圓柱形超高靜水壓水聽器設(shè)計與測試

何 濤

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 杭州 311400)

0 引言

21世紀海洋產(chǎn)業(yè)的開發(fā)是國民經(jīng)濟的重要組成部分。我國領(lǐng)海廣闊，海洋中蘊含著豐富的財富，通過“蛟龍?zhí)枴?、“深海勇士號”等載人潛水器平臺，我國在深海資源勘測中取得了諸多重要成果。水聲技術(shù)是進行海洋環(huán)境動態(tài)變化監(jiān)測、深水通信、深海定位等十分有效的手段之一，在深海資源勘探、水聲通信中，大量穩(wěn)定性好的深水換能器、水聽器被廣泛應(yīng)用[1]。隨著我國海軍由近海向外海挺進，海洋探測活動不斷向深海發(fā)展，深海空間站等軍民融合技術(shù)的發(fā)展，需要對安裝在上面的水聲設(shè)備以及換能器、聲學(xué)材料等開展聲學(xué)性能測試和評價工作。目前最高10 MPa的工作靜水壓已不能滿足當(dāng)前發(fā)展的需要，需要研究更高靜水壓水聲聲壓的計量技術(shù)。如果缺乏在高靜水壓下性能穩(wěn)定的標準水聽器，那么，檢測深水換能器的電聲參數(shù)就難以得到準確、可靠的保證，甚至還會造成嚴重差錯。因此，耐超高靜水壓水聽器的研制和測試技術(shù)研究就顯得十分緊迫和必要，本文將報道一種20 Hz～20 kHz頻段、最大工作深度5000 m的超高靜水壓水聽器。

在國外，丹麥B&K公司研制的8105型和8106型標準水聽器，最大工作深度1000 m；美國Teledyne RESON公司研制的多型標準水聽器能在1000 m靜水壓力下工作，極限深度2000 m；美國HighTech公司具有多型深水水聽器產(chǎn)品，最大工作深度6000 m。在國內(nèi)，耐超高靜水壓寬頻帶的水聽器公開報道較少，一般最大使用深度為1000 m左右，與外國存在較大差距。文獻[2]對半球形壓電水聽器靈敏度隨靜水壓變化進行了探討，對水聽器結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算并未涉及。文獻[3]對高靜水壓下水聽器靜態(tài)電容變化進行了試驗研究，對該變化對靈敏度影響進行了分析并提出解決方案。在水聽器實際使用中，不同靜水壓下的接收靈敏度是用戶非常關(guān)心的性能參數(shù)，目前，國防科技工業(yè)水聲一級計量站“高靜壓水聲聲壓耦合腔標準裝置”能實現(xiàn)水聽器最高10 MPa下低頻靈敏度測試。

1 超高靜水壓水聽器設(shè)計

1.1 敏感元件選擇

敏感元件是水聽器的核心，其性能對水聽器主要性能起決定性作用。硫酸鋰晶體是一種高靈敏度、高穩(wěn)定性的材料，它是體積膨脹型材料，在晶體表面不需用空氣腔或橡皮之類的壓力釋放材料，有高的溫度、壓力和時間穩(wěn)定性，是理想的耐高壓水聽器敏感元件的材料，它在USRD研制的標準水聽器中被大量使用，研制成功的H52型水聽器最大使用深度5200 m。

美 國 科 學(xué) 家Krueger等[4]分 別 對PZT-4、PZT-5、陶瓷B和鈦酸鋇鉛四種陶瓷材料在高靜水壓下的性能影響進行了試驗研究，在四種陶瓷材料中，PZT-4受壓力作用時間影響較小，靜水壓下性能變化最小，因此更加適合作為接收換能器使用。

兩種方案比較，硫酸鋰晶體具有高的壓力穩(wěn)定性，但水聽器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高頻指向性起伏較大，壓電陶瓷PZT-4壓力穩(wěn)定性良好，水平全向，獲取容易，因此最終選用壓電陶瓷作為高靜水壓水聽器敏感元件。

文獻[3]對一種薄壁球形壓電陶瓷和一種圓柱形壓電陶瓷在不同靜水壓下靜態(tài)電容進行了試驗研究，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 水聽器靜態(tài)電容隨靜水壓變化Table1 Static capacitance of hydrophones with static pressure

從表1可以看出，隨著靜水壓升高，徑向極化的球形水聽器和圓柱形水聽器靜態(tài)電容降低，球形水聽器電容變化率大于圓柱形水聽器。當(dāng)水聽器連接一定長度電纜后，其接收靈敏度會發(fā)生衰減。如該球形水聽器帶15 m電纜后，高靜壓下和常壓下由于電纜衰減不同，靈敏度相差3.1 dB。對于柱形壓電陶瓷，經(jīng)計算，常壓與50 MPa相比較，電纜引起的靈敏度變化為0.9 dB，因此選用厚壁的圓柱形壓電陶瓷，水聽器壓力穩(wěn)定性更好。

1.2 元件耐壓及靈敏度計算

壓電陶瓷在高靜壓下會發(fā)生退極化，根據(jù)相關(guān)資料，退極化靜壓在100 MPa以上[5]，因此在最高50 MPa時不會引起材料退極化。從機械強度考慮，壓電圓管在外壓作用下，壓力過高會發(fā)生周向彈性和塑形失效，其結(jié)構(gòu)會受到破壞，從而引起水聽器失效。對于本文選用的壓電陶瓷圓管，規(guī)格為Φ25 mm×Φ19 mm×12 mm，其最大許用外壓可表示為[6]

式(1)中，p為圓管許用外壓；m為安全系數(shù)，通常取3；K為圓管特征系數(shù)，取2.2；E為材料彈性模量；δe為圓管厚度；D0為圓管外徑。

經(jīng)計算該規(guī)格元件能承受最高靜水壓為96.9 MPa，因此在最高50 MPa條件下使用具有較高的安全性。

對壓電圓管的振動模態(tài)分析，已經(jīng)有較多科研人員進行了研究[7]。為保證接收靈敏度平坦，水聽器工作頻率范圍應(yīng)遠離諧振頻率，一般使用頻率上限小于諧振頻率的0.7倍。對于本文選用的壓電陶瓷圓管，因圓管高度小于圓管直徑，其徑向諧振頻率可以用公式(2)進行近似計算：

式(2)中，a為圓管的平均半徑，sE11為壓電陶瓷的柔順常數(shù)，ρ為壓電陶瓷密度。

經(jīng)計算，壓電陶瓷圓管空氣中諧振頻率為47.2 kHz。利用3532-50 LCR測試儀對壓電圓管GB進行測試，實測諧振頻率為48.75 kHz，遠高于最高使用頻率20 kHz。

對于徑向極化的壓電陶瓷圓管，其低頻接收靈敏度可用公式(3)進行計算[8]：

式(3)中，r2為圓管外半徑，r1為圓管內(nèi)半徑，g31、g33為壓電陶瓷壓電電壓常數(shù)。

經(jīng)計算并采用分貝表示，水聽器低頻接收靈敏度約為-200.6 dB，兩個圓管串聯(lián)，理論接收靈敏度-194.6 dB。

1.3 水聽器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)1.1節(jié)的實驗結(jié)果，水聽器敏感元件采用厚壁PZT-4壓電陶瓷圓管，兩個陶瓷元件串聯(lián)。高靜水壓水聽器結(jié)構(gòu)設(shè)計需要解決3個關(guān)鍵技術(shù)。(1)蓋板及支撐桿等結(jié)構(gòu)強度設(shè)計。本文采用強度較高的無極性陶瓷作為蓋板，強度較高的鈦合金作為支撐結(jié)構(gòu)，并增加材料厚度以提高抗壓強度，以滿足50 MPa高靜水壓下使用安全。(2)高靜壓去耦材料合理選用。軟木橡膠、硬質(zhì)聚氨酯泡沫等常規(guī)去耦材料，最大耐靜水壓力一般不大于10 MPa，超過最大工作深度，性能急劇變差，本文選用高強度復(fù)合泡沫作為元件間的去耦，該材料密度僅為0.7 g/cm3，壓縮強度大于90 MPa，是一種理想的高靜壓去耦材料。(3)水聽器結(jié)構(gòu)與高靜水壓測量設(shè)備的配合。水聽器制作完成后，其高靜水壓下的低頻接收靈敏度需在腔體內(nèi)測試，本文水聽器支撐結(jié)構(gòu)直徑與測量腔體開孔尺寸相同，采用兩道徑向密封圈實現(xiàn)密封，便于水聽器性能測試，設(shè)計完成的水聽器剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 水聽器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of hydrophone structure

2 水聽器性能測試

2.1 水聽器常壓下測試結(jié)果

制作完成的水聽器，在振動液柱及中低頻消聲水池中進行測試，測試頻率范圍20 Hz～20 kHz，測試參數(shù)為常壓下接收靈敏度，測試結(jié)果見圖2。

圖2 接收靈敏度曲線Fig.2 Receiving sensitivity frequency response

從圖2中可以看出，在20 Hz～20 kHz頻率范圍內(nèi)，水聽器常壓下接收靈敏度平坦，電纜末端低頻接收靈敏度為-195 dB，與理論計算符合較好。

2.2 高靜水壓下接收靈敏度測試結(jié)果

利用自行研制的高靜水壓耦合腔對水聽器高靜水壓下低頻接收靈敏度進行測量，該腔體為圓柱形，內(nèi)部尺寸為Φ150 mm×150 mm，厚度75 mm，最高靜水壓50 MPa。采用三換能器互易法進行校準，頻率范圍20 Hz～1000 Hz，靜水壓分別為5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 高靜水壓下低頻接收靈敏度曲線Fig.3 Frequency response of sensitivity under different hydrostatic pressure

從圖3可以得到水聽器低頻接收靈敏度隨靜水壓變化趨勢如下：

(1)隨著靜水壓增大，水聽器低頻接收靈敏度逐漸升高，在壓力為20 MPa時達到最大；

(2)在接收靈敏度達到最大值后，隨著靜壓力的進一步增大，接收靈敏度開始下降，靜水壓越大，接收靈敏度越低；

(3)在20 Hz～1000 Hz頻率范圍，5 MPa～50 MPa水聽器接收靈敏度最大變化為1.5 dB，說明該水聽器具有良好的壓力穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文介紹了一種頻率范圍在20 Hz～20 kHz的圓柱形超高靜水壓水聽器，突破了高靜水壓水聽器設(shè)計制作及高靜水壓性能測試的關(guān)鍵技術(shù)，給出了該水聽器常壓下的接收靈敏度以及低頻接收靈敏度隨壓力變化趨勢。測試結(jié)果表明該水聽器接收靈敏度隨壓力變化較小，5 MPa～50 MPa壓力范圍內(nèi)20 Hz～1000 Hz頻帶水聽器接收靈敏度起伏最大為1.5 dB，具有良好的壓力穩(wěn)定性，有望在超高靜水壓校準、深海資源勘測、深海通信等方面獲得廣泛應(yīng)用。