201110水声换能器在水下探测应用中的发展

水声换能器在水下探测应用中的发展

郑乙

（海军装备部，山西侯马043003）

[摘要]水声换能器是利用声波对水下目标进行探测、识别以及定位或者进行水下通信和发报的主要工具。用来发射声波的换能器称为发射器。当换能器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。目前利用压电材料设计的常规换能器阵元，尤其是低频换能器，由于其结构上的特点，使得体积与重量庞大，不仅使制造、使用与维修成本提高，而且对平台提出了特殊要求，并限制了组阵的规模和形式，从而约束了战术与技术指标。如何解决声基阵的组阵规模与组阵形式问题，如何将低频、高频声纳基阵的结构设计统一起来，并在新阵元结构的基础上，通过组合大规模共形基阵，提高声纳基阵的各项技术指标，无疑是发挥平台与水中兵器作战性能，提高我军水下作战能力的迫切需要。

[关键词]水声换能器；水下探测；应用；发展

1新型压电复合换能器

图３．１月芽式压电复合换能器阵元与阵元剖面图

图３．２钹式换能器阵元与阵元剖面图

月芽式压电复合换能器（如图3.1）和钹式压电复合换能器（如图

3.2）是当前国外重点研究的最具代表性的弯张换能器。这两种结构的

压电复合换能器由其金属端帽的形状而得名。月芽式结构的金属端帽腔

体为月芽式，而钹式结构的金属端帽腔体为翘钹式，腔体为空气，它们

都是通过金属与压电陶瓷复合制作而成。金属—压电陶瓷复合材料通过

板状、壳状和帽状金属与压电陶瓷复合，改变陶瓷内部的应力分布，从

而提高压电材料的性能。

其主要特点是设计简单、易于加工、成本低。月芽式压电复合换

能器和钹式压电复合换能器显现出良好的压电性能，这种结构通过帽状

金属与陶瓷介面的应力转换，改变陶瓷介面的应力分布，使复合材料的

纵向压电性能和横向压电性能产生加合作用，从而大大提高材料的压电

耦合性能d

h

。其中月芽结构复合材料的d h较压电陶瓷高10～20倍。帽

状结构可以较压电陶瓷提高30～40倍。月芽和帽状金属—压电陶瓷复

合材料与压电陶瓷的性能比较见表3.1。

表３．１金属—压电陶瓷复合材料的性能

2钹式换能器

图４．１钹式换能器阵元基本结构剖面图

图４．２钹式阵元陶瓷片的径向位移转化为金属帽厚度方向位移

阵元结构：阵元基本结构如图4.1，它是由两片冲压成钹状的金属

片与压电陶瓷片粘结成型，金属片材料可以为钛合金、黄铜、合金钢

等。利用钛合金作为金属片材料，可以使钹式阵元具有较大的抗水压性

能，对于阵元直径dp=10mm的钹式换能器可以承受600米水深时的

压力。但是钛合金材料较黄铜和合金钢材料昂贵，因此在不考虑水深使

用时，钛合金材料相对受限。黄铜与合金钢材料相比，当它们同时应用

于钹式阵元时，黄铜材料的钹式阵元具有更好的压电性能。压电陶瓷的

材料也主要包括PZT-4、PZT-8和PZT-5，钹式换能器作发射换能器

使用时，常用PZT-4和PZT-8压电陶瓷，作接收换能器使用时，常

用PZT-5压电陶瓷。工作原理：当在钹式阵元的两极施加电压时，压

电陶瓷会产生纵向和横向的振动，压电陶瓷的纵向振动，使得阵元的两

金属片直接产生纵向位移；压电陶瓷片的横向位移使得金属片发生径向

的压缩或扩张，由于钹式的特殊形状，这同样导致金属片顶端产生纵向

的位移，如图4.2。压电陶瓷纵向和径向位移都会使得金属端帽产生纵

向的位移，而且两种位移叠加后的结果，即为金属端帽的位移，从而产

生了金属端帽位移的放大。

3钹式压电换能器的特点及应用前景

3.1钹式压电换能器的特点

1）阵元体积小，静压压电系数高，易与水介质匹配，具有十分大

的带宽；其中利用凹型阵元设计、特殊静液压平衡设计，突破基阵的工

作深度限制。

2）为水下平台与水中兵器提供一类全面适用的声传感器与阵列，

该类声基阵体积小、重量轻、适用范围广，采用共形阵方式，布阵安装

灵活，对平台结构无要求。

3）由于新型钹式阵元小而轻的特点，可以将其进行大规模组阵，

获得较高灵敏度（FFVS）和较大的发射幅压响应（TVRS）。

4）用钹式阵元设计理论与专用软件，将各个频段（下转第60页）

（上接第58页）

的基阵结构统一为各种尺度的钹式结构，籍此可以优化、开发各个频段的声基阵，并且避免了不必要的繁琐试验，形成快速统一的新型钹式基阵设计开发方法。利用该方法，除了研制同类工作频率的产品，还将开发新的工作于不同频段的低频、高频阵元与基阵。

3.2应用前景

1）水下通信：由于钹式声纳换能器具有体积小、重量轻、易于布放、灵敏度高等特点，因此可以将钹式声纳阵元组成线列阵用于水下通信，或作为水下通信系统单元建立水下通信网路，实现水下大面积、长距离的通信，而且可以根据作战需要，即时改变水下布防位置，使水下通信快捷、灵活。

2）用于鱼雷制导：钹式声纳具有较高的接收灵敏度，可以将钹式声纳应用于被动式鱼雷，实现鱼雷的跟踪制导。

3）用于潜艇接收声纳：可以将钹式声纳阵元组成共性阵，布置在潜艇头部或侧面，起到侦查、定位等功能。

4）其他：可以作为拖曳声纳、水雷规避声纳、吊放声纳等。

作者简介：郑乙，1985年生，工作单位海军装备部，籍贯河南洛阳，研究方向为军品质量管理。［参考文献］

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全的，但还需核算基础的抗倾覆能力，等下文分析。

再看看单回路三根JKLYJ-10-1×120架空绝缘线，档距30m，弧垂比常规弧垂0.5米加大至1米时水泥杆的抗弯强度是否满足。此条件下的水平拉力为1819N。以12米水泥杆为例，一般埋深为2米，则离顶部10米处的水平弯矩为1819×10=18.19KN×M。如果碰到大风大雪，敷冰天气，所承受的弯矩将大大超过此数值，因此取安全系数2。即18.19×2=36.38KN×M。最常用的12米水泥杆C类J级的抗弯矩强度为34.12KN×M。36.38略大于34.12，说明，单回路三根JK-LYJ-10-1×120架空绝缘线，即使档距只有30米，弧垂比常规0.5米大的多，加大到1米情况下，水泥杆在碰到大风大雪，敷冰天气下，仍有危险。有些施工单位，以随便想想的态度，120线径50米档距下，不打拉线没有问题的想法是非常危险的，必须立即改正。

3水泥杆基础抗倾覆能力核算

水泥杆除了需核算抗弯矩强度，即核算水泥杆是否有断杆危险。还需核算水泥杆的基础抗倾覆能力，即埋入地下部分的水泥杆，是否有足够的力防止电杆倾斜甚至倒杆。

单回路常用水泥杆为12米杆，以12米杆为例，12米杆底部梢径约300m m，埋深以2米计，与泥土的垂直方向面积为0.3×2=0.6m2。坚土情况下，抗倾覆力为62.7×0.6=37.62KN；可塑土情况下，抗倾覆力为48×0.6=28.8KN，软土情况下，抗倾覆力为25.2×0.6=15.12 KN。因埋深为2米，因此抗倾覆力的平均力矩为1米，即抗倾覆力矩在三种土质下，分别为37.62KN×M，28.8KN×M，15.12KN×M。最常用的12米水泥杆C类J级的抗弯矩为34.12KN×M。37.62大于34.12，因此在坚土情况下，不打拉线，只要经过电杆抗弯矩核算，抗倾覆能力也就没有问题了。在可塑土情况下及软土情况下，经过电杆抗弯矩核算后，还需核算抗倾覆能力，在抗倾覆能力不能达到要求下，可通过加装卡盘来解决。

土压力系数ｍ（ＫＮ／ｍ３）

4结语

综上所述，小容量用户杆变工程，单回路小线径架空绝缘线，水泥杆承受单方向的水平拉力，在确实无法打拉线情况下，可通过技术处理，免除拉线。技术处理方法为减小档距，增加弧垂，加强基础强度。具体如何通过计算作技术处理，读者可参考前文所述。经过严格的水泥杆抗弯矩强度核算和水泥杆基础抗倾覆能力核算后，水泥杆可不打拉线。但很多施工队和设计人员，不经安全核算，就盲目的取消拉线，确实是非常危险的。

作者简介：周骁，男，1979年生，单位温州电力局，现在职称工程师。

［参考文献］

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