ADCP壓電換能器及其校準(zhǔn)方法研究進(jìn)展

周營英，王 敏，何龍標(biāo)，楊 平

(中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

0 引言

聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)是一種水聲學(xué)流速計，利用換能器發(fā)射的脈沖信號在隨水流運動的微小散射體(如浮游生物、氣泡、泥沙等)中產(chǎn)生的多普勒頻移測量流速。相較于傳統(tǒng)的機(jī)械式和電磁式海流計，它不擾動流場，可測量三維的流速和流向，測速范圍大且測試分辨率高，被廣泛應(yīng)用在水文環(huán)境監(jiān)測、河口和海洋流場結(jié)構(gòu)調(diào)查、港口航道流速及流量測試等領(lǐng)域[1]。

ADCP工作頻率從幾十千赫茲到幾兆赫茲，前端的壓電換能器需在一定頻帶內(nèi)按預(yù)設(shè)的信號形式產(chǎn)生聲波，且不失真地接收水中的聲波信號。ADCP按照換能器的結(jié)構(gòu)方式可分為兩類：

1)使用多個獨立的活塞式換能器，內(nèi)部圓盤狀的壓電陶瓷(或其他壓電材料)做伸縮振動，產(chǎn)生垂直于換能器表面的定向聲輻射波束[2]。

2)電極與平面換能器陣列中單個陶瓷元件的頂部和底部垂直連接，利用相控陣技術(shù)，通過時間延遲或相位滯后形成多個波束。壓電換能器作為ADCP的關(guān)鍵部件，其諧振頻率、發(fā)射響應(yīng)、自由場靈敏度、指向性等參數(shù)直接影響測流性能。

此外，由于ADCP長時間工作于海洋環(huán)境中，易受溫度、鹽度、壓力等因素的影響，測量結(jié)果可能出現(xiàn)偏移和偏差，需要定期校準(zhǔn)。該文結(jié)合ADCP儀器自身的發(fā)展，梳理了ADCP壓電換能器及其陣列的研究進(jìn)展，并對壓電換能器及ADCP的校準(zhǔn)方法進(jìn)行簡要概述。

1 ADCP原理及壓電換能器

1.1 ADCP的測流原理

假設(shè)水流速度和方向與微小散射體相同，且水流速度在小空間的相同水平面上是個常量，ADCP的壓電換能器向水中發(fā)射脈沖信號，當(dāng)脈沖信號遇到隨流漂移的微小散射體時發(fā)生后向散射，產(chǎn)生多普勒頻移(即回波信號與發(fā)射信號頻率之差)，部分散射信號返回ADCP，ADCP根據(jù)頻移可計算出流速。若ADCP靜止，經(jīng)公式推導(dǎo)[3]可得

(1)

式中：vb為換能器的相對徑向流速；fd為多普勒頻移；f0為發(fā)射信號的頻率；f1為回波信號的頻率；c為水中聲速；λ為發(fā)射信號的波長。

1.2 ADCP的分類

ADCP根據(jù)信號發(fā)射方式可分為窄帶式、脈沖相干式和寬帶式。窄帶式ADCP發(fā)射單頻矩形脈沖信號，剖面范圍大，但空間分辨率低；脈沖相干式ADCP發(fā)射一對短脈沖，空間分辨率高，但剖面范圍限制在幾十米內(nèi)；寬帶式ADCP發(fā)射2個以上編碼脈沖波系列，結(jié)合了窄帶式的魯棒性和大范圍，以及脈沖相干式的高空間分辨率和低方差，是一種折中方案。ADCP根據(jù)換能器結(jié)構(gòu)方式可分為相控式和常規(guī)式，如圖1所示。常規(guī)式ADCP各換能器獨立產(chǎn)生波束，各個波束的指向均與水平面成相同的角度，換能器的安裝要求較高。相控式ADCP由1個平面換能器陣列經(jīng)相控技術(shù)通過柵瓣形成多個傾斜波束，體積小，從機(jī)理上免除了對聲速的補償，提高了測速精度。

1.3 ADCP中的壓電換能器

1.3.1 壓電換能器

ADCP對接收到的聲波信號進(jìn)行處理并解算出流速，因此，從前端壓電換能器獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是提升性能的先決條件。壓電換能器能實現(xiàn)電能和聲能的相互轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)主要包括壓電陶瓷片、匹配層、背襯、引出電纜和外殼等，其參數(shù)指標(biāo)主要有工作頻率、頻帶寬度、指向性、機(jī)電耦合系數(shù)、轉(zhuǎn)換效率、發(fā)射響應(yīng)、接收靈敏度和阻抗特性等。不同的使用場合和使用途徑下，換能器參數(shù)指標(biāo)也不同，所以在設(shè)計壓電換能器時需要綜合考慮耐壓、環(huán)境適應(yīng)和寬帶匹配等問題。

ADCP中的壓電換能器一般為圓盤形狀，利用壓電材料自身或外殼承壓，這種方式存在一定的深度限制[4]。壓電材料一般包括壓電單晶、壓電陶瓷和壓電復(fù)合材料，壓電單晶(如鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)與鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛(PZN-PT))的壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)高于壓電陶瓷，但生長工藝復(fù)雜，成本高；壓電復(fù)合材料靈敏度高、聲特性阻抗低，但制作工藝復(fù)雜，其中高分子材料的使用影響陶瓷的有效面積和聲特性阻抗；壓電陶瓷縱向機(jī)電耦合系數(shù)較高、介電損耗較小，且原料成本低，易于加工，生產(chǎn)周期短[5]，是目前應(yīng)用最廣泛的壓電材料。

ADCP中的壓電換能器一般由壓電陶瓷(如PZT4)材料制成[6-8]。RDI公司的150 kHz換能器使用壓電陶瓷圓盤，通過聚氨酯封裝在一個帶有背襯材料的金屬杯中，背襯材料不可壓縮，以確保換能器在壓力下不會破裂。通過沉積在壓電陶瓷表面的銀電極層施加電場，壓電陶瓷圓盤在電場作用下膨脹或收縮，產(chǎn)生垂直方向的波束。圖2是150 kHz換能器波束圖。由圖可知，波束角約為4°，在距離主瓣15°外，旁瓣相較于主瓣被抑制35 dB以上[9]。

除壓電陶瓷外，使用壓電復(fù)合材料也可進(jìn)行ADCP換能器的設(shè)計。壓電復(fù)合換能器通常是主動壓電陶瓷和被動聚合物的組合，從壓電陶瓷的實心塊或圓盤開始，通過切割去除活性材料，形成深凹槽，后填充被動聚合物降低泊松比，從而提高靈敏度。如Nortek的Signature55 ADCP使用了蘇格蘭阿伯丁生產(chǎn)的壓電復(fù)合元件，能夠?qū)崿F(xiàn)1 000 m范圍內(nèi)的流速測量，在相同輸出功率下，相較當(dāng)時RDI的75 kHz ADCP,Signature 55 ADCP的剖面測量范圍比RDI多200 m[10]；中國科學(xué)院聲學(xué)所設(shè)計的相控式換能器也使用了復(fù)合材料的壓電片[11]。圖3為Morgan公司用于ADCP換能器中的壓電復(fù)合元件，由一系列經(jīng)過改良的軟壓電陶瓷材料制成，如PZT5H1或PZT5A1，其具有更高的靈敏度。

溫度是換能器環(huán)境適應(yīng)的一個重要方面。壓電換能器是多材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，在高低溫條件下，若不同材料的變形量差異較大,則會出現(xiàn)破損現(xiàn)象，所以換能器在選取材料時，除了要保證耐壓，還要有一定的環(huán)境適應(yīng)性，要同時考慮各部分材料的適配度。

在寬帶匹配方面，一般通過合理設(shè)計換能器的幾何參數(shù)、在輻射端添加匹配層以及電學(xué)匹配等方法拓寬帶寬。ADCP經(jīng)歷了窄帶和寬帶測速階段，對于窄帶式ADCP，發(fā)射和接收帶寬約為標(biāo)稱工作頻率的2%，寬帶式ADCP則需要約25%～50%的帶寬。1987年，RDI公司在研制寬帶ADCP時，通過電調(diào)諧和阻抗匹配的方法，拓寬了300 kHz換能器的帶寬，達(dá)到了3 dB帶寬約為載波頻率70%的目標(biāo)[12]。

除了上面提到的耐壓、環(huán)境適應(yīng)和寬帶匹配問題，合理設(shè)計壓電換能器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可提升其性能[13-14]。如Rowe公司針對壓電陶瓷圓盤的軸向和徑向耦合振動現(xiàn)象，在偏振方向上采用了部分切割的設(shè)計，減少了耦合振動[14]。眾所周知，沿壓電陶瓷圓盤厚度方向的第一模式?jīng)Q定了換能器的共振頻率，圓盤的直徑?jīng)Q定了輻射的表面，但是當(dāng)圓盤的長徑比(厚度與直徑之比)為0.1～0.5時，會產(chǎn)生軸向和徑向的耦合振動，降低圓盤的機(jī)械性能，破壞頻譜和聲輻射模式，因此，一般將圓盤厚度和直徑之比控制在遠(yuǎn)小于或遠(yuǎn)大于1。圖4是部分切割后的壓電陶瓷圓盤。結(jié)構(gòu)為多個立方體和薄圓盤，立方體以3-3模式振動，薄圓盤具有較小的長徑比，從而減少了耦合振動，提高了機(jī)電耦合系數(shù)。

1.3.2 壓電換能器陣列

理論上，為了獲得水域的三維流場，ADCP至少需要裝配3個不同方向且獨立的換能器。圖5是ADCP常用的換能器陣型結(jié)構(gòu)。從左向右依次是3波束Convex結(jié)構(gòu)、4波束Janus結(jié)構(gòu)、4波束Cyclops結(jié)構(gòu)、5波束Janus結(jié)構(gòu)。相比3波束，4波束能得到更多信息，可驗證水體的均勻性，減少因俯仰和旋轉(zhuǎn)引起的水平速度誤差。5波束在4波束的基礎(chǔ)上能同時測量水跟蹤流速和底跟蹤速度，使水底深度的測量更穩(wěn)健。這些陣型結(jié)構(gòu)中每個換能器由單獨的信號驅(qū)動，通常所有換能器為并聯(lián)連接，操作簡單。但是需要嚴(yán)格控制多個換能器的對稱性和一致性，還需要一個較大的機(jī)械結(jié)構(gòu)作支撐，換能器的凹凸平面影響了測流流場，測流時需要補償由聲速帶來的誤差。

自ADCP問世以來，一直在努力優(yōu)化尺寸、質(zhì)量、精度、成本、范圍和性能，以擴(kuò)大其適用性。在以上陣型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，ADCP在換能器陣列方面有較大進(jìn)展，從陣列方面入手改善了ADCP的局限性。ADCP的壓電換能器為收發(fā)合置，壓電陶瓷片受交流電激勵產(chǎn)生振動，發(fā)射脈沖信號，當(dāng)發(fā)射脈沖結(jié)束后，壓電陶瓷因慣性并不立即停止振動，這種余振“拖尾”的時間所對應(yīng)的空間即盲區(qū)，需要等余振消失后才可接收回波，所以無法測得盲區(qū)的流速。Nortek公司開發(fā)了零盲區(qū)“Z-Cell”ADCP[15]，如圖6所示，在之前3波束的基礎(chǔ)上添加3個水平定向均勻分布的換能器，解決了盲區(qū)測流的難題。

當(dāng)ADCP工作于深海海區(qū)時，幾何擴(kuò)展損失急劇增大，必須采用較低的工作頻率，但低頻所需的換能器尺寸較大。1995年，RDI公司的75 kHz ADCP的單個換能器直徑約為?1 m，質(zhì)量為120～160 kg，如果使用相同的方法制造38 kHz ADCP，換能器的直徑約?2 m，質(zhì)量增加1個數(shù)量級，這將帶來諸多不便。相較于低頻活塞式ADCP的大尺寸，相控式ADCP的平面陣與活塞式中一個換能器大小相近，平面陣包括大量方形或圓形的小型壓電換能器元件，間距一般為載波頻率波長的1/2。相控式ADCP利用波束形成的特殊情況，控制相位產(chǎn)生多個波束，其換能器表面平坦，呈流線型結(jié)構(gòu)，可消除平行于換能器表面因聲速帶來的速度分量誤差。相同尺寸下，相控式工作頻率更低，測量深度更深，一個給定尺寸的典型相控式換能器比類似尺寸的活塞傳感器平均多了15%的量程[16]，但相控式ADCP對換能器陣列設(shè)計以及制造要求較高，且需要單獨的發(fā)射和接收波束形成電路。RDI公司完成了38 kHz寬帶相控陣ADCP的開發(fā)和試驗工作[17]，如圖7所示，陣列由988個38 kHz活塞換能器組成，陣元間距為半波長，陣列直徑約?1 m，厚度105 mm，可同時產(chǎn)生4個波束，測量1 000 m水深的海流剖面。單個波束發(fā)射的聲源級約為224 dB，波束角為3.88°，波束之間的串?dāng)_降低至-35 dB。

2009年，Vogt公開了一種測量流速的系統(tǒng)并簡單介紹了換能器的結(jié)構(gòu)[18]，其中的換能器為相控式，圖8為其三維視圖。圖中，陶瓷元件通過頂部和底部上兩塊薄的、透明的柔性印刷電路進(jìn)行電氣和機(jī)械連接，使用粘合劑按照列和行將導(dǎo)線粘合，構(gòu)成二維陣列；玻璃纖維材料用于改善陣列和水之間的耦合阻抗，增加換能器元件的帶寬；聚氨酯用來密封；充氣紙板用來反射向后傳輸?shù)穆暷堋Ｖ?，Rowe公司提出了一種與子陣列單側(cè)電極連接的方法，改善了二維陣列技術(shù)的雙面電極互連，降低了制造成本[19]。

2022年，中國科學(xué)院聲學(xué)所設(shè)計了一種八波束寬帶相控陣換能器(見圖9)，實現(xiàn)了兩個垂直方向上各有4個波束的八波束，提高了回波信號強度，更有利于計算多普勒頻移[11]。

除在相控式ADCP方面的設(shè)計，一些公司和學(xué)者通過換能器陣列實現(xiàn)多頻聯(lián)合，如采用多頻電子和固件模塊實現(xiàn)換能器雙頻，75 kHz和300 kHz、300 kHz和1 200 kHz、600 kHz和2 400 kHz等組合[2]。RTI的SeaSEVEN ADCP(見圖10)能在兩個不同的頻率下進(jìn)行信號收發(fā)，較低的頻率提供更大的剖面范圍，較高的頻率提供更高的速度分辨率，相比單一頻率的ADCP，其具有更高的精度和更大的剖面范圍。

2019年，另一種形式的雙頻活塞式ADCP被提出，其配置有4個高頻換能器和4個低頻換能器，能夠同時或順序地形成兩個重疊聲束。如圖11所示，高頻圓盤換能器在低頻圓盤換能器的內(nèi)部，其厚度為低頻的1/4，兩個換能器具有相同或相近的波束角度，可相互獨立配置[20]。

相控式ADCP也在朝多頻的方向發(fā)展，如圖12所示。Sarangapani設(shè)計了一種新型的雙頻相控式換能器，工作在兩個基頻(38 kHz和300 kHz)下，能在遠(yuǎn)場形成獨立的窄波束。不同基頻基于換能器結(jié)構(gòu)中不同材料的不同尺寸，300 kHz換能器是由直徑?160 mm的未加工的圓盤陶瓷切割而成，38 kHz換能器的直徑為?770 mm，包含900個單獨的壓電元件，間隔為半波長[21]。多頻相控式包含多元件，額定壓力較低，無法用于深海部署。

2 壓電換能器及ADCP的校準(zhǔn)

ADCP作為一種有效的測量流速和流量的工具，若長時間采用不變的出廠數(shù)據(jù)，缺乏科學(xué)的量值溯源，可能引入較大的測量偏差。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)在2014年要求所有直接從制造商處購買的ADCP在投入使用前，都將在數(shù)據(jù)庫進(jìn)行注冊和跟蹤，且以3年為周期在實驗室進(jìn)行質(zhì)量保證檢查[22]，故需定期對ADCP進(jìn)行校準(zhǔn)。壓電換能器是ADCP的關(guān)鍵部件，對其校準(zhǔn)是檢查換能器性能的基礎(chǔ)，也是研制與生產(chǎn)過程中必不可少的環(huán)節(jié)。

2.1 壓電換能器的校準(zhǔn)

2.1.1 壓電換能器的校準(zhǔn)參數(shù)

國家計量技術(shù)規(guī)范JJF 1861-2020《1 kHz～200 kHz水聲換能器校準(zhǔn)規(guī)范》中建議水聲換能器的校準(zhǔn)參數(shù)為等效電阻抗模(等效電導(dǎo)納模)、自由場靈敏度級、發(fā)送電壓響應(yīng)級、發(fā)送電流響應(yīng)級、聲源級和指向性[23]。其中，較為重要的參數(shù)是靈敏度級、發(fā)送響應(yīng)級和指向性。

2.1.2 壓電換能器的校準(zhǔn)方法

目前水下壓電換能器校準(zhǔn)一般是自由場校準(zhǔn)法，包括互易法和比較法。等效電阻抗模是通過設(shè)置不同頻率下的脈沖調(diào)制正弦信號，讀取電壓和電流的取樣信號和取樣系數(shù)后經(jīng)計算校準(zhǔn)。自由場靈敏度、發(fā)送電壓響應(yīng)級、發(fā)送電流響應(yīng)級和聲源級則采用自由場比較法，應(yīng)用脈沖聲技術(shù)，在自由場遠(yuǎn)場條件下布放被校換能器和標(biāo)準(zhǔn)換能器，測量相應(yīng)的物理量進(jìn)行校準(zhǔn)。指向性是通過升降回轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)換能器，測量各方向上的電壓輸出，進(jìn)行歸一化處理得到。

2.2 ADCP的校準(zhǔn)

2.2.1 ADCP的校準(zhǔn)參數(shù)

ADCP本質(zhì)上是一個測量流速的系統(tǒng)，若要對其進(jìn)行全面的校準(zhǔn)，就必須校準(zhǔn)影響流量的所有因素，保證測量數(shù)據(jù)的溯源性。如圖13所示，ADCP校準(zhǔn)主要針對聲性能、定向性能、縱橫搖性能。其中聲性能與壓電換能器相關(guān)，決定了水跟蹤、底跟蹤和測深性能。水跟蹤性能校準(zhǔn)是ADCP校準(zhǔn)的核心[24]。下面主要介紹水跟蹤性能的校準(zhǔn)方法。

2.2.2 ADCP的校準(zhǔn)方法

GB/T 24558—2009《聲學(xué)多普勒流速剖面儀》[25]中規(guī)定ADCP的流速校準(zhǔn)方法為水槽拖車試驗、同步比測和自身航行試驗。《HY/T 102-2007聲學(xué)多普勒流速剖面儀檢測方法》[26]中建議ADCP的校準(zhǔn)方法為GPS檢測法和同類型測流儀器檢測法，GPS檢測法與自身航行試驗原理相同，同類型測流儀器檢測法屬于同步比測。除了上述方法，目前許多學(xué)者通過仿真回波信號[27-29]來校準(zhǔn)ADCP。

ADCP的校準(zhǔn)是將流速參考值與ADCP解算值進(jìn)行對比，每種校準(zhǔn)方法的本質(zhì)是相通的。水槽拖車試驗是將ADCP固定在拖車上，軌道上的拖車以設(shè)定的若干速度穩(wěn)定牽引ADCP，使ADCP與水產(chǎn)生相對運動，水中包含懸浮的顆粒物作為微小散射體，測量拖車處于勻速時的速度，并將其與ADCP測試值進(jìn)行比對校準(zhǔn)。同步比測是將待校準(zhǔn)的ADCP與經(jīng)過校準(zhǔn)的參考ADCP同時測量同一水體，并將兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。自身航行試驗是將ADCP安裝于試驗船上，搭載滿足要求的航向測量儀和導(dǎo)航定位儀(如GPS)，使試驗船閉合、正交或往返回路航行。ADCP使用底跟蹤方式進(jìn)行船速測量，將導(dǎo)航定位儀和ADCP測得的流速數(shù)據(jù)分別統(tǒng)計平均后進(jìn)行比對校準(zhǔn)。除了上述的產(chǎn)生真實參考流速外，聲波應(yīng)答法是通過設(shè)置回波信號相對于發(fā)射信號的頻偏來實現(xiàn)速度矢量的模擬，ADCP接收到模擬信號后解算出流速值，與預(yù)先設(shè)置信號所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)流速值進(jìn)行比對校準(zhǔn)。

3 結(jié)束語

該文綜述了ADCP中的壓電換能器及其陣列的研究進(jìn)展，重點介紹了換能器陣列結(jié)構(gòu)對ADCP性能的影響，此外還簡要概述了壓電換能器及ADCP整機(jī)的校準(zhǔn)方法。隨著新型有源壓電材料的發(fā)展、新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)、加工技術(shù)水平的提高以及仿真建模技術(shù)的進(jìn)步，不斷推動壓電換能器及ADCP儀器的發(fā)展。ADCP朝著低頻、雙頻/多頻聯(lián)合測流、大深度海流測量、模塊化等方向發(fā)展，其校準(zhǔn)方法向高精度、低成本、大量程、快速等方向發(fā)展，相信未來ADCP壓電換能器和ADCP系統(tǒng)都能取得更大的進(jìn)步。