì)薄弱的時(shí)期，這種發(fā)展方式是最具實(shí)效性的，但經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)期后就會(huì)有明顯的歷史痕跡，造成學(xué)科布局不系統(tǒng)、產(chǎn)品系列不完整、理論基礎(chǔ)不扎實(shí)、專門工藝不完善、配套專業(yè)支撐不持續(xù)、人才隊(duì)伍不穩(wěn)定的局面。

例如，在深水換能器技術(shù)方面，一些海洋大國在 20 世紀(jì)就已經(jīng)有很多成熟技術(shù)和系列產(chǎn)品，某些民用深海聲學(xué)設(shè)備還可以出口到我國，但我國直至 20 世紀(jì)末深海聲吶技術(shù)需求仍然不強(qiáng)，導(dǎo)致深水換能器技術(shù)在當(dāng)時(shí)幾乎處于空白狀態(tài)。近些年國家加大了投入力度，重視基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)核心器件的研究工作，水聲換能器領(lǐng)域研究新成就不斷涌現(xiàn)、技術(shù)能力逐年提升、技術(shù)進(jìn)步顯著。前文所列研究工作中就有一些研究成果與國際前沿水平相同步，但整體同步、全面并行的發(fā)展勢(shì)頭還遠(yuǎn)未形成，尤其是歷史上短缺和發(fā)展薄弱的換能器技術(shù)方向，新技術(shù)成果也僅是鳳毛麟角、產(chǎn)品性能仍然很弱。

3 海洋科技發(fā)展給水聲換能器研究帶來發(fā)展機(jī)遇

3.1 水聲換能器是海洋信息化的主要信息源

控制和利用海洋一直是世界大國追求的目標(biāo)，可以說，建設(shè)海洋強(qiáng)國不僅有利于涉海國家的安全與發(fā)展，也是維護(hù)與拓展海外利益的關(guān)鍵，更是塑造面向全球性大國的有效途徑[44]。我國從 21 世紀(jì)初就提出逐步建設(shè)成為海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)，國家“十二五”規(guī)劃綱要要求制定和實(shí)施海洋發(fā)展戰(zhàn)略，國家“十三五”規(guī)劃綱要要求加強(qiáng)海洋戰(zhàn)略頂層設(shè)計(jì)[45]。我國科學(xué)家近年又先后提出了“數(shù)字海洋”“透明海洋”“智慧海洋”發(fā)展構(gòu)想，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋的全面立體感知、廣泛互聯(lián)互通、海量數(shù)據(jù)共享、知識(shí)分析與決策、深入智慧服務(wù)，從而提升我國的海洋軍事、海洋管控和海洋開發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)海洋觀測(cè)智能化，海洋數(shù)據(jù)應(yīng)用智能化[46,47]。

國際海洋信息化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及我國海洋建設(shè)的種種舉措，標(biāo)志著海洋信息時(shí)代的到來。聲波作為水下信息的主要載體，成為水下信息感知、辨識(shí)和通訊的主要技術(shù)途徑，并用于目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別、水下定位導(dǎo)航、海洋物理和生物現(xiàn)象的觀察、海洋環(huán)境參數(shù)測(cè)量、地質(zhì)參數(shù)估計(jì)以及通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。水聲技術(shù)在當(dāng)前已成為海洋領(lǐng)域的主要信息技術(shù)。其中，水聲物理是水聲技術(shù)的物理基礎(chǔ)；信號(hào)處理是水聲技術(shù)的重要工具；而形形色色的水聲換能器則為信號(hào)處理提供基礎(chǔ)信息，換言之，水聲換能器是海洋信息化的主要信息源。

3.2 我國海洋信息化建設(shè)為水聲換能器研究帶來空前的發(fā)展機(jī)遇

（1）建設(shè)海洋強(qiáng)國，從獲取海洋信息、認(rèn)識(shí)海洋開始。海洋信息技術(shù)涉及海洋信息的獲取、傳輸、處理和融合，在海洋科學(xué)研究、環(huán)境調(diào)查、資源開發(fā)、權(quán)益維護(hù)與安全防衛(wèi)中發(fā)揮越來越重要的作用，在我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略中占有重要地位。其中海洋信息獲取是海洋信息技術(shù)的基礎(chǔ)，也是認(rèn)識(shí)海洋的信息源泉，即主要通過聲、光、電、磁等物理手段以及生物學(xué)、化學(xué)等傳感機(jī)制獲取目標(biāo)或海洋動(dòng)力、生態(tài)、地質(zhì)、氣象等環(huán)境信息。海洋信息技術(shù)發(fā)展即是從海洋信息獲取、認(rèn)識(shí)海洋開始，目前水聲技術(shù)仍然是獲取海洋信息、認(rèn)識(shí)海洋、探測(cè)海洋奧秘的主要技術(shù)手段，以水聲換能器為基礎(chǔ)支撐的水聲技術(shù)蓬勃發(fā)展，必將助力我國海洋強(qiáng)國目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)。

（2）海洋領(lǐng)域“卡脖子”問題中，傳感器研發(fā)處于亟待解決的“第一梯隊(duì)”。世界海洋強(qiáng)國均在海洋裝備的設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)建造以及管理運(yùn)行等方面傾注了大量的人力、物力、財(cái)力。其中海洋立體觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)是未來海洋科技發(fā)展重要目標(biāo)之一，旨在實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境觀測(cè)的多參數(shù)、寬范圍、實(shí)時(shí)化、立體化，傳感器及探測(cè)裝備的小型化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化，海洋組網(wǎng)觀測(cè)的全球化等，并將傳感器技術(shù)發(fā)展納入重要發(fā)展方向。我國在“中國海洋工程科技2035發(fā)展戰(zhàn)略”關(guān)于海洋環(huán)境與資源的動(dòng)態(tài)感知科技專項(xiàng)中，明確了要突破海洋監(jiān)測(cè)、觀測(cè)、監(jiān)視系統(tǒng)的核心技術(shù)與裝備的瓶頸問題，包括耐腐蝕材料、異質(zhì)模塊組集、傳感集成、海洋大數(shù)據(jù)應(yīng)用等，并把研制自主傳感器列為重點(diǎn)發(fā)展方向[48]。21 世紀(jì)以來，我國高度重視海洋強(qiáng)國建設(shè)，海洋科研也因此迎來了黃金時(shí)代。海洋科技要發(fā)展，首先要解決海洋領(lǐng)域里面若干“瓶頸問題”?，F(xiàn)今海洋科技面臨著信息化發(fā)展的新挑戰(zhàn)，與海洋進(jìn)行信息交換的第一窗口就是各類傳感器，因此這些傳感器既是推動(dòng)海洋科技發(fā)展的根本，也是制約海洋科技發(fā)展進(jìn)程的頭等瓶頸要素，是第一梯隊(duì)的“卡脖子”問題。

（3）海洋水聲裝備換能器的國產(chǎn)化必為大勢(shì)所趨。2011 年 8 月，國家發(fā)展改革委、科技部、工信部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略（2011—2020）》，在“總體部署”中明確：“十二五”期間在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加強(qiáng)對(duì)主力裝備技術(shù)的引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新、“十三五”期間著力開展集成創(chuàng)新。這些部署映射了我國海洋工程裝備進(jìn)口要素還占有相當(dāng)比例，尤其是關(guān)鍵傳感器、精密控制、動(dòng)力系統(tǒng)以及海洋防腐技術(shù)等方面進(jìn)口量更大。海洋信息裝備與海洋工程裝備有極其相似的一面，目前我國民用水聲裝備或其高端傳感器方面進(jìn)口比例還比較大。在軍用水聲裝備方面，由于應(yīng)用的特殊性，我國堅(jiān)持走自主發(fā)展的道路。例如，前文所介紹換能器方面的技術(shù)成果與突破，支撐了水聲裝備的快速發(fā)展，我國已經(jīng)具備較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。走軍民融合道路，非軍事應(yīng)用的海洋水聲裝備換能器就有取之不盡的技術(shù)源泉，將使水聲裝備換能器的國產(chǎn)化成為可能以及發(fā)展的必然。

（4）水聲系統(tǒng)是海軍一流裝備的重要信息單元。建設(shè)強(qiáng)大海軍、鍛造海上精兵勁旅，肩負(fù)捍衛(wèi)國家海上主權(quán)和維護(hù)世界和平的神圣義務(wù)，而其中勁旅之“勁”、精兵之“精”的重要物質(zhì)基礎(chǔ)是擁有一流的裝備。在現(xiàn)今信息化時(shí)代，面對(duì)強(qiáng)大的敵人，在信息化戰(zhàn)場(chǎng)上如何運(yùn)籌帷幄、穩(wěn)操勝券，須以一流的信息化裝備作為基本保障，善其事當(dāng)利其器。水聲系統(tǒng)作為海軍裝備的主要信息單元，肩負(fù)著重要的時(shí)代使命。

4 結(jié)語

本文綜述了我國水聲換能器幾個(gè)典型技術(shù)方向的研究進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注了近 20 年的系列研究成果，分析總結(jié)了該領(lǐng)域的基本發(fā)展概況，充分認(rèn)識(shí)到與國際前沿技術(shù)水平存在的差距。結(jié)合我國的海洋發(fā)展戰(zhàn)略，分析論述了當(dāng)前水聲換能器技術(shù)所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇?？梢钥吹疆?dāng)前海洋信息技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)博弈的時(shí)代，快速提升水聲換能器技術(shù)能力已經(jīng)到了刻不容緩的時(shí)刻。為了鑄就技術(shù)領(lǐng)先的海洋信息長(zhǎng)城，發(fā)展水下傳感器任務(wù)從來沒有像今天這樣緊迫。以下針對(duì)我國水聲換能器技術(shù)的發(fā)展提出 5 點(diǎn)建議。

（1）夯實(shí)基礎(chǔ)，系統(tǒng)規(guī)劃，長(zhǎng)線布局。在海洋信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，水聲換能器技術(shù)面臨前所未有的重大發(fā)展機(jī)遇，學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)該從全行業(yè)角度系統(tǒng)規(guī)劃、作長(zhǎng)期發(fā)展的統(tǒng)籌布局，重視基礎(chǔ)理論研究，夯實(shí)基礎(chǔ)。積極鼓勵(lì)發(fā)展技術(shù)難度大、應(yīng)用面不是很寬的產(chǎn)品品系，敢于啃硬骨頭，學(xué)科發(fā)展中不應(yīng)有“挑肥揀瘦、拈輕怕重”的短線投資，從產(chǎn)品系列完整化角度統(tǒng)籌發(fā)展。高度重視基礎(chǔ)工藝、專項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度和基礎(chǔ)工藝研究的資金投入。持續(xù)鼓勵(lì)和扶持配套專業(yè)的發(fā)展，不能讓配套專業(yè)或支撐專業(yè)的“發(fā)展不善”成為換能器技術(shù)發(fā)展的瓶頸與障礙。

（2）自主創(chuàng)新，縮小差距，實(shí)現(xiàn)超越。筆者在總結(jié)水聲換能器技術(shù)國際發(fā)展動(dòng)態(tài)和我國研究進(jìn)展的同時(shí)，認(rèn)識(shí)到在水聲換能器技術(shù)領(lǐng)域，國內(nèi)外存在不小的差距，主要表現(xiàn)在國內(nèi)的主體研究工作大部分是在跟蹤國外的發(fā)展并在學(xué)習(xí)中得到發(fā)揮，獨(dú)創(chuàng)性研究工作不多?？上驳氖菄鴥?nèi)近些年研究熱度倍增，研究成果豐碩，差距在縮小。自主創(chuàng)新仍然是我們步入先進(jìn)行列的“法寶”，只有自主創(chuàng)新的份額不斷提升，才能逐漸縮小差距，最終實(shí)現(xiàn)超越。

（3）軍民融合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，產(chǎn)研相濟(jì)。水聲換能器是一門特殊的技術(shù)學(xué)科，單純的理論不經(jīng)過實(shí)踐和工藝配合無法落實(shí)到一流產(chǎn)品當(dāng)中，一流的技術(shù)人員也是在無數(shù)次換能器制作的歷練中打造出來的。軍民融合可以促使產(chǎn)品提升科技含量，并使科研人員得到生產(chǎn)一線的實(shí)際磨練，為行業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，使水聲換能器產(chǎn)品制造與科學(xué)研究相互促進(jìn)、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相濟(jì)發(fā)展。

（4）人才為本，著力培養(yǎng)，壯大隊(duì)伍。任何一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都有人才培養(yǎng)的問題，但水聲換能器技術(shù)領(lǐng)域不僅形勢(shì)嚴(yán)峻，而且具體情形還大不相同。水聲換能器既是多學(xué)科相融合的交叉學(xué)科，又是一門體現(xiàn)理論與實(shí)踐強(qiáng)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)科學(xué)，培養(yǎng)專業(yè)人才周期長(zhǎng)。專業(yè)發(fā)展既需要領(lǐng)軍的“將才”，更需要眾多工藝能手的“匠才”，而培養(yǎng)“匠才”能手的周期更長(zhǎng)。因此，在水聲換能器產(chǎn)品國產(chǎn)化大趨勢(shì)以及自主創(chuàng)新發(fā)展背景下，人才短缺問題將會(huì)嚴(yán)重制約行業(yè)的健康發(fā)展。大力培養(yǎng)專業(yè)人才、精心打造“匠才”能手刻不容緩，并且要堅(jiān)持不懈、持之以恒，不斷優(yōu)化人員結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大規(guī)模、壯大隊(duì)伍。

（5）管理為魂，統(tǒng)籌規(guī)劃，持續(xù)扶持。加強(qiáng)行業(yè)規(guī)劃與管理措施的制定，通過管理機(jī)制、扶持政策，保障換能器技術(shù)領(lǐng)域步入良性發(fā)展的軌道。目前在評(píng)價(jià)機(jī)制、重視工藝技術(shù)、重視能手級(jí)人才、基礎(chǔ)條件投入、關(guān)聯(lián)行業(yè)的持續(xù)扶持等方面還存在許多管理上的問題。打造行業(yè)精兵勁旅期待著個(gè)性化管理與發(fā)展大計(jì)，應(yīng)充分體現(xiàn)特殊專業(yè)方向的個(gè)性化發(fā)展特點(diǎn)，簡(jiǎn)單照搬“大科學(xué)”“大工程”的管理模式未必行之有效。