應(yīng)用于海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量的球形換能器研制

王 帥, 劉文妮，褚廣宇，潘耀宗

(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所 北海研究站, 山東 青島 266112)

0 引言

研究海底沉積物聲學(xué)特性有助于獲得沉積物類型、地層結(jié)構(gòu)、沉積環(huán)境等信息，同時(shí)可進(jìn)一步分析沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)、海底承載力和穩(wěn)定性等[1-2]，對(duì)推動(dòng)我國(guó)海底沉積聲學(xué)研究、海洋工程勘察、海洋減災(zāi)防災(zāi)和國(guó)家海洋安全具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量方法是將聲學(xué)測(cè)量?jī)x器下放到海底，并把探桿(針)置入沉積物中，直接測(cè)量沉積物的聲波和聲衰減系數(shù)。這種方法避免了對(duì)沉積物的擾動(dòng)，且周圍環(huán)境未發(fā)生變化，測(cè)量結(jié)果相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法更接近真實(shí)值。2017年，美國(guó)華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(APL-UW)研發(fā)了一款大深度貫入的原位測(cè)量系統(tǒng)(SAMS)[3-4]，主要用于中低頻聲波的聲速和聲衰減系數(shù)的測(cè)量。聲源由9個(gè)中頻換能器(ITC-1032)和1個(gè)低頻換能器(ITC-1007)組成，10個(gè)發(fā)射換能器的工作頻段為2～10 kHz。2006年，自然資源部第二海洋研究所成功研制了多頻海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)(MFISMSGMS)[5]，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測(cè)量方式類似于美國(guó)的聲學(xué)長(zhǎng)矛。發(fā)射換能器和接收換能器陣上下分置，設(shè)計(jì)測(cè)量深度4～8 m、測(cè)量頻率8～120 kHz內(nèi)的12個(gè)頻點(diǎn)。2009年，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研制了新型海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)(NISSAMS)[6-7]，用于海底表層沉積物聲速和聲衰減系數(shù)的測(cè)量。系統(tǒng)包括1個(gè)發(fā)射通道和2個(gè)接收通道，另有一組反向的換能器備用。測(cè)量最大深度為0.3 m，聲源發(fā)射頻率為10～50 kHz，設(shè)計(jì)工作水深500 m。2010年，自然資源部第一海洋研究所研制了雙向自容式海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)(BSSAP)[8]，測(cè)量頻率為20～40 kHz，近期經(jīng)過升級(jí)換代，測(cè)量頻率擴(kuò)展為8～200 kHz。

雖然我國(guó)已經(jīng)研發(fā)了中高頻海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量技術(shù)與系統(tǒng)，但是低頻聲傳播情況下的聲速、聲衰減系數(shù)等是沉積聲學(xué)研究、海洋工程和國(guó)防建設(shè)更為關(guān)心的聲學(xué)參數(shù)，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品與國(guó)外仍有差距。本文為實(shí)現(xiàn)海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)的低頻聲學(xué)特性測(cè)量，設(shè)計(jì)研制了中低頻球形換能器(SP32K和SP12K)，實(shí)現(xiàn)了與國(guó)外同類型產(chǎn)品(如ITC-1007和ITC-1032)類似的性能，為我國(guó)拓寬海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量頻帶提供了重要保障。

1 球形換能器仿真分析

1.1 球形換能器模態(tài)分析

圖1為國(guó)外ITC-1007與ITC-1032球形換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)曲線[9]。由圖可知，兩種球形換能器的諧振頻率分別為11.5 kHz、32 kHz。

球形換能器的徑向振動(dòng)諧振頻率為

(1)

根據(jù)式(1)計(jì)算可得壓電球殼的尺寸，低頻壓電陶瓷球殼平均直徑為?150 mm，中頻壓電陶瓷球殼平均直徑為?60 mm。根據(jù)計(jì)算得到的壓電陶瓷球殼尺寸對(duì)壓電陶瓷球殼進(jìn)行模態(tài)分析。

圖2為中低頻球形換能器的模態(tài)仿真圖，其中低頻換能器的諧振頻率為12 kHz，中頻換能器的諧振頻率為32 kHz。仿真中兩陶瓷球殼厚度為5 mm，仿真結(jié)果與ITC球形換能器的諧振頻率接近。

1.2 球形換能器頻域分析

對(duì)換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)進(jìn)行頻域分析，其中低頻換能器的仿真頻率為1～20 kHz，中頻換能器的仿真頻率為1～50 kHz。

圖3為中低頻球形換能器仿真模型圖。圖中外部水域與匹配層為水材料，內(nèi)側(cè)圓環(huán)部分為壓電球殼，模型采用軸對(duì)稱模型(對(duì)稱軸為z軸)。壓電陶瓷為徑向極化，材料為PZT4。其余結(jié)構(gòu)采用隔振處理，在仿真中忽略其對(duì)性能的影響。中低頻換能器結(jié)構(gòu)相同，其仿真模型也相近，只有外徑上的差別，壓電陶瓷殼厚均為5 mm。

圖4、5為中低頻球形換能器的發(fā)射特性仿真圖。由仿真計(jì)算得到低頻球形換能器在6～20 kHz頻帶，其發(fā)射電壓響應(yīng)均高于140 dB，最大發(fā)射電壓響應(yīng)為149 dB，與ITC-1007的性能相同。中頻球形換能器在26～40 kHz頻帶，其發(fā)射電壓響應(yīng)高于140 dB，最大發(fā)射電壓響應(yīng)為148 dB，與ITC-1032性能接近。

2 球形換能器裝配與測(cè)試

針對(duì)海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)的坐底特性，保證換能器在系統(tǒng)入水、坐底過程中不會(huì)被損壞，在換能器的端部設(shè)計(jì)有金屬承重結(jié)構(gòu)。在測(cè)量系統(tǒng)坐底過程中，金屬結(jié)構(gòu)會(huì)先與海底進(jìn)行接觸，通過內(nèi)部軟性結(jié)構(gòu)減少接觸時(shí)的沖擊對(duì)內(nèi)部壓電球殼的影響。另外，金屬結(jié)構(gòu)可幫助換能器更易陷入海底泥沙中，更符合底質(zhì)聲學(xué)原位測(cè)量要求。

圖6為中低頻球形換能器實(shí)物圖。裝配后的低頻換能器(型號(hào)：SP12K)外徑?172mm，中頻換能器(型號(hào)：SP32K)外徑?72mm。換能器整體采用聚氨酯材料包裹水密，空氣中質(zhì)量分別為4.2 kg與0.4 kg。兩種換能器在中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所北海研究站消聲水池(20 m×12 m×8 m)中進(jìn)行了性能測(cè)試。

圖7～10分別為中頻(SP32K)與低頻(SP12K)球形換能器在水中的導(dǎo)納、發(fā)射電壓響應(yīng)、接收靈敏度及指向性測(cè)試結(jié)果。由圖可以看出，SP12K換能器的諧振頻率為12 kHz，最大發(fā)射電壓響應(yīng)為149 dB，可工作頻率為2～20 kHz，接收靈敏度平坦段約為-188 dB，在10 kHz處無指向性。SP32K換能器的諧振頻率為32 kHz，最大發(fā)射電壓響應(yīng)為149 dB，可工作頻率為10～50 kHz，接收靈敏度平坦段約為-195 dB，在10 kHz處無指向性。中低頻球形換能器樣機(jī)實(shí)測(cè)性能與仿真結(jié)果較符合。

對(duì)比ITC系列中低頻球形換能器與自研SP12K、SP32K的性能指標(biāo)，如表1、2所示。由表可見，自研的兩種球形換能器性能指標(biāo)與國(guó)外產(chǎn)品性能指標(biāo)基本相同，滿足國(guó)內(nèi)對(duì)同類換能器產(chǎn)品的需求。

表1 低頻球形換能器性能對(duì)比

表2 中頻球形換能器性能對(duì)比

3 結(jié)束語

本文參照國(guó)外低頻海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)采用的ITC-1007與ITC-1032中低頻聲源，研制了對(duì)應(yīng)的國(guó)產(chǎn)化球形發(fā)射換能器SP12K和SP32K。SP12K低頻換能器的諧振頻率為12 kHz，最大發(fā)射電壓響應(yīng)為149 dB，接收靈敏度為-188 dB；SP32K中頻換能器的諧振頻率為32 kHz，最大發(fā)射電壓響應(yīng)為149 dB，接收靈敏度為-195 dB。測(cè)試結(jié)果表明，兩款球形換能器聲學(xué)性能與國(guó)外同類產(chǎn)品基本一致，能夠拓寬海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)的低頻測(cè)量頻帶，滿足國(guó)內(nèi)對(duì)同類換能器產(chǎn)品的需求，為我國(guó)海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)提供基礎(chǔ)保障。