寬帶組合式水聲換能器設計研制及應用

張慶國，黃其培，李興武，連 莉

(昆明船舶設備研究試驗中心，云南 昆明 650051)

0 引言

海洋不僅是重要的漁業與礦產資源寶藏，也是各國維護國家安全和軍事斗爭的重要陣地。因此，水聲技術成為當前海洋資源勘探與開發、艦艇水下通信與導航、水下目標探測與識別，以及海洋環境監測與自然災害預報的重要手段[1-2]。

水聲換能器是水聲技術中聲波發射和接收的載體，其技術水平直接影響甚至決定水聲技術的最終實現效果。主動聲吶探測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平坦等特性[5]。總體上，水聲換能器向低頻、寬帶、大功率、小尺寸和深水[6-7]方向發展。

文獻[8]提出，深水換能器采用內部沖油法工作深度可達11 000 m，利用內部油腔與結構件的耦合形成多模振動，拓寬了換能器的使用頻段。文獻[9]通過多種不同尺寸的溢流式圓管構成多諧振腔，改變圓管的尺寸可調整工作頻率，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500 mm下，實現覆蓋頻段為7～15 kHz，聲源級為200 dB，接收靈敏度為-176 dB，且工作水深達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420 mm，覆蓋頻段為1.8～8.0 kHz，發射響應為144 dB，帶內起伏小于6 dB[11]。

綜上所述，國外在水聲換能器已經覆蓋全工作頻帶，甚至覆蓋全水域，在工程化、系列化及通用化上形成一定規模，代表了行業先進水平。國內各科研院所等相關單位進行了大量的研究和試驗，取得了一定的成績，但在水聲換能器關鍵技術、加工工藝等方面與國外相比，仍存在一定的差距，尤其是在水聲探測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

隨著各國艦艇的降噪技術發展，艦艇自身噪聲級與水下目標輕度不斷降低，魚雷等水下武器裝備多采用寬頻帶水聲換能器[3]，以擴大探測距離，提高復雜水聲混響背景下的檢測能力和命中精度，增強水下目標識別能力。另外，為了應對各國海軍、情報機構、經濟實體甚至國際恐怖組織等，派遣蛙人、自主式水下潛器(AUV)和微型潛艇進行的偵查、破壞、爆炸和布雷作業等活動，多采用小型遙控無人潛水器(ROV)等水下航行體搭載各種探測設備進行安全防護[12-13]，并對其聲納主要技術指標提出具體要求[14]。

本文主要針對水面艦船尾流氣泡聲學探測需求，設計研制一型具備3～100 kHz超寬帶接收與發射功能，可大開角對艦船尾流氣泡進行實時水聲測量，并要求收發功能相互獨立且可控，總體結構需緊湊，物理尺寸小巧，便于安裝在小型ROV上使用。綜合實際需求及實際工況等條件，本文所述的換能器主要技術指標如下：

1) 發射頻率為3～100 kHz，接收頻率為1～100 kHz。

2) 發射聲源級≥189 dB。

3) 接收靈敏度≥-180 dB。

4) 帶內起伏≤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) 質量≤10 kg。

其中，ROV為小型探測結構，其搭載能力受限，所以換能器必須在滿足性能指標的前提下，盡量尺寸小，質量輕，便于實施。

2 換能器設計與研制

2.1 換能器設計與仿真分析

換能器屬于收、發分置結構。發射端利用3個復合棒結構發射換能器聯合實現，分別對應頻段為3～18 kHz、18～45 kHz、45～100 kHz；接收端利用2個壓電陶瓷圓環串聯水聽器實現，其頻段分別為1～40 kHz、40～100 kHz。將上述發射和接收換能器基封裝一體，內部設計有反聲障板。封裝一體后，總質量約9 kg，換能器總體外形為不規整長方體，基礎尺寸約為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備連接。

圖1 水聲換能器總體結構示意圖

針對本文水聲換能器主要技術指標要求，結合 上述設計方案，對其發射及接收性能進行仿真分析。由于本文設計的換能器結構復雜，頻帶覆蓋較寬，不宜采用理論分析方法進行計算仿真。眾所周知，有限元法是當前工程實踐中大量采用的一種數值計算仿真方法[15]。

利用ANSYS軟件模擬一個自由場水域，建立一個換能器簡化模型。在前蓋板正前方的遠場單元中選取一點計算聲壓，即可換算出換能器發射電壓響應。在遠場單元中沿換能器中心選取一定距離各個方向上的聲壓，即可計算該換能器發射指向性開角。由于該復合棒換能器具有軸對稱性，這里選用2D軸對稱換能器有限元模型進行有限元分析。

在使用ANSYS計算時，需要考慮水對換能器的影響，通常等效為水球，然后加載荷進行求解計算，換能器在水中的模型如圖2、3所示。

圖2 發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，其發射換能器均采用雙諧振峰寬帶設計。發射換能器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，單環諧振頻率大于40 kHz，確保工作頻段平坦，內部兩串兩并結構，提高靈敏度和穩定性；接收水聽器40～100 kHz單元采用壓電復合材料，諧振頻率大于100 kHz，以保證帶內平坦度。

本文采用有限元方程為

(1)

式中:M為質量矩陣;C為阻尼矩陣;K為剛度矩陣;U為節點位移矢量;F為載荷矢量。

發射電壓響應級TVR為

(2)

式中：p為節點聲壓；R為節點到聲源等效中心的距離；V為施加的電壓。

在ANSYS中提取聲軸線上節點聲壓p，進行計算即可獲得換能器的發射響應曲線。

實際設計中，水聲換能器的發射部分由3種復合棒發射換能器組成，實現寬帶指向性發射，同時抑制后輻射。發射換能器覆蓋頻段較寬，并主要應用于水聲測量，需具備良好的帶內平坦度，以保證水聲測量的精度。工程上多采用優化換能器輻射頭的尺寸，或控制相位優化降低帶內起伏[16]，以及在雙諧振(或稱“雙激勵”)發射換能器前、后壓電陶瓷堆上串聯電阻等方式[17]，進一步降低換能器發射電壓響應在工作頻帶內的起伏。本文考慮小型ROV搭載的換能器尺寸及質量，以及總體安裝結構，主要采用文獻[17]的方式進行發射換能器帶內起伏抑制，即調整匹配電阻阻值的方法。

假設發射換能器內部前、后壓電陶瓷堆的串聯電阻分別為R1、R2，則調整R1、R2的阻值對發射換能器帶內平坦度進行控制。通過有限元分析，仿真在不同阻值情況下發射換能器的發射響應。以設計的18～45 kHz雙諧振發射換能器為例，仿真分析其發射響應隨電阻阻值變化曲線如圖4所示。由圖可知，調整R1、R2可將發射換能器的頻帶內平坦度進行基本控制，通過優化電阻R1、R2，可得出在R1=940 Ω，R2=330 Ω時,具有較好的帶內平坦度(見圖4中點劃線所示)，且總體帶內發射響應變化不大，可滿足設計所需。

圖4 發射換能器18～45 kHz帶內平坦度曲線圖

結合實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發射換能器發射電壓響應仿真結果,如圖5～7所示。由圖5～7可知，換能器的發射電壓響應在頻帶內不小于140 dB，滿足設計輸入相關技術指標要求，可為水聲遠距離探測提供較大聲源級。

圖5 發射換能器3～18 kHz發射響應仿真圖

圖6 發射換能器18～45 kHz發射響應仿真圖

圖7 發射換能器45～100 kHz發射響應仿真圖

水聲換能器的接收部分由兩組水聽器陣組合實現，每組水聽器陣采用壓電陶瓷圓環串、并聯的方式，實現指向性接收。其中1～40 kHz頻段水聽器，采用2個壓電陶瓷圓環串聯的形式制作。單個水聽器靈敏度不小于-193 dB，串聯后水聽器靈敏度不小于-178 dB，靈敏度仿真分析結果如圖8所示。水聽器水平無指向性(可施加障板調節指向性)，3 kHz垂直指向性約為130°，仿真結果如圖9所示。40 kHz垂直指向性約為73°，仿真結果如圖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個壓電陶瓷圓環串聯結構，工作頻率可滿足40～100 kHz使用，但靈敏度低，串聯后水聽器靈敏度不小于-180 dB，靈敏度仿真結果如圖11所示。水聽器水平無指向性(可施加障板調節指向性)，100 kHz垂直指向性約為77°，仿真結果如圖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

根據有限元法進行仿真分析，本文設計的組合換能器在發射和接收方面均可滿足設計輸入要求，主要技術指標滿足。

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，在滿足寬頻帶聲學探測需求的基礎上，著重小尺寸與輕質量設計。本文結合小型ROV總體結構設計，最終研制完成的換能器實物如圖13所示。具體設計結構如圖14所示。

圖13 換能器實物圖

圖14 換能器實際尺寸圖

本文設計研制的寬帶組合式水聲換能器覆蓋發射頻段為3～100 kHz，接收頻段為1～100 kHz，實物總質量為9.4 kg(空氣中，含支架及連接纜)，尺寸為328.5 mm×140 mm×240 mm，小于設計輸入中關于尺寸和質量的要求，降低ROV搭載能力要求。該換能器匹配安裝在ROV本體上，安裝完成后的實物如圖15所示。仿真分析結果可作為設計參考輸入，但后續在實際研制與調試過程中，需根據實際測量情況進行調整，以滿足實際使用需求。

圖15 換能器ROV上安裝完工圖

3 試驗測試

寬帶組合式水聲換能器的發射部分采用3個獨立單元，組成覆蓋3～100 kHz的工作頻段，接收部分采用2個獨立單元，組成覆蓋1～100 kHz的工作頻段。采用兩端發射、中間接收的總體布局，確保換能器開角，換能器內部設計有反聲障板以降低聲信號的內部反射疊加。同時在接收部分采用可調節支架機構設計，根據實際試驗情況進行接收換能器高度的有限調節，進一步擴大接收開角，避免換能器殼體及ROV本體遮擋和反射。

研制完成后，為了進一步獲得換能器的實際工作性能，與實驗室通常采用的收發獨立測試方法不同，這里采用換能器整體聲學性能指標測試。即整體安裝在ROV上后，模擬實際工作情況下進行換能器的水池測試，進一步確認換能器安裝在ROV上后，受ROV結構的影響情況，從而獲得換能器在實際工作狀態下的真實性能參數。在某消聲水池進行綜合測試，驗證其性能指標的實現情況。消聲水池測試條件為：環境室溫為25 ℃，測試電纜長度3 m，入水深度3 m，環境水溫20 ℃，絕緣電阻500 MΩ，靜態電容51 000 pF，測試距離為6.2 m。實際測量結果如圖16、17所示。

圖16 換能器寬帶發射聲源級及指向性曲線圖

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，對水面艦船航行尾流氣泡進行寬頻帶的水聲探測，獲得尾流氣泡的相關聲學特征及尾流的物理尺寸等信息。具體湖上試驗時，利用水面艦船在水面做高速直航運動，其艦船長7.5 m、寬3 m、吃水0.35 m，弦外掛機的螺旋槳在水下深度為0.8 m。試驗水域為某湖開闊區域，區域平均水深為35 m，艦船經過測量點時航速為10節。ROV搭載本文寬帶組合式水聲換能器進行連續測量，重復測量中采用不同聲學頻率組合進行探測，獲得尾流氣泡分布情況測量結果如圖18所示。

圖18 不同頻率下的實航尾流氣泡強度曲線圖

由圖18可看出，實際測量艦船尾流氣泡尺寸高密度集中在10～20 μm，該測量結果與文獻[16]給出的尾流中半徑為10～20 μm氣泡數密度最高[18-19]相符，證明該換能器在實際工作環境下滿足測試需求。同時，利用該換能器連續測量水面艦船航行后形成的尾流氣泡層，根據獲得的尾流氣泡聲學目標強度信息，結合當前水聲環境(如聲速、水深等)及先驗數據(如換能器靈敏度、發射聲源級級電路增益等)，根據相應處理算法[19-20]估算，獲得其氣泡強度隨深度和時間變化曲線如圖19所示。

圖19 實航尾流氣泡強度隨深度及時間變化曲線圖

由圖19可看出，尾流氣泡持續時間約為173 s,實際測量中間段尾流氣泡厚度為1.46 m,與常規尾流計算公式給出的經驗公式[21]基本相符。

綜上所述，通過在消聲水池的整體計量測試，測量結果表明，換能器實際性能與仿真結果基本相符。安裝在ROV平臺上進行湖上實航試驗驗證，試驗結果表明，該換能器覆蓋頻段寬，結構小，且測量結果與經驗公式基本相符，測量數據可信，可滿足水面艦船尾流氣泡的聲學探測要求。

4 結束語

本文提出一種組合式一體化換能器設計方法，具有低頻到高頻的寬帶工作頻段，其特征在于，發射端可覆蓋3～100 kHz，接收端覆蓋1～100 kHz，且開角不小于70°；采用收發分置布局，發射在兩端，接收集中在中央，內部具有聲學障板結構設計；換能器內部各組件進行一體化封裝，整體通過一個水密連接器輸出，降低外部連接復雜度；通過換能器中心支架結構，使其換能器整體重心調節，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，通過金屬支架進行機械承力，降低整個換能器質量和尺寸，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，質量較輕等優點，已成功應用在某小型ROV上，解決了小型ROV平臺上超寬帶水聲測試難題，具有較高的軍事及民用價值。