寬帶組合式水聲換能器設(shè)計(jì)研制及應(yīng)用

張慶國(guó)，黃其培，李興武，連 莉

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，云南 昆明 650051)

0 引言

海洋不僅是重要的漁業(yè)與礦產(chǎn)資源寶藏，也是各國(guó)維護(hù)國(guó)家安全和軍事斗爭(zhēng)的重要陣地。因此，水聲技術(shù)成為當(dāng)前海洋資源勘探與開發(fā)、艦艇水下通信與導(dǎo)航、水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別，以及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與自然災(zāi)害預(yù)報(bào)的重要手段[1-2]。

水聲換能器是水聲技術(shù)中聲波發(fā)射和接收的載體，其技術(shù)水平直接影響甚至決定水聲技術(shù)的最終實(shí)現(xiàn)效果。主動(dòng)聲吶探測(cè)及海洋資源勘探中要求換能器具有低頻大功率及小尺寸等特性[3]，噪聲模擬、聲吶校準(zhǔn)中要求水聲換能器具有超低頻及超寬帶特性[4]。水聲通信領(lǐng)域中要求水聲換能器具有高效率、超寬帶及高靈敏度和帶內(nèi)平坦等特性[5]?？傮w上，水聲換能器向低頻、寬帶、大功率、小尺寸和深水[6-7]方向發(fā)展。

文獻(xiàn)[8]提出，深水換能器采用內(nèi)部沖油法工作深度可達(dá)11 000 m，利用內(nèi)部油腔與結(jié)構(gòu)件的耦合形成多模振動(dòng)，拓寬了換能器的使用頻段。文獻(xiàn)[9]通過(guò)多種不同尺寸的溢流式圓管構(gòu)成多諧振腔，改變圓管的尺寸可調(diào)整工作頻率，獲得更寬的換能器帶寬，覆蓋頻段為200 Hz～2 kHz。郝浩琦等[10]在換能器直徑?250 mm、長(zhǎng)500 mm下，實(shí)現(xiàn)覆蓋頻段為7～15 kHz，聲源級(jí)為200 dB，接收靈敏度為-176 dB，且工作水深達(dá)11 000 m[10]；孫淑珍等[11]近期研制的Janus-Ring換能器，其尺寸為直徑?240 mm、長(zhǎng)420 mm，覆蓋頻段為1.8～8.0 kHz，發(fā)射響應(yīng)為144 dB，帶內(nèi)起伏小于6 dB[11]。

綜上所述，國(guó)外在水聲換能器已經(jīng)覆蓋全工作頻帶，甚至覆蓋全水域，在工程化、系列化及通用化上形成一定規(guī)模，代表了行業(yè)先進(jìn)水平。國(guó)內(nèi)各科研院所等相關(guān)單位進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)，取得了一定的成績(jī)，但在水聲換能器關(guān)鍵技術(shù)、加工工藝等方面與國(guó)外相比，仍存在一定的差距，尤其是在水聲探測(cè)中不斷提高的超寬帶、小尺寸及高性能等要求上，還需深入研究。

1 研制需求

隨著各國(guó)艦艇的降噪技術(shù)發(fā)展，艦艇自身噪聲級(jí)與水下目標(biāo)輕度不斷降低，魚雷等水下武器裝備多采用寬頻帶水聲換能器[3]，以擴(kuò)大探測(cè)距離，提高復(fù)雜水聲混響背景下的檢測(cè)能力和命中精度，增強(qiáng)水下目標(biāo)識(shí)別能力。另外，為了應(yīng)對(duì)各國(guó)海軍、情報(bào)機(jī)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)實(shí)體甚至國(guó)際恐怖組織等，派遣蛙人、自主式水下潛器(AUV)和微型潛艇進(jìn)行的偵查、破壞、爆炸和布雷作業(yè)等活動(dòng)，多采用小型遙控?zé)o人潛水器(ROV)等水下航行體搭載各種探測(cè)設(shè)備進(jìn)行安全防護(hù)[12-13]，并對(duì)其聲納主要技術(shù)指標(biāo)提出具體要求[14]。

本文主要針對(duì)水面艦船尾流氣泡聲學(xué)探測(cè)需求，設(shè)計(jì)研制一型具備3～100 kHz超寬帶接收與發(fā)射功能，可大開角對(duì)艦船尾流氣泡進(jìn)行實(shí)時(shí)水聲測(cè)量，并要求收發(fā)功能相互獨(dú)立且可控，總體結(jié)構(gòu)需緊湊，物理尺寸小巧，便于安裝在小型ROV上使用。綜合實(shí)際需求及實(shí)際工況等條件，本文所述的換能器主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1) 發(fā)射頻率為3～100 kHz，接收頻率為1～100 kHz。

2) 發(fā)射聲源級(jí)≥189 dB。

3) 接收靈敏度≥-180 dB。

4) 帶內(nèi)起伏≤6 dB。

5) 波束寬度(水平)≥90°(-3 dB)。

6) 波束寬度(垂直)≥70°(-3 dB)。

7) 工作水深≥500 m。

8) 尺寸≤350 mm×150 mm×250 mm。

9) 質(zhì)量≤10 kg。

其中，ROV為小型探測(cè)結(jié)構(gòu)，其搭載能力受限，所以換能器必須在滿足性能指標(biāo)的前提下，盡量尺寸小，質(zhì)量輕，便于實(shí)施。

2 換能器設(shè)計(jì)與研制

2.1 換能器設(shè)計(jì)與仿真分析

換能器屬于收、發(fā)分置結(jié)構(gòu)。發(fā)射端利用3個(gè)復(fù)合棒結(jié)構(gòu)發(fā)射換能器聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，分別對(duì)應(yīng)頻段為3～18 kHz、18～45 kHz、45～100 kHz；接收端利用2個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)串聯(lián)水聽器實(shí)現(xiàn)，其頻段分別為1～40 kHz、40～100 kHz。將上述發(fā)射和接收換能器基封裝一體，內(nèi)部設(shè)計(jì)有反聲障板。封裝一體后，總質(zhì)量約9 kg，換能器總體外形為不規(guī)整長(zhǎng)方體，基礎(chǔ)尺寸約為310 mm×150 mm×220 mm，外形如圖1所示，主電纜可以接插件形式與外部聲吶電子設(shè)備連接。

圖1 水聲換能器總體結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)本文水聲換能器主要技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合 上述設(shè)計(jì)方案，對(duì)其發(fā)射及接收性能進(jìn)行仿真分析。由于本文設(shè)計(jì)的換能器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頻帶覆蓋較寬，不宜采用理論分析方法進(jìn)行計(jì)算仿真。眾所周知，有限元法是當(dāng)前工程實(shí)踐中大量采用的一種數(shù)值計(jì)算仿真方法[15]。

利用ANSYS軟件模擬一個(gè)自由場(chǎng)水域，建立一個(gè)換能器簡(jiǎn)化模型。在前蓋板正前方的遠(yuǎn)場(chǎng)單元中選取一點(diǎn)計(jì)算聲壓，即可換算出換能器發(fā)射電壓響應(yīng)。在遠(yuǎn)場(chǎng)單元中沿?fù)Q能器中心選取一定距離各個(gè)方向上的聲壓，即可計(jì)算該換能器發(fā)射指向性開角。由于該復(fù)合棒換能器具有軸對(duì)稱性，這里選用2D軸對(duì)稱換能器有限元模型進(jìn)行有限元分析。

在使用ANSYS計(jì)算時(shí)，需要考慮水對(duì)換能器的影響，通常等效為水球，然后加載荷進(jìn)行求解計(jì)算，換能器在水中的模型如圖2、3所示。

圖2 發(fā)射換能器有限元分析模型圖

圖3 接收換能器有限元分析模型圖

由圖2、3可看出，其發(fā)射換能器均采用雙諧振峰寬帶設(shè)計(jì)。發(fā)射換能器3～18 kHz單元諧振頻率為5 kHz、14 kHz，18～45 kHz單元諧振頻率為20 kHz、40 kHz，45～100 kHz單元諧振頻率為55kHz、75 kHz。接收水聽器1～40 kHz單元采用壓電圓環(huán)，單環(huán)諧振頻率大于40 kHz，確保工作頻段平坦，內(nèi)部?jī)纱畠刹⒔Y(jié)構(gòu)，提高靈敏度和穩(wěn)定性；接收水聽器40～100 kHz單元采用壓電復(fù)合材料，諧振頻率大于100 kHz，以保證帶內(nèi)平坦度。

本文采用有限元方程為

(1)

式中:M為質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;K為剛度矩陣;U為節(jié)點(diǎn)位移矢量;F為載荷矢量。

發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)TVR為

(2)

式中：p為節(jié)點(diǎn)聲壓；R為節(jié)點(diǎn)到聲源等效中心的距離；V為施加的電壓。

在ANSYS中提取聲軸線上節(jié)點(diǎn)聲壓p，進(jìn)行計(jì)算即可獲得換能器的發(fā)射響應(yīng)曲線。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，水聲換能器的發(fā)射部分由3種復(fù)合棒發(fā)射換能器組成，實(shí)現(xiàn)寬帶指向性發(fā)射，同時(shí)抑制后輻射。發(fā)射換能器覆蓋頻段較寬，并主要應(yīng)用于水聲測(cè)量，需具備良好的帶內(nèi)平坦度，以保證水聲測(cè)量的精度。工程上多采用優(yōu)化換能器輻射頭的尺寸，或控制相位優(yōu)化降低帶內(nèi)起伏[16]，以及在雙諧振(或稱“雙激勵(lì)”)發(fā)射換能器前、后壓電陶瓷堆上串聯(lián)電阻等方式[17]，進(jìn)一步降低換能器發(fā)射電壓響應(yīng)在工作頻帶內(nèi)的起伏。本文考慮小型ROV搭載的換能器尺寸及質(zhì)量，以及總體安裝結(jié)構(gòu)，主要采用文獻(xiàn)[17]的方式進(jìn)行發(fā)射換能器帶內(nèi)起伏抑制，即調(diào)整匹配電阻阻值的方法。

假設(shè)發(fā)射換能器內(nèi)部前、后壓電陶瓷堆的串聯(lián)電阻分別為R1、R2，則調(diào)整R1、R2的阻值對(duì)發(fā)射換能器帶內(nèi)平坦度進(jìn)行控制。通過(guò)有限元分析，仿真在不同阻值情況下發(fā)射換能器的發(fā)射響應(yīng)。以設(shè)計(jì)的18～45 kHz雙諧振發(fā)射換能器為例，仿真分析其發(fā)射響應(yīng)隨電阻阻值變化曲線如圖4所示。由圖可知，調(diào)整R1、R2可將發(fā)射換能器的頻帶內(nèi)平坦度進(jìn)行基本控制，通過(guò)優(yōu)化電阻R1、R2，可得出在R1=940 Ω，R2=330 Ω時(shí),具有較好的帶內(nèi)平坦度(見圖4中點(diǎn)劃線所示)，且總體帶內(nèi)發(fā)射響應(yīng)變化不大，可滿足設(shè)計(jì)所需。

圖4 發(fā)射換能器18～45 kHz帶內(nèi)平坦度曲線圖

結(jié)合實(shí)際物理尺寸和寬帶阻抗匹配，綜合仿真可得3～18 kHz、18～45 kHz和45～100 kHz發(fā)射換能器發(fā)射電壓響應(yīng)仿真結(jié)果,如圖5～7所示。由圖5～7可知，換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)在頻帶內(nèi)不小于140 dB，滿足設(shè)計(jì)輸入相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，可為水聲遠(yuǎn)距離探測(cè)提供較大聲源級(jí)。

圖5 發(fā)射換能器3～18 kHz發(fā)射響應(yīng)仿真圖

圖6 發(fā)射換能器18～45 kHz發(fā)射響應(yīng)仿真圖

圖7 發(fā)射換能器45～100 kHz發(fā)射響應(yīng)仿真圖

水聲換能器的接收部分由兩組水聽器陣組合實(shí)現(xiàn)，每組水聽器陣采用壓電陶瓷圓環(huán)串、并聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)指向性接收。其中1～40 kHz頻段水聽器，采用2個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)串聯(lián)的形式制作。單個(gè)水聽器靈敏度不小于-193 dB，串聯(lián)后水聽器靈敏度不小于-178 dB，靈敏度仿真分析結(jié)果如圖8所示。水聽器水平無(wú)指向性(可施加障板調(diào)節(jié)指向性)，3 kHz垂直指向性約為130°，仿真結(jié)果如圖9所示。40 kHz垂直指向性約為73°，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖8 接收換能器1～40 kHz接收靈敏度仿真圖

圖9 接收換能器3 kHz垂直指向性仿真圖

圖10 接收換能器40 kHz垂直指向性仿真圖

接收部分40～100 kHz頻段水聽器采用2個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，工作頻率可滿足40～100 kHz使用，但靈敏度低，串聯(lián)后水聽器靈敏度不小于-180 dB，靈敏度仿真結(jié)果如圖11所示。水聽器水平無(wú)指向性(可施加障板調(diào)節(jié)指向性)，100 kHz垂直指向性約為77°，仿真結(jié)果如圖12所示。

圖11 接收換能器40～100 kHz接收靈敏度仿真圖

圖12 接收換能器100 kHz垂直指向性仿真圖

根據(jù)有限元法進(jìn)行仿真分析，本文設(shè)計(jì)的組合換能器在發(fā)射和接收方面均可滿足設(shè)計(jì)輸入要求，主要技術(shù)指標(biāo)滿足。

2.2 換能器研制

寬帶組合式水聲換能器安裝在小型ROV上使用，在滿足寬頻帶聲學(xué)探測(cè)需求的基礎(chǔ)上，著重小尺寸與輕質(zhì)量設(shè)計(jì)。本文結(jié)合小型ROV總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終研制完成的換能器實(shí)物如圖13所示。具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖13 換能器實(shí)物圖

圖14 換能器實(shí)際尺寸圖

本文設(shè)計(jì)研制的寬帶組合式水聲換能器覆蓋發(fā)射頻段為3～100 kHz，接收頻段為1～100 kHz，實(shí)物總質(zhì)量為9.4 kg(空氣中，含支架及連接纜)，尺寸為328.5 mm×140 mm×240 mm，小于設(shè)計(jì)輸入中關(guān)于尺寸和質(zhì)量的要求，降低ROV搭載能力要求。該換能器匹配安裝在ROV本體上，安裝完成后的實(shí)物如圖15所示。仿真分析結(jié)果可作為設(shè)計(jì)參考輸入，但后續(xù)在實(shí)際研制與調(diào)試過(guò)程中，需根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況進(jìn)行調(diào)整，以滿足實(shí)際使用需求。

圖15 換能器ROV上安裝完工圖

3 試驗(yàn)測(cè)試

寬帶組合式水聲換能器的發(fā)射部分采用3個(gè)獨(dú)立單元，組成覆蓋3～100 kHz的工作頻段，接收部分采用2個(gè)獨(dú)立單元，組成覆蓋1～100 kHz的工作頻段。采用兩端發(fā)射、中間接收的總體布局，確保換能器開角，換能器內(nèi)部設(shè)計(jì)有反聲障板以降低聲信號(hào)的內(nèi)部反射疊加。同時(shí)在接收部分采用可調(diào)節(jié)支架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況進(jìn)行接收換能器高度的有限調(diào)節(jié)，進(jìn)一步擴(kuò)大接收開角，避免換能器殼體及ROV本體遮擋和反射。

研制完成后，為了進(jìn)一步獲得換能器的實(shí)際工作性能，與實(shí)驗(yàn)室通常采用的收發(fā)獨(dú)立測(cè)試方法不同，這里采用換能器整體聲學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試。即整體安裝在ROV上后，模擬實(shí)際工作情況下進(jìn)行換能器的水池測(cè)試，進(jìn)一步確認(rèn)換能器安裝在ROV上后，受ROV結(jié)構(gòu)的影響情況，從而獲得換能器在實(shí)際工作狀態(tài)下的真實(shí)性能參數(shù)。在某消聲水池進(jìn)行綜合測(cè)試，驗(yàn)證其性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況。消聲水池測(cè)試條件為：環(huán)境室溫為25 ℃，測(cè)試電纜長(zhǎng)度3 m，入水深度3 m，環(huán)境水溫20 ℃，絕緣電阻500 MΩ，靜態(tài)電容51 000 pF，測(cè)試距離為6.2 m。實(shí)際測(cè)量結(jié)果如圖16、17所示。

圖16 換能器寬帶發(fā)射聲源級(jí)及指向性曲線圖

圖17 換能器寬帶接收及指向性曲線圖

利用ROV搭載寬帶組合式水聲換能器，對(duì)水面艦船航行尾流氣泡進(jìn)行寬頻帶的水聲探測(cè)，獲得尾流氣泡的相關(guān)聲學(xué)特征及尾流的物理尺寸等信息。具體湖上試驗(yàn)時(shí)，利用水面艦船在水面做高速直航運(yùn)動(dòng)，其艦船長(zhǎng)7.5 m、寬3 m、吃水0.35 m，弦外掛機(jī)的螺旋槳在水下深度為0.8 m。試驗(yàn)水域?yàn)槟澈_闊區(qū)域，區(qū)域平均水深為35 m，艦船經(jīng)過(guò)測(cè)量點(diǎn)時(shí)航速為10節(jié)。ROV搭載本文寬帶組合式水聲換能器進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，重復(fù)測(cè)量中采用不同聲學(xué)頻率組合進(jìn)行探測(cè)，獲得尾流氣泡分布情況測(cè)量結(jié)果如圖18所示。

圖18 不同頻率下的實(shí)航尾流氣泡強(qiáng)度曲線圖

由圖18可看出，實(shí)際測(cè)量艦船尾流氣泡尺寸高密度集中在10～20 μm，該測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)[16]給出的尾流中半徑為10～20 μm氣泡數(shù)密度最高[18-19]相符，證明該換能器在實(shí)際工作環(huán)境下滿足測(cè)試需求。同時(shí)，利用該換能器連續(xù)測(cè)量水面艦船航行后形成的尾流氣泡層，根據(jù)獲得的尾流氣泡聲學(xué)目標(biāo)強(qiáng)度信息，結(jié)合當(dāng)前水聲環(huán)境(如聲速、水深等)及先驗(yàn)數(shù)據(jù)(如換能器靈敏度、發(fā)射聲源級(jí)級(jí)電路增益等)，根據(jù)相應(yīng)處理算法[19-20]估算，獲得其氣泡強(qiáng)度隨深度和時(shí)間變化曲線如圖19所示。

圖19 實(shí)航尾流氣泡強(qiáng)度隨深度及時(shí)間變化曲線圖

由圖19可看出，尾流氣泡持續(xù)時(shí)間約為173 s,實(shí)際測(cè)量中間段尾流氣泡厚度為1.46 m,與常規(guī)尾流計(jì)算公式給出的經(jīng)驗(yàn)公式[21]基本相符。

綜上所述，通過(guò)在消聲水池的整體計(jì)量測(cè)試，測(cè)量結(jié)果表明，換能器實(shí)際性能與仿真結(jié)果基本相符。安裝在ROV平臺(tái)上進(jìn)行湖上實(shí)航試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，該換能器覆蓋頻段寬，結(jié)構(gòu)小，且測(cè)量結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式基本相符，測(cè)量數(shù)據(jù)可信，可滿足水面艦船尾流氣泡的聲學(xué)探測(cè)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種組合式一體化換能器設(shè)計(jì)方法，具有低頻到高頻的寬帶工作頻段，其特征在于，發(fā)射端可覆蓋3～100 kHz，接收端覆蓋1～100 kHz，且開角不小于70°；采用收發(fā)分置布局，發(fā)射在兩端，接收集中在中央，內(nèi)部具有聲學(xué)障板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；換能器內(nèi)部各組件進(jìn)行一體化封裝，整體通過(guò)一個(gè)水密連接器輸出，降低外部連接復(fù)雜度；通過(guò)換能器中心支架結(jié)構(gòu)，使其換能器整體重心調(diào)節(jié)，便于ROV等小型水下航行體的適配和安裝；換能器開放式布局，通過(guò)金屬支架進(jìn)行機(jī)械承力，降低整個(gè)換能器質(zhì)量和尺寸，提高適裝性。

該換能器在較小尺寸限制條件下，具有工作頻段寬、開角較大，質(zhì)量較輕等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用在某小型ROV上，解決了小型ROV平臺(tái)上超寬帶水聲測(cè)試難題，具有較高的軍事及民用價(jià)值。