海洋论坛▏水声换能器研究进展

声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在海洋中远距离传递信息与传播能量的载体，水声技术也因此成为水下通讯导航、水产渔业、海洋资源、海洋地质地貌、军事武器等领域的重要手段。水声换能器的使命即是在一定频带内按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号，由此换能器也被人们形象地喻为声纳系统的“耳目”。随着水声技术应用领域的不断拓展与延伸，在海洋资源探测开发的技术竞争、军事对抗及全面感知地球的迫切需求背景下，水声换能器技术的飞速发展成为声纳技术发展的重要前提，新材料技术、精细加工技术、基础工艺技术以及数值计算分析技术等为换能器技术的快速发展提供了物质基础和技术条件。其中有关新材料、新机理、新结构换能器的发展情况曾在相关综述文章中分别描述过，本文就笔者所掌握的资料和有限的理解水平简要地综述几种典型结构类型换能器近些年的发展状况，主要包括：弯张换能器、圆柱面辐射型换能器、纵向换能器等等。

弯张换能器分为许多类型，其中IV 型弯张换能器是由纵向振子驱动椭圆形外壳做弯曲振动的一类换能器结构形式，常被用于低频大功率发射声源或设计低频主动声纳，如美国海军的拖曳式低频主动声纳（SURTASS-LFA），采用18只大功率IV型弯张换能器组成垂直发射阵，工作频带100～500Hz，声源级220～235dB。单只换能器用两台S11-48型功率放大器驱动，输出电压1600V，最大声源级215dB。关于IV型弯张换能器设计改进主要体现在对驱动振子的优化和宽带设计上，有关文献设计了一种长轴加长型结构（图1），以新型弛豫铁电单晶铌镁酸铅—钛酸铅（PMNT）材料叠堆为驱动元件，这种结构思想使换能器在保持频率低、响应高等优点的同时，显著拓宽了工作带宽。

图1  长轴加长型宽带弯张换能器

鱼唇式弯张换能器是我们近些年研究的一种新结构弯张换能器，采用变高度椭圆壳体，这样的壳体兼有振幅放大和高度加权放大的“双重放大”作用，采用Terfenol-D超磁致伸缩材料驱动和溢流腔结构，−3dB带通Q值小于3，采用了溢流腔填充顺性材料可获得较大的工作深度，该型换能器目前已经得到广泛应用，谐振频率可以从100Hz覆盖到1.8kHz，单只换能器谐振频率下声源级在190dB以上，图2给出其中两例换能器实物照片，系列换能器中几何尺寸最小的为长轴80mm，最大的长轴大于1m。

图2   鱼唇式弯张换能器

近期我们在此基础上进行了拓展研究，设计研制了宽带鱼唇式弯张换能器和双壳嵌套鱼唇式弯张换能器（图3所示），其中宽带鱼唇式弯张换能器是采用椭圆壳上开缝处理，由于“鱼唇式”结构的特殊形状决定了开缝后的椭圆壳体形成刚度不同的振动梁，可以等效成质量-刚度不同的振动模型（如图4所示），与纵向振子耦合可形成多谐振动模式，对多模耦合振动辐射特性进行优化设计，得到宽带辐射特性：实验测试−3dB带宽550～1600Hz，最大电流响应161.6dB，声源级185dB。

 (a)宽带鱼唇式弯张换能器；

(b)双壳嵌套鱼唇式弯张换能器

图3   鱼唇式弯张换能器的拓展设计

双壳嵌套鱼唇式弯张换能器（图3(b)）的设计思想是在有限体积内最大限度地增大体积位移输出，从而实现大功率发射。我们利用双壳嵌套新结构设计了溢流型和空气背衬两种形式，溢流型结构制作成小型化低频声源，空气背衬形式研制成大功率发射类型，振动外壳表面用聚氨酯灌注密封，系列换能器的谐振频率从250Hz到1.2kHz，单个换能器声源级接近200dB。

图4 宽带鱼唇式弯张换能器原理示意图

凹筒型弯张换能器也是应用较广泛的低频换能器类型之一，有关文献设计制作了一种磁致伸缩-压电联合激励凹筒型发射换能器，采用稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D与PZT压电陶瓷作为联合激励元件，拓宽了工作频带、提高了辐射声功率，几何尺寸为Φ88 mm×316mm，谐振频率1.30kHz，Q＜1.5，谐振频率下发射电压响应级135.1dB。

有相关文献将凹筒型弯张换能器设计成一种更为紧凑的组合安装方式，使有限体积内通过多个换能器簇联，最大限度地增大体积位移和实现大功率特性，如图5所示，采用6只凹筒型弯张换能器顶点簇联起来形成“立体六芒星”型换能器，具有结构紧凑、低频大功率宽频带的特点：基频谐振频率1.15kHz时发射电压响应为127dB、全指向性，从800Hz到10kHz发射电压响应大于120dB，频率高于4.75kHz以后指向性较为明显，该频率时指向性起伏约为6dB。

围绕凹筒型和凸型桶条梁弯张换能器的优化设计，我们在压电堆结构上进行了深入探索，采用大尺寸圆环叠合成管状压电堆，驱动桶条梁型弯张换能器，称作管-梁耦合弯张换能器，其工作特点是换能器所有表面积均参与声辐射：上下端盖是压电堆振子纵振动输出表面，同时内部液腔的设计使管状压电堆的内表面由于径高耦合振动而输出声能，外部弯曲梁围成的表面则是弯张换能器的主要工作面，其表面积也因换能器的径向尺寸增加而增大，这种改进设计使换能器具有更高的机声效率。选择凹形壳时在换能器基频模态下各振动表面外法向位移同相，选择凸形壳时在换能器二阶模时各振动表面外法向位移同相，有文献报导了凸型管-梁耦合弯张换能器（见图6）的研究结果，设计中将各振动表面外法向位移同相的振动模态与管状压电堆纵向振动模合理优化，得到很好的宽带特性：在2.2～9kHz频带内发射电压响应起伏小于10dB，对应位移同相模态谐振频率6.7kHz下最大发射响应为137.5dB。

图6 凸型管-梁耦合弯张换能器

采用弯张换能器工作原理设计新结构换能器的设计思想还有许多，这些结构已经超出I～VII型的弯张换能器的分类了，这里介绍圆盘型弯张换能器和开口圆环型弯张换能器。

圆盘型弯张换能器结构中采用径向极化的压电陶瓷（PZT4）圆环驱动弯曲圆盘振动，圆盘的中间部分设计一个圆拱型内凹结构，其工作方式类似于V型弯张换能器的单侧振动壳，驱动圆环外部的圆盘部分用径向槽分割成16个均匀的扇形结构降低周向耦合（如图7所示）。研制的换能器谐振频率为1800Hz，最大发射电压响应为110dB，最大声源级为170dB，电声效率为76%。换能器样品直径210mm，厚度46mm，重量仅3.8kg，在小型低频声纳发射系统和主动噪声控制系统方面有着良好的应用前景。

(a)结构示意图；(b)封装前实物照片；

(c)封装后换能器实物照片

 图7   圆盘型弯张换能器

有文献概要地介绍了一项专利，如图8所示，采用纵向振子激励开口圆环，这种激励方式利用了弯张换能器的杠杆臂原理，比拼镶结构的开口圆环具有更强的低频辐射能力，并且具有易于实现大尺度换能器制作的技术优势。

图8   开口圆环型弯张换能器

柱面辐射型是经典水声换能器类型之一，主要包括圆管换能器、圆环换能器、拼镶圆环换能器、多边形振动柱面辐射换能器等，本文重点介绍一些新的设计思想和通过结构优化实现特殊声学辐射特性方面的研究工作，即哈工程大学刘永平等人研制的“模声源”换能器，如图9所示。采用8只纵向复合棒换能器星形结构围成柱面辐射换能器，8只换能器相邻二只为一组，共分为4组，按图示激发模式可形成单极子模、偶极子模、四极子模的辐射特性，利用单极子和偶极子模可以复合成心形线的单向辐射特性，所以这种换能器称为“模声源”换能器，文献利用这种工作模式研制了PZT-8材料8圆环（64元）柱面基阵、弛豫铁电单晶PMN-28PT 材料双圆环（16元）柱面基阵和稀土超磁致伸缩Terfenol-D材料双圆环（16元）柱面基阵，实现了心形线单向发射特性：响应级高、频带宽、响应曲线平坦。

图9 “模声源”换能器

他们设计了一种偏心式圆筒悬臂梁换能器，如图10所示，应用纵向压电堆激励非对称圆柱结构，圆柱面被设计成厚度不同的径向振动弯曲悬臂梁，多模态振动耦合机制有效拓宽了工作频带：在4k～16kHz频带内发射电压响应起伏小于5dB，频带内的声源级大于178dB，重量3kg，换能器几何尺寸Φ67mm×189mm。

图10   偏心式圆筒悬臂梁换能器

有人设计了一种宽带指向性圆管换能器，如图11所示，将压电陶瓷圆管内外电极各分成两段，形成两个半圆管可以独立激励的工作模式，将一侧加障板进行抑制，从而可以得到圆周方向几乎恒定开角的单侧辐射性能，控制两半圆管的激发相位差，同相时可激发单极子模态谐振频率为f0，相差为π时可激发偶极子模态谐振频率为1.414f0，当控制相差为π/2时，得到宽带单向发射特性，工作带宽25～45kHz（−6dB起伏）。有文献对这种新思想换能器进行深入研究，分别研究了圆管径高比等结构参数耦合作用以及换能器布阵时互辐射作用的规律。

图11    宽带指向性圆管换能器

纵向换能器是最常用的水声换能器类型之一，也是最早应用于水声研究和声纳中的换能器类型，迄今已经有近200年的历史了，但是在探索频带展宽、波束优化及新材料应用方面的研究工作一直没有停止过，并且也是未来相当长时期内需要不断挖潜的研究课题，本文对近些年的研究工作做概要性介绍。

宽带宽波束纵向换能器的研究中（见图12），通过设计纵向水声换能器辐射盖板的形状及利用其弯曲振动模，实现宽带宽波束辐射特性，采用后质量块的嵌套结构有效缩小了换能器的长度，换能器谐振频率14kHz，最大发射电压响应141.9dB，−3dB带宽为11.3～18.7kHz，−3dB带通Q值为1.9，在14kHz频率下波束宽度为132º，比通常纵向换能器波束宽度宽23%。

图12   宽带宽波束纵向换能器

围绕前辐射盖板改进优化的研究工作还有很多，如图13所示，在一般纵向换能器的前盖板上设计空腔，使辐射面更容易产生弯曲振动，从而可以利用弯曲振动模与纵向振动模耦合展宽频带，该文献还将前辐射面的弯曲圆盘设计成主动结构，即采用压电圆片组成的双叠片结构，通过合理控制压电堆和弯曲圆片的激励电压实现宽带辐射特性：发射响应在两个倍频程的工作带宽内起伏约为10dB，不过这种结构换能器只适合浅水应用。

(a)一般纵向换能器；(b)通过内部空腔设计成弯曲圆盘辐射面；(c)压电陶瓷片驱动的弯曲圆盘辐射面

图13   前辐射盖板改进优化的纵向宽带换能器

类似的工作也是对前盖板进行改进处理，采用的方法是将前盖板内部制作成空腔，在优化空腔的直径、深度基础上设计匹配层实现展宽频带的设计目标。

双激励（或多激励）设计是纵向换能器展宽频带的有效技术途径之一，近期我们通过有限元分析发现双激励换能器电导曲线的特殊规律，提出了独立驱动双激励换能器实现多频段高效宽带发射的技术途径。

模型描述：考虑谐振基频10kHz左右的双激励纵向换能器，换能器设计中考虑基频工作时节点不在压电陶瓷元件上，使换能器大功率工作时压电陶瓷元件位置不产生应力集中，结构参数：喇叭口直径Ф60mm，底面直径Ф40mm，总长度165mm。采用图14所示的激励方式，在V1、V2独立驱动下，计算得到空气中的电导曲线（图15），结果发现V1、V2通道在的电导在偶数阶模态时符号相反，即通道2的电导G2为负（相对于通道1，见图15），于是我们提出分频段激发方式：在基频模参与的条件下，采用一般双激励纵向换能器工作模式--V1、V2同相激励；在基频模不参与的条件下，采用异相工作模式--如计算模型中V1、V2反相激励。这里分别计算上述两种联合激励条件下的发射电压响应，为了方便比较，将V1、V2分别单独激励的发射电压响应也计算出来并画在图16之中，结果参数总结于表1中。

图14   双激励纵向换能器独立激励工作方式

图15   双激励纵向换能器V1、V2通道电导曲线

Sv(1)、Sv(2)—V1、V2通道单独激励；Sv(+)—V1、V2通道同相联合激励；Sv(-)—V1、V2通道反相联合激励

图16   V1、V2不同激励条件下的发射电压响应

表1 不同激励方式发射电压响应及带宽特性比较

从图16和表1可以看到，一般双激励纵向换能器工作模式下可以获得较宽的工作频带，但在二阶模以后的工作特性尚不如两组压电堆单独一个工作，损失了辐射效率，通过我们设计反相激励模式，强化了二阶模的辐射能力，并在较宽频带内获得高发射响应的辐射特性，于是一只双激励换能器便可通过压电堆独立驱动和相位处理实现多频段高效宽带发射。

本文综述了弯张换能器、圆柱面辐射型换能器、纵向换能器等几种典型结构水声换能器近些年的研究进展，重点介绍了弯张换能器在实现低频、大功率、宽频带方面的设计新思想与结构优化的新成果；有关圆柱面辐射型换能器和纵向换能器着重介绍了采用复合结构、复合振动模和特殊激励方式方面的研究新成果。近些年由于数值计算技术的发展尤其是有限元方法的广泛应用，为复杂结构、多元耦合机理的换能器设计提供了有力工具，一定程度上推动了换能器领域研究新成果的不断涌现。

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