水聲換能器研究現(xiàn)狀與發(fā)展

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      【作者簡介】文/吳銳鋒 王一博 胡童穎 崔廷放，來自廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局。

        文章來自《傳感器技術(shù)與應(yīng)用》（2023年第2期），參考文章略，版權(quán)歸出版單位與作者所有，用于學(xué)習(xí)與交流，轉(zhuǎn)載也請備注由“溪流之海洋人生”微信公眾平臺編輯與整理。

一、引言

        當(dāng)今世界各國積極發(fā)展海洋軍事的戰(zhàn)略中不難發(fā)現(xiàn)，探測安靜型、隱形化目標(biāo)，發(fā)展海洋裝備從而加強海上防御能力，都是不可或缺的一部分。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展先進的材料、隱身技術(shù)、傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)使得潛艇作戰(zhàn)和反潛作戰(zhàn)變得越來越困難；基于水聲技術(shù)進行海上軍事競爭、海洋研究、礦產(chǎn)資源調(diào)查與評估和現(xiàn)代航海安全保障等成為必不可少的手段之一。

        水聲換能器作為“水聲設(shè)備耳目”能夠發(fā)射或接收聲波，并完成聲波所攜帶的信息和能量與電信號間的轉(zhuǎn)換，在海洋裝備中得到廣泛應(yīng)用。水聲換能器一次次的技術(shù)進步也是水聲技術(shù)長足發(fā)展的重要前提和基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)海軍攻防和海洋資源調(diào)查與評估，各國學(xué)者一方面加強水聲物理和信號處理方法的基礎(chǔ)研究，另一方面加強水聲換能器和基陣技術(shù)的研究，重點研究新機理、新材料、新工藝及布陣技術(shù)，從而提出了新結(jié)構(gòu)，改善和提升了水聲換能器的綜合技術(shù)性能。本文通過闡述水聲換能器在功能性材料、換能器及水聽器技術(shù)取得的國內(nèi)外領(lǐng)先成果和應(yīng)用現(xiàn)狀，最后，對我國水聲換能器的發(fā)展動態(tài)談些認(rèn)識與展望。

二、水聲換能器技術(shù)研究進展

        水聲換能器技術(shù)研究領(lǐng)域涉及物理學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)、化學(xué)及機械學(xué)等在內(nèi)的多學(xué)科交叉和學(xué)科融合，因此水聲換能器的發(fā)展與其他基礎(chǔ)學(xué)科關(guān)系密切，并且各個關(guān)聯(lián)學(xué)科的研究進展也成為水聲換能器發(fā)展的制約因素。理論上的不斷創(chuàng)新正推動水聲換能器技術(shù)逐步突破水下高效穩(wěn)定信號傳輸難題，特別是目前采用新型材料、新工藝布置、設(shè)計新結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了水聲換能器綜合技術(shù)性能的改善和提升。水聲換能器技術(shù)創(chuàng)新的直接動力來自于軍事和民用等領(lǐng)域?qū)λ曂ㄐ偶夹g(shù)需求的提高。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展與研究，水聲換能器技術(shù)逐漸進入系統(tǒng)性和全局性發(fā)展階段。本文將從水聲換能器功能性材料技術(shù)、水聲換能器、水聽器技術(shù)分別闡述。

        ⒈換能器功能性材料研究進展

        1915年法國著名物理學(xué)家朗之萬教授和俄國電氣工程師希洛夫斯基采用電容發(fā)射器和碳粒接收器進行了水聲實驗，研制成世界上第一臺將水聲技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合的聲吶，并很快應(yīng)用一戰(zhàn)。二戰(zhàn)期間英美重點發(fā)展了主動式聲吶，使用磁致伸縮換能器和人工壓電晶體換能器，發(fā)射功率0.5～0.8千瓦，頻率為超聲頻段(20到30千赫)，主動探測距離為1到1.5海里，被動探測距離為2～3海里。二戰(zhàn)以后，新材料技術(shù)，電子技術(shù)和計算技術(shù)的迅速發(fā)展大大推動了聲吶技術(shù)的發(fā)展。60年代初出現(xiàn)一批新型聲吶。70年代由于大規(guī)模集成電路和數(shù)字計算機進入聲吶技術(shù)領(lǐng)域，出現(xiàn)了全數(shù)字化聲吶。20世紀(jì)50年代至今，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料(PZT)、稀土超磁致伸縮材料(Terfenol-D)、弛豫鐵電單晶(PMN-PT和PZN-PT)等典型材料得到廣泛應(yīng)用。

        ⑴弛豫鐵電單晶材料

        20世紀(jì)90年代壓電單晶鈮鎂酸鉛–鈦酸鉛(PMN-PT)與鈮鋅酸鉛–鈦酸鉛(PZN-PT)被發(fā)現(xiàn)，由于其具有超高的壓電性能，壓電常量d33達2000pC/N，機電耦合系數(shù)k33達92%，電致伸縮應(yīng)變最大達1.7%，顯示了其在水聲換能器方向上增大功率和展寬頻率帶寬的潛在優(yōu)勢，在國際上引起人們對弛豫鐵電單晶超高壓電性能形成機理的研究熱潮。近些年逐漸發(fā)展了三元系鈮銦酸鉛–鈮鎂酸鉛–鈦酸鉛(PIN-PMN-PT)和錳摻雜鈮銦酸鉛–鈮鎂酸鉛–鈦酸鉛(Mn:PIN-PMN-PT)壓電單晶體材料，進一步改善了高電場條件的工作特性。目前美國CTS和TRS是國際上提供弛豫鐵電單晶產(chǎn)品的主要公司，國內(nèi)單位主要以中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等為主。

        相比于PZT陶瓷材料，弛豫鐵電單晶更適合于高效率、高靈敏度收發(fā)換能器的研制。在海軍攻防方面，美國海軍水下作戰(zhàn)中心(NUWC)研究了PMN-PT弛豫鐵電單晶體材料在電場和預(yù)應(yīng)力作用下的特性，認(rèn)為其力學(xué)性能基本滿足換能器預(yù)應(yīng)力設(shè)計要求，設(shè)計并研制出一種拼鑲柱形換能器，利用PMN-PT弛豫鐵電單晶較高的3-3模，在徑向上產(chǎn)生伸縮振動，獲得較高頻帶的全向換能器；利用PMN-PT和PZT4陶瓷、PIN-PMN-PT及Mn:PIN-PMN-PT制作縱向水聲換能器(Tonpilz換能器)，通過對比更適用于大功率、高占空比的換能器應(yīng)用中，在最大聲源下比PMN-PT的源水平提高5dB，與PZT4換能器相比，在諧振時源電平和功率處理能力相當(dāng)，可用帶寬卻增加1倍，在諧振頻率外的最大源電平提高6dB。國內(nèi)企業(yè)中國船舶第715研究所、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所等單位在利用PMN-PT單晶，發(fā)展單晶水聲換能器方面也取得許多重要的進展。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所采用PIN-PMN-PT單晶和PZT-4壓電陶瓷混合激勵，研制了外徑86mm、長度80mm的小尺寸換能器如圖1所示，該換能器實現(xiàn)了小尺寸、寬帶(13～38kHz)、高發(fā)送電壓響應(yīng)(144.9dB)的優(yōu)良特性。

圖1 弛豫鐵電單晶/壓電陶瓷混合激勵換能器

        ⑵稀土超磁致伸縮材料

        稀土超磁致伸縮材料(Terfenol-D)是一種新型的磁致伸縮功能材料，即便是在低磁場作用下產(chǎn)生的應(yīng)變值也能高達(1500～2000)×10−6，比鎳大40～50倍，比PZT大5～8倍，聲速低、尺寸小，居里點高，因為其巨大的磁致伸縮系數(shù)，被人們稱為超磁致伸縮材料。采用稀土超磁致伸縮材料制造的換能器其能量密度不僅是壓電換能器的10倍，工作距離是傳統(tǒng)的壓電換能器也是傳統(tǒng)壓電換能器的幾十倍，表1列出Terfenol-D、Ni及PZT材料的物理性能比較，從表中可以很直觀看出三種材料的優(yōu)缺點。

        由于稀土超磁致伸縮材料物理性能優(yōu)勢，在海防軍工、海洋探測等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于研制大功率、低頻的聲吶及發(fā)射水聲換能器，從而探測更遠、更隱秘的艦艇。美國海軍利用稀土超磁致伸縮材料制成聲吶換能器并應(yīng)用于潛艇，日本學(xué)者Wakiwaka利用                  Terfenol-D材料制成聲源信號最大達到192dB，機電耦合系數(shù)達0.73，水下探測距離可至數(shù)千米。國內(nèi)學(xué)者已突破縱向振動換能器、彎張換能器和拼鑲式換能器等關(guān)鍵技術(shù)，基本形成工程應(yīng)用能力。

表1 Terfenol-D、Ni及PZT的磁致伸縮材料物理性能比較

        ⑶壓電單晶復(fù)合材料

        壓電單晶復(fù)合材料作為新一代壓電智能材料，具有高靜水壓電系數(shù)、低特性阻抗、寬頻帶、機電耦合系數(shù)高等優(yōu)勢，通過單晶的體積比靈活控制等特點使得其帶寬、靈敏度、阻抗匹配和降低陣元內(nèi)部交叉耦合均優(yōu)于單晶換能器。目前，國內(nèi)關(guān)于壓電單晶復(fù)合材料在水聲領(lǐng)域應(yīng)用的研究多為1-3型及衍生類壓電單晶復(fù)合材料制備的換能器，1-3型壓電單晶復(fù)合材料同時具備了弛豫鐵電單晶和復(fù)合材料的優(yōu)勢。杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所團隊基于1-3型壓電單晶復(fù)合材料設(shè)計并研制了高頻寬帶發(fā)射換能器，該換能器在250～410kHz的頻率之間發(fā)送電壓起伏不超過3dB，工作帶寬達到160kHz，最大發(fā)送電壓響應(yīng)達178.4dB。

        ⒉水聲換能器

        隨著現(xiàn)代靜聲技術(shù)的發(fā)展，船舶輻射噪聲正以平均每年0.5～1.0dB的速度降低如圖2所示，目前最先進的潛艇輻射噪聲水平已經(jīng)接近甚至低于海洋噪聲，而被動目標(biāo)探測距離急劇下降，無法滿足海軍攻防需求。受人類海洋活動和海底地質(zhì)運動的影響，海洋環(huán)境噪聲尤其是低頻噪聲正以每年0.2～0.3dB的速度增加，海洋水聲場受海洋界面和水體介質(zhì)以及風(fēng)、渦、流的影響呈現(xiàn)出復(fù)雜的時空隨機起伏、環(huán)境不確定、信道不確實、參數(shù)不確知的特點，致使水下目標(biāo)遠程探測具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性和艱巨性。針對不同場景，水聲換能器結(jié)構(gòu)也有所不同。

圖2 潛艇輻射噪聲和聲吶檢測能力

        ⑴常用水聲換能器

        目前常用的水聲換能器有Tonpilz換能器、鑲拼圓環(huán)換能器、彎張換能器和壓電陶瓷彎曲振動盤等。經(jīng)過多年技術(shù)的積累沉淀，我國能夠設(shè)計并制造滿足工程需要的各類換能器，水平與國外相當(dāng)。

        ①Tonpilz換能器

        Tonpilz換能器主要由前輻射蓋板、壓電陶瓷、電極片、后蓋板、預(yù)應(yīng)力螺栓組成如圖3所示，其具有功率容量大、電聲效率高、易形成寬帶、結(jié)構(gòu)簡單、耐靜水壓、便于成陣等優(yōu)點，國內(nèi)外經(jīng)過幾十年的發(fā)展研究，它的設(shè)計理論與制作工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，主要應(yīng)用于潛艇主動探測、通訊聲吶基陣、魚雷聲制導(dǎo)集陣。目前研究熱點主要集中在減小尺寸、降低頻率及拓寬領(lǐng)域等方面，在該類換能器中使用最多的是多模多諧振技術(shù)，如匹配層技術(shù)、縱彎耦合技術(shù)、多激勵技術(shù)和單端激勵技術(shù)等。

圖3 Tonpilz換能器

        ②鑲拼圓環(huán)換能器

        壓電陶瓷圓管內(nèi)外表面鋪設(shè)電極，激發(fā)圓管的徑向振動，大尺寸圓管換能器需由壓電陶瓷條鑲拼而成。圓環(huán)換能器具有水平無指向性，通常用來作為低頻、大功率及寬帶水聲發(fā)射聲源，也可作為寬頻帶接收水聽器，其中溢流式圓管換能器的內(nèi)腔與外界環(huán)境相通，可以不受周圍靜水壓的影響，適合在大深度工作，同時液腔振動可以使其在低頻工作。

        ③彎張換能器

        彎張換能器是一種典型的低頻水聲換能器，彎張換能器的概念始于Hayes1936年的專利。有限元法的廣泛應(yīng)用，很大程度上促進了彎張換能器的發(fā)展，彎張換能器工作方式是利用激勵源的縱向伸縮振動激發(fā)殼體作彎曲振動，耦合成彎曲伸張振動模式，從而具有振幅放大效應(yīng)。目前國內(nèi)研究重點主要集中在采用深度補償手段，從而提高彎張換能器的工作極限深度；使用新型驅(qū)動材料，提高聲功率；采用非對稱振動輻射，獲得空間指向性等。

        ④彎曲圓盤換能器

        彎曲圓盤換能器是一種小尺寸、低諧振的換能器，結(jié)構(gòu)簡單，易于成陣。該換能器中間是金屬片，正反兩面粘附著壓電陶瓷圓片，利用壓電陶瓷的厚度振動帶動金屬片的彎曲振動，從而實現(xiàn)低頻發(fā)射。

        ⑵水聽器技術(shù)

        水聽器作為水下必備的測試設(shè)備，探測水下聲信號以及噪聲聲壓變化并產(chǎn)生和聲壓成正比的電壓輸出，是被動聲吶系統(tǒng)中的核心部分，根據(jù)所用靈敏材料不同可以分為：壓電陶瓷水聽器、光纖水聽器、MENS水聽器、矢量水聽器等。本小節(jié)主要闡述光纖水聽器、MEN水聽器、矢量水聽器。

        ①光纖水聽器及基陣

        光纖水聽器是光纖傳感器的一種。近年來，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖水聽器發(fā)揮了越來越重要的作用，相比于電子水聽器，光纖水聽器可以實現(xiàn)干端與濕端的分離，實現(xiàn)水下器件的無源化。配合時分、空分、波分等技術(shù)，光纖水聽器還可以實現(xiàn)大規(guī)模的陣列復(fù)用。光纖水聽器最早應(yīng)用于海上軍事，主要應(yīng)用為：全光纖水聽器拖曳陣列全光纖海底聲監(jiān)視系統(tǒng)；全光纖輕型潛艇和水面艦船共形水聽器整列；超低頻光纖梯度水聽器；海洋環(huán)境噪聲及安靜型潛艇噪聲測量設(shè)備。英美國家最先開展此項技術(shù)的研究，美國的海軍研究實驗室、海軍水下裝備中心、英國的Plessey國防研究分公司、海軍系統(tǒng)分公司等均實現(xiàn)大規(guī)模全光纖水聽器拖曳陣列、海底聲監(jiān)視系統(tǒng)等海軍攻防裝備。

        我國光纖水聽器的研究始于上世紀(jì)90年代，國內(nèi)研究比較多的光纖水聽器通常采用邁克爾遜干涉儀，該類型水聽器分光于合光等分離器件是必不可少的，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜和制造成本，何向閣提出采用分布式光纖聲波傳感技術(shù)形成水聽器陣列，該類水聽器具有較好的聲壓響應(yīng)一致性，聲壓靈敏度約為−157.8dBrefrad/uPa，該技術(shù)的湖上測試中可以清晰的采集到初至波以及續(xù)至波，不僅為海上資源勘探技術(shù)提供一種新的技術(shù)方案，也促進了我國水聽器研發(fā)技術(shù)的發(fā)展。

        ②矢量水聽器

        矢量水聽器是一種能夠共點、同步、獨立地測量聲場標(biāo)量和質(zhì)點振速矢量各正交分量的聲學(xué)傳感器，按照測量原理可分為壓差式和同振式2種。目前，壓差式矢量水聽器由于對敏感元件要求較高、制作工藝復(fù)雜、靈敏度低、易受干擾等缺點逐漸淘汰于市場；相反，同振式矢量水聽器具有性能可靠、靈敏度高以及低頻指向性好等優(yōu)點，應(yīng)用愈加廣泛。近幾年矢量水聽器技術(shù)及其矢量信號處理技術(shù)取得快速進步，已廣泛應(yīng)用于聲吶系統(tǒng)的研制。在應(yīng)用了新型壓電單晶材料PMNT和PZNT，使得水聽器體積減小、靈敏度提高、自噪聲降低。矢量水聽器主要應(yīng)用于岸基陣、拖曳陣、舷側(cè)陣等，隨著低頻技術(shù)的進步，低頻矢量水聽器還應(yīng)用于海洋環(huán)境噪聲測量、潛/浮標(biāo)等系統(tǒng)。

        ③MENS水聽器

        隨著微電子制造技術(shù)的快速發(fā)展，MENS技術(shù)已應(yīng)用于水聽器技術(shù)中。美國國防先進計劃研究局更是將MENS技術(shù)設(shè)置成先進技術(shù)領(lǐng)域的六大方向之一。作為軍民兩用的MENS技術(shù)，在國內(nèi)得到快速發(fā)展，涌現(xiàn)出一批在高靈敏度、抗噪聲、自定位及目標(biāo)信息識別方面的技術(shù)成果，水聽器產(chǎn)品形式也從單一的硅阻式、硅電容式、壓電和壓電薄膜等形式發(fā)展為AIN壓電陶瓷薄膜。

        三、水聲換能器技術(shù)的展望

        本文上節(jié)介紹了水聲換能器功能性材料技術(shù)、常用水聲換能器、水聽器技術(shù)等方面的研究進展，本文未能詳盡敘述我國水聲換能器技術(shù)研究，但也具有代表性，基本描述我國水聲換能器發(fā)展的現(xiàn)狀。

        雖然，我國在材料性能、工藝、結(jié)構(gòu)等方面取得一定的成績，仍難以滿足現(xiàn)代水聲設(shè)備發(fā)展的需求，仍需加強以下幾方面的技術(shù)研究：

        ⑴提高材料與環(huán)境適應(yīng)性研究。每種材料具有其特定的物理特性，在不同作業(yè)環(huán)境中，其特性的變化直接影響換能器及基陣的可靠性。如何獲取其穩(wěn)定性與環(huán)境間的關(guān)系研究亟待加強。

        ⑵加強新型材料的研究。水聲換能器技術(shù)的突破取決于功能材料技術(shù)的突破，典型的新型材料超磁致伸縮材料、弛豫鐵單晶材料和壓電復(fù)合材料由于其特定的性能優(yōu)勢，在水聲設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，同一材料難以同時實現(xiàn)所有指標(biāo)最優(yōu)化，所以，為充分發(fā)揮新型材料的性能優(yōu)勢，關(guān)鍵是要根據(jù)水聲換能器的具體應(yīng)用需求對材料的結(jié)構(gòu)和性能進行設(shè)計與研究。

        ⑶加強不同領(lǐng)域間的合作。我國目前的水聲換能器技術(shù)面向的領(lǐng)域主要集中在軍事方面，專利技術(shù)成果轉(zhuǎn)化率較低，未形成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，后續(xù)研究中應(yīng)加強科研院所與軍方、企業(yè)等之間的合作，實現(xiàn)多方的協(xié)同創(chuàng)新，從而有效推進水聲換能器技術(shù)研究的深度和實用性。

        ⑷發(fā)展新型結(jié)構(gòu)。根據(jù)材料特性探索新材料與新結(jié)構(gòu)結(jié)合研究，以此實現(xiàn)換能器技術(shù)由“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。

        四、結(jié)語

        近幾年，隨著材料科學(xué)技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)及其信息處理技術(shù)的發(fā)展，水聲信息系統(tǒng)在對信息的綜合一、探測和數(shù)據(jù)處理的水平日益提升的同時，對信息的發(fā)送和收集質(zhì)量及其頻帶寬度等方面也有了較高的需求，尤其是在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，超強功率的換能器得到快速發(fā)展。文中敘述僅是眾多經(jīng)典之作中的冰山一角，涉獵內(nèi)容難免局限片面，總結(jié)深度不夠，希望能給大家研究提供一定的借鑒。

        不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?a title="水聲換能器" class="webLink" href="http://www.knji.cn/product/20121018182725.htm">水聲換能器的指標(biāo)要求也大不相同，如主動聲吶遠程探測及海底資源勘探應(yīng)用中要求發(fā)射換能器具有低頻大功率發(fā)射特性；聲吶校準(zhǔn)系統(tǒng)中要求換能器具有超低頻、超寬帶發(fā)射特性；水聲通信領(lǐng)域中則要求水聲換能器具有高效率、寬帶、深水工作特性等。低頻可以打破潛艇的隱身技術(shù)，大功率可以探測更為深遠距離的目標(biāo)，同時體積小，質(zhì)量輕，可提高艦艇作戰(zhàn)能力。所以如何開發(fā)出具備更低頻、高接收靈敏度、寬帶水聲換能器成為一項重大的技術(shù)問題。