声呐浮标换能器的技术设计

【作者简介】 作者：孙好广 程启航 (第七一五研究所) 本篇文章节选自论文《声呐浮标换能器的技术设计》，发表于《声学与电子工程》，2020年第3期。 声明：文章仅供学习与交流，不做商业用途，若需转载请注明由“水声之家”微信公众号平台编辑与整理。版权归媒体、原作者所有,文章观点不代表本机构立场。

【摘要】声呐浮标使用环境的特殊性，对换能器的要求是小尺寸、低频、大功率、高效率及高灵敏度。发射阵阵元多采用弯曲圆盘换能器，具有结构简单、易成阵的特点，也容易进行扩展和密排成阵；扩展阵在工作时扩展成一条直线线列阵，提高了阵增益；利用互辐射原理，进行密排阵，在不降低换能器耐静水压能力的条件下，降低了发射阵的谐振频率，保持与基元相当高的电声效率。 【关键词】 声呐浮标；弯曲圆盘换能器；扩展阵；密排阵；水听器

0.引言

声呐浮标是反潜巡逻飞机、反潜直升机的重要装备之一。在搜潜任务中，声呐浮标换能器接收到水中的声信号，并将信号转换为电信号，通过放大滤波等处理进入浮标处理系统接收机；或将电信号经发射机加到换能器上，变成声信号发射出去。由于声呐浮标是一次性消耗品，浮标换能器低成本是核心；声呐浮标工作所需要的电能来自电池，因此换能器工作效率高是基本要求；搜潜是声呐浮标的使命，因此要求换能器工作在低频。相对其它声呐项目换能器而言，只是没有工作寿命的要求。

对于电声转换的传感器，所用的无源材料有多种，如压电陶瓷、光纤、磁感等。对于水声设备而言，常用的是压电陶瓷，它具有高的功率密度，可以制作大功率器件；成本较低，广泛应用水声换能器领域。

1.设计要求

声呐浮标换能器的基本技术要求：(1)尺寸要小，能装入浮标投放筒中，即要求直径不大于100mm；(2)高效率，电声效率一般不低于80%；(3)成本要低，换能器占一枚浮标的价格大约10～20%；(4)一致性要求，如基元的谐振频率、接收灵敏度等要求离散性要小。

压电陶瓷发射换能器通常工作在其一阶模态频率，对于不同形状的换能器一般主要有径向振动模态、纵向振动模态、横向振动模态和弯曲模态等。这些模态频率中，只有弯曲模态基本满足声呐浮标换能器的技术要求，部分特殊类型的浮标换能器采用圆管换能器。弯曲换能器用作水听器时具有很高的灵敏度，被动接收型的换能器多是采用弯曲换能器；定向声呐浮标换能器采用弯曲模态是为了达到高灵敏度的目的。由于振子的直径厚度比太大，导致弯曲换能器低频时耐静水压相对较差，不过通过结构设计优化，可以提高工作水深。

2.弯曲圆盘换能器

2.1 弯曲圆盘换能器基本结构

弯曲圆盘换能器由厚度极化的陶瓷圆片粘在两块金属盘上，每块金属盘上粘一片陶瓷。陶瓷片粘在金属圆盘的外侧；金属圆盘之间的空气背衬应足够小，从而可以在超出最大工作深度时金属圆盘接触到一起，从而起到保护换能器的作用。基本结构如图1所示。在声呐浮标中，弯曲盘由聚氨酯橡胶包覆，作为水密层；一根导线连在两块金属盘上(金属盘与陶瓷正极银层面接触)，另一根导线连接陶瓷负极银层面。加在电极上的电压引起圆盘在轴向沿相反方向弯曲，从而产生声波。

2.2 弯曲换能器的计算方法

弯曲换能器的计算方法主要有解析法和有限元法，解析法在文献[1]中有详细的计算，不再赘述。在工程设计中，有限元法是一种高效、高精度的计算方法，换能器与基阵的各种声学性能都可以快速计算出，实测结果与理论计算结果吻合的很好。

由于弯曲换能器具有轴对称性，因此只需要2D建模，这样大大减少了有限元节点的数量，提高了运算速度。压电单元类型为plane13，是一个四边形单元，四边形网格划分是整个建模最复杂的过程，但模型一旦建好，即可为弯曲换能器的通用模型。

图2是一个计算示例。

3.扩展阵的声源级

弯曲圆盘换能器由于是对称结构，在空间上结构非常紧凑，基本不浪费空间；多个基元换能器可以叠放，这对空间有严格要求的平台是很适合的，如图3所示浮标投放筒。当正常工作时，发射阵可以在水中扩展开，形成一条直线阵，大大提高了阵增益，电声效率不低于80%。

3.1 扩展阵的声源级

根据下式可以计算线阵声源级^[1]：

式中，S_v为单个换能器发送电压响应，DI是指向性指数，DI≈10lgN；N为线阵阵元数目。

3.2 扩展阵的指向性函数

扩展阵可视为点源等间距布阵的直线阵，其指向性函数为^[2]

4.直线密排阵

弯曲换能器的谐振频率虽然已较低，但还不足够低，研究人员还是不断向着更低的频率进行探索。采用低频互辐射技术可有效降低发射阵的工作频率，工作机理是当弯曲圆盘换能器组成同轴阵近距离工作时，基元间的声互辐射作用提高了各基元的附加质量，从而降低了发射阵的谐振频率。密排阵的谐振频率可以降到基元的一半，这样做的优点是在不降低换能器耐静水压能力同时提高基元的高电声效率(可达90%)，阵声源级比基元声源级提高了至少4dB。

这方面的研究早在2007年已展开，现在已经广泛应用于声学测量中，图4为由基元构成的互辐射单元，当基元间距变化时，其谐振频率也随着发生变化。取单个基元的谐振频率为f₀，不同基元间距下，单元的谐振频率由0.46f₀变化到0.71f₀，结果如图5所示。

5.结论

通过理论与试验研究，确定与优化了弯曲圆盘换能器边缘支撑结构，保证了换能器的谐振频率的一致性，提高了产品的成品率，仿真设计的预期与产品的实际测量结果吻合得很好。

随着安静型潜艇的出现，潜艇的线谱越来越低，通过声呐浮标反潜则需要更低的工作频率。更低的反潜声呐浮标则需要更低的换能器及基阵，因此，进一步研究低频甚低频的弯曲换能器可为未来的低频探潜奠定关键的基础。

【参考文献】 [1] 周洪福.水声换能器及基阵[M].北京:国防工业出版社，1984:208. [2] SHERMAN C H, BUTLER J L. Transducers and arrays for underwater sound [M]. Springer,2007.