水聲對抗器材用換能器的現狀與發(fā)展?

呂 琳

（91388部隊91分隊 湛江 524022）

1 引言

近年來，隨著水聲換能器技術、信號檢測技術、聲傳播理論和應用的快速發(fā)展，水聲對抗技術也隨之得到發(fā)展并日益受到各國海軍的高度重視，它不僅是提高各種艦艇和潛艇自身生存能力的重要措施，同時也是取得水下作戰(zhàn)主動權的決定性因素之一。

水聲對抗按對象可分為聲納對抗和魚雷對抗。聲納對抗手段包括誘騙、干擾、壓制等，使聲納丟失目標或出現假目標。魚雷對抗則包括對魚雷的檢測、預警和殺傷等。其中殺傷方式可分為軟殺傷和硬殺傷。軟殺傷是指利用誘騙、干擾、壓制手段使來襲魚雷迷失方向或者航程耗盡。硬殺傷是指采用爆炸、撞擊、引爆、攔截等方式使魚雷受到毀傷或航程截止。目前，水聲對抗領域裝備最多、應用最廣泛的對抗器材就是軟對抗器材，其發(fā)展歷史較長，技術較完善，對抗效果也較好。硬對抗是新發(fā)展的技術，軟硬結合是水聲對抗技術的發(fā)展趨勢。

水聲對抗器材通常通過器材發(fā)射管或魚雷發(fā)射管發(fā)射，對器材的直徑、體積和質量等有嚴格的限制。隨著裝備技術的發(fā)展，艦艇設備數量逐漸增多，艦艇空間日益緊張。為了在不降低水面艦和潛艇（以下簡稱艦艇）載彈量（即攻擊性能）的前提下提高艦艇水聲對抗能力，必然對水聲對抗器材的體積重量提出更高的要求，同時，出于對抗敵遠程主動和被動聲吶的需要，水聲對抗器材也提出將工作頻率向甚低頻拓展的目標，以上因素決定了作為水聲對抗器材核心部件的換能器（以下簡稱水聲對抗換能器）具有低頻、寬帶、大功率、小尺寸的鮮明的特點。本文對水聲對抗換能器的發(fā)展進行了介紹，分為常規(guī)換能器和新型換能器兩個部分，接下來將分別闡述。

2 常規(guī)換能器

目前水聲對抗換能器有圓管換能器、鑲拼圓環(huán)換能器、彎張換能器等等，這些換能器都具有大功率、大開角的特點，非常適合應用于水聲對抗器材上。

2.1 圓管換能器

圓管換能器是最常用的聲學換能器單元之一，其結構簡單、成本低廉、工作性能穩(wěn)定，特別是其水平方向不呈現指向性的特點，非常適合應用于水聲對抗器材中。國際上多型中小口徑聲誘餌均選用圓管換能器。如意大利的C3xx等［13］。圓管換能器結構見圖1，外形呈薄壁圓管結構，使用中常采用封裝和自由溢流兩種方式，自由溢流式換能器內腔可進海水，適合做深水發(fā)射器，其發(fā)射工作頻率一般在數十千赫左右。工作帶寬約為1個倍頻程。近年來，國內外有學者利用換能器的徑向模態(tài)和長度模態(tài)耦合，研制出2～3個倍頻程工作帶寬的圓管換能器，進一步提高了圓管換能器的工作性能［5］。

圖1 圓智換能器結構圖

2.2 鑲拼圓環(huán)換能器

鑲拼圓環(huán)換能器如圖2所示，換能器由n個同樣尺寸的梯形陶瓷片鑲嵌而成，陶瓷片的極化方向沿切線方向。為避免不同壓電陶瓷片之間振動方式不一致，相鄰兩片壓電陶瓷片極化方向相反，陶瓷片采用并聯方式連接。該類型換能器有下列優(yōu)點：1）具有較大的機電耦合系數；2）克服了大型壓電陶瓷圓柱燒結的難題，容易制作大尺寸的低頻換能器。3）外形結構利于聲誘餌的共形安裝。該類型換能器可以滿足數百赫茲至十幾千赫茲的大功率發(fā)射要求，目前已應用于國際上多款大中型水聲對抗器材中如美國的MK30等，均能達到較好的作戰(zhàn)效能。

圖2 鑲拼圓環(huán)換能器結構圖

2.3 彎張換能器

彎張換能器首次出現于1966年toulis的專利中，它的振動模式是由驅動元件的伸張振動和殼子的彎曲振動組合而成，通常分為如圖3所示的7種類型［6］，彎張換能器具有低頻、寬帶、大功率、小尺寸的特點。傳統(tǒng)的低頻換能器中，tonpilz和鑲拼圓環(huán)若要做到甚低頻，設計尺寸將非常可觀，動圈等換能器雖然能做到較低的頻率，但是其工作深度又不能達到要求，彎張換能器的出現，為低頻聲誘餌的設計提供了一個較好的解決方案。如美國的MK30型聲誘餌，其低頻段即采用彎張換能器制成，最低工作頻率達到100Hz［13］，目前在彎張換能器中，應用最多的是III型和IV型兩種。

圖3 彎張換能器類型

3 新型換能器

隨著聲吶技術的發(fā)展，對聲誘餌技術也提出了新的要求，目前國際上聲誘餌的發(fā)展趨勢有兩種，一是將工作頻率進一步降低以對抗岸基警戒聲吶，二是尺寸減小以實現快速裝填及多點布放。這就要求換能器要有更小的體積和更低的工作頻率，常規(guī)換能器已經難以滿足使用要求，針對這些迫切問題，近年來國內外開始加強適用于對抗器材的新型換能器的研究，取得很大進展。

3.1 彎曲圓盤組合式換能器

彎曲圓盤組合式換能器是21世紀初發(fā)展起來的一種大功率、小尺寸換能器系統(tǒng)。該換能器通過基元間的互輻射作用，可以降低諧振頻率，實現低頻，大功率發(fā)射的目的。其基元結構如圖4所示。彎曲圓盤換能器基元是采用兩片對稱發(fā)射的雙疊片，通過薄圓環(huán)連接在一起，薄圓環(huán)與雙疊片粘接，形成邊緣簡支條件。上下兩片陶瓷片安裝時正負極方向相反，當外加信號時，陶瓷片徑向收縮帶動金屬片進行彎曲振動，從而向外輻射聲波。構成彎曲圓盤組合式換能器的各個彎曲圓盤基元在高度方向上按一定間隔密排堆疊而成，當換能器工作時，基元間強烈的互輻射作用會增大換能器基元間的輻射阻和等效質量抗，由公式可知組合式換能器的諧振頻率隨著等效質量抗的升高而降低。利用該換能器形式，我們可以在小型聲誘餌上實現低頻工作性能，如意大利的C3xx系列聲誘餌，其直徑為123.8mm，工作頻率范圍為數十千赫，若采用彎曲圓盤組合式換能器，可以將其工作頻率拓展到1kHz以下，同時具備小型誘餌靈活機動的特點，將大大提高聲誘餌的作戰(zhàn)效能［7～8，12］。

3.2 開縫圓環(huán)換能器

開縫圓環(huán)換能器是新發(fā)展起來的低頻小尺寸換能器的典型代表。其基本結構如圖4所示，壓電陶瓷梯形長條片拼接成內部的壓電陶瓷環(huán)，壓電陶瓷環(huán)沿高度方向開一條狹縫，以降低結構的等效剛度；緊靠壓電陶瓷環(huán)外表面包覆輕質材料如碳纖維、鋁合金等作為輻射殼體；殼體外部包覆透聲橡膠實現水下密封［9～11］。換能器工作時，壓電陶瓷驅動開縫殼體在開縫附近作擴張振動，向外發(fā)射聲波。有研究人員研制出的換能器樣機，直徑約為300mm，諧振頻率可以達到 100Hz以下［9］，而且該換能器可以做成溢流結構，理論上沒有深度限制，非常適合甚低頻聲誘餌設備的要求。

圖4 開縫圓環(huán)換能器示意圖

4 結語

近年來，我國周邊海域安全形勢日趨緊張，為應對復雜的國際局勢，海軍需要加速推行轉型建設和現代化建設，以捍衛(wèi)國家安全，保障我國經濟建設成果。水聲對抗器材是現代化海軍作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要組成部分，而換能器是水聲對抗器材的核心部件，本文對一些適用于水聲對抗器材的換能器進行了介紹，并根據器材的需求，對一些新型換能器的發(fā)展方向也進行了跟蹤。