水声发射换能器技术研究综述

提高换能器声辐射功率的关键是提高换能器的 应力极限、电极限、空化极限以及热极限等．
换能器在谐振频率下辐射的声功率为 Ｗ＝叩。ｔＯ，Ｑ。后：ｃｒ俨／２．
万方数据
式中：叩。为电声转化效率，ｑ为机械角频率，Ｑ。为 机械品质因数，ｋ。为换能器有效耦合系数，Ｃ，为压 电陶瓷的自由电容量，ｙ为激励电压．从公式中看 出：
收稿日期：２０１０－０５－２５． 作者简介：周利生（１９６５一），男。教授．
胡青（１９７４一），男．高级工程师。博士，Ｅ·ｍａｉｌ：ｓｋｌｈｑ＠ １６３．ｃｏｒｎ． 通信作者：胡青．
发射换能器主要用来在水下产生一定的声压信 号，目前工作频率已经从几赫兹拓展至几兆赫兹，工 作原理主要有有电动式、磁致伸缩式、压电式等，采 用的振动模态有纵向振动、径向振动、弯曲振动以及 多种振动模态的组合，采用的功能材料有Ｔｅｒｆｅｎｏｌ—Ｄ 超磁致伸缩材料、ＰｚＴ压电材料、ＰＭＮ—ＰＴ单晶材 料、ＰＶＤＦ压电聚合物等．
第３ｌ卷第７期 ２０１０年７月
哈尔滨工程大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７０４３．２０１０．０７．０１９
Ｖ０１．３ｌ№．７ Ｊｕｌ．２０１０
水声发射换能器技术研究综述
周利生，胡 青
（杭州应用声学研究所声纳技术重点实验室，浙江杭州３１００１２）
（ａ）溢流式圆柱换能器
（ｂ）弯张Ⅳ换能器
图１ 低频大功率发射换能器
Ｆｉｇ．１ Ｌｏｗ·ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ
换能器的水下低频声辐射功率可表示为 Ｗ＝（Ｘ。Ａ）。ｏＪ４ｐwenku.baidu.com／４１ｒｃｏ．
式中：ｘ。Ａ换能器振动的体积位移，∞为角频率，Ｐ。、 Ｃ。分别为水介质的密度和声速．从公式中看出，声 辐射功率随频率的降低而迅速减小，提高声辐射功 率设计中要保证换能器的声辐射面积尽可能大，振 动相位尽可能的一致，振动位移尽可能大．１ ｋＨｚ以 下低频大功率换能器结构上采用溢流式弯张Ⅳ换能 器、弯张ＶＩＩ换能器比较合理，该结构形式尽管可以 较好解决应力极限问题，但内部声障必须处理．壳体 建议选择钛合金或碳纤维材料，驱动阵子建议选择 驰豫铁电单晶或Ｔｅｒｆｅｎ０１．Ｄ功能材料．
ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ ｔｈｅｓｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ７ ｏｐｔｉｍａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｓｅ ｓｏ—
ｌｕｔｉｏｎｓ ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｖｅｒ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｉｎ ａｒｒａｙ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ
１低频大功率发射换能器技术
新型功能材料以及数值建模技术的应用是促进 新结构形式的低频宽带换能器发展的重要途径，如 弯张换能器、多源激励纵向换能器等．近年来，我国 水声界围绕低频、宽带、大功率等高性能要求的换能 器展开了较为广泛的研究，取得了一些有价值的研 究成果：研制出永磁式稀土纵向换能器样机在工作 频率ｌ ５６０ Ｈｚ、机械Ｑ值５．０、电声效率超过４０％、 声源级达到１９９．９ ｄＢ；研制出压电一压磁复合换能 器，工作频段达到了一个倍频程，声源级２０１ ｄＢ；低 频大功率溢流式圆柱换能器和Ⅳ型弯张换能器具有 宽带、耐深水等优点，圆柱换能器工作频段达到了一 个倍频程，声功率可达３ ｋＷ以上，Ⅳ弯张换能器工作 频率在ｌ ｋＨｚ以下，优质系数大于１０ Ｗ／（ｋｓ·ｋＩ－Ｉｚ），声 功率可达１ ｋＷ以上．总之，低频大功率换能器研究虽 取得较大进步但发射声功率与现实要求还有较大差 距提高低频发射换能器的声源级必须综合考虑换能 器应力极限、电极限、空化极限等问题，必须解决好基 阵宽带匹配和速度控制等问题． １．１换能器结构形式的选择
换能器低频发射还受到声波水下空化的限制， 其空化阈近似可表示…：
ｔ＝０．３｛１．８＋ｈ／ｌＯ｝２．
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哈尔滨工程大学学报
第３ｌ卷
式中：ｔ为空化阈值，Ｗ／ｃｍ２；ｈ为换能器工作水深． 提高空化阈值关键是设计上优化换能器的振动位移 分布和选择合理的壳体材料． １．３宽带匹配发射技术
低频换能器尤其是小体积低频换能器在组成密 排阵使用时，基元间的互辐射作用将会非常严重，这 将改变换能器的阻抗特性和速度分布，使阵列的电 声效率降低，不能形成预期的指向性，甚至出现个别 基元从声场中吸收声功率的情况．为了能使基阵正 常工作，必须对阵元进行速度控制．而速度控制一般 是在基元的输入端采用幅度和相位加权的方法，改 善换能器的振动特性，使阵列产生预期的速度分布． 目前，通过速度控制以后，可有效防止阵列中个别基 元声吸收情况，增大基元的辐射阻，从而增大换能器 的工作带宽、提高电声效率．
２ 中频发射换能器宽带技术
中频发射换能器一般是指以纵振模态为主的换 能器，工作频率可以从２—２００ ｋＨｚ．中频发射换能 器研究的关键是工作带宽问题．新型功能材料以及 数值建模技术的进步促进了新材料、新结构形式的 宽带换能器的发展．换能器典型振动模式有纵向、径 向和弯曲振动３种，为追求换能器某一单项或综合 性能可进行３种基本形式的任意组合，为此相继提 出了纵弯换能器、匹配层换能器、多激励或多谐振换 能器等技术，工作带宽逐步接近２个倍频程．再者， 在中低频段采用Ｔｅｒｆｅｎ０１．Ｄ与ＰＺＴ联合激励的方 式，驰豫铁电单晶ＰＭＮ．ＰＴ或ＰＺＮ—ＰＴ代替传统ＰＺＴ 压电材料，不仅提高了带宽，同时还提高了低频段的
摘要：水声发射换能器种类繁多，通常按工作频率加以区分．在低频段给出了几种工程上常用的低频大功率换能器的 结构形式，并讨论了提高换能器工作极限的技术途径，同时还指出速度控制对低频声基阵的重要性．在中频段主要给出 了拓展换能器工作带宽的各种结构形式及一种新的设计方法，并讨论了新材料应用及宽带匹配技术．在高频段给出了陶 瓷颗粒簇匹配层换能器的等效电路，同时分析了高频换能器基阵机电一体化设计的发展趋势．结果表明，新结构、新材 料、新工艺仍是推动水声发射换能器不断发展的技术途径． 关键词：水声换能器；大功率；带宽 中图分类号：ＴＢ５６５．１ 文献标志码：Ａ文章编号：１００６－７０４３（２０１０）０７－０９３２－０６
ｏｂｔａｉｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｒｏｍ ａ ｌｏｗ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｃｏｕｓｔｉｃ ａｒｒａｙ．Ａｓ ｔｏ ｍｅｄｉｕｍ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｖｅｒａｇｅ，ｖａｌ３０ｕｓ ｅｏｎｆｉｇ－
ｕｒａｔｉｏｎｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ ｔｏ ｅｘｐａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ ｏｆ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｅｒｅ ｔｈｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｖｅｒａｇｅ．ａｎ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｕｓｉｎｇ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｅｒａｍｉｃ ｐｉｌｌａｒ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ Ｗａｓ ｏｕｔ－ ｌｉｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｒｒａｙｓ ｗａｓ ａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｓｔｉｌｌ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｗａｙｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｏｒｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ；ｂａｎｄｗｉｄｔｈ
功率容量．此外，换能器阻抗的宽带网络匹配也是实 现高效宽带发射的一个重要环节． ２．１新结构技术
纵弯换能器和匹配层换能器在技术上比较成 熟，发射电压响应带宽和电导带宽都可以实现一个 甚至超过一个倍频程．纵弯换能器受水密层影响小， 在组阵使用时受互辐射影响也小，因此得到了广泛 的应用．匹配层换能器为了保证纵向模态的纯正，辐 射面一般较小，导致辐射抗在工作频率范围内变化 较大，因此在设计匹配层参数时要考虑辐射抗的影 响拉Ｊ．文献［３］采用在前盖板上开槽的办法，通过槽 的位置、直径大小来控制弯曲频率以获得双模耦合 振动，如图２（ａ）所示．文献［４］采用柔性层加匹配 层开槽方法获得了３个谐振峰，如图２（ｂ）所示．该 换能器的后盖板及中间质量块都用钨钢，前盖板用 铝合金，在前盖板与中心质量块之间的柔顺层采用 玻璃纤维板．将匹配层开槽主要是消除匹配层的横 向耦合，改善高频段的性能．文献［４］还采用多 质量一弹簧系统技术研制了一个三谐振换能器，如 图２（ｃ）所示，其中２个柔顺段采用玻璃纤维板，３个 质量块均采用钨钢，该种换能器的２个柔顺段虽然 起到弹簧的作用，但不可避免的存在应力集中，容易 产生非线性问题．文献［５］提出了双激励加匹配层 的换能器结构形式，如图２（ｄ）所示．通过合理的结 构及匹配层参数优化设计，其工作频段亦接近１．５ 个倍频程．该换能器不存在非线性问题，具有一定的 工程应用价值．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｒｏｊｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｔｈｅｙ ａｒｅ ｏｆｔｅｎ ｃａｔｅｇｏｒｉｚｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅｉｒ
ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｓｏｍｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌｏｗ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
水声换能器是声呐探测设备的核心部件，承担 着信号产生与接收的使命，对水声探测功能的实现、 性能的提升具有举足轻重的作用．从最早的朗之万 换能器到现在基于各种功能材料、各种换能机理、各 种结构形式的换能器，水声换能器经历了近百年的 发展，不仅在理论上取得了众多突破，而且在建模优 化设计、制作工艺等方面取得了长足进步，为现代声 呐技术的发展奠定了坚实的基础．
１）如果压电陶瓷的预压缩应力足够，提高压电 陶瓷元件的电极限可有效提高换能器的声功率．一 般最大激励电压不超过４ ０００ ｋＶ／ｃｍ，材料应选择 ＰＺＴ－８或ＶＺＴ－４，也可以选择驰豫铁电单晶ＰＭＮ－ＰＴ 或ＰＺＮ—ＰＴ但需施加偏压电场；Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ和Ｇａｆｅｎｏｌ 材料是一种具有潜力的换能材料但需采取降低涡流 的制造工艺；
近年来，声呐主动探测已成为水下探测的重要 方式，安静型隐身目标的出现，从而对水声发射换能 器提出了更高的要求，主要表现为２个方面：提高低 频宽带换能器的发射声功率；提高中高频水声发射 换能器的工作带宽．本文对这２方面问题的解决途
万方数据
第７期
周利生。等：水声发射换能器技术研究综述
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径重点分析．
Ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ
ＺＨＯＵ Ｌｉ－ｓｈｅｎｇ，ＨＵ Ｑｉｎｇ
（Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ａｐｐｌｉｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｓｏｎａｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３ １００１２，Ｃｈｉｎａ）
２）频率越低，功率容量越小，低频工作需尽可 能增大有源材料的体积，即增加电功率容量；
３）优化设计换能器的驱动阵子和声辐射结构， 可有效提高换能器的有效耦合系数和电声效率，从 而提高换能器的声辐射功率．如对于弯张Ⅳ换能器， 提高驱动阵子的有效耦合系数，采用合理尺寸的钛 合金壳体和科学的换能器装配技术是必须的．
实现工作频率为１ ｋＨｚ左右、声功率为２ ｋＷ以 上的低频大功率换能器一般为２种结构形式，分别 为弯张Ⅳ换能器：１）弯张ＶＩＩ换能器和溢流式圆柱 换能器．弯张换能器一般是通过纵向驱动，壳体振动 位移放大的形式实现大功率声辐射，优化设计壳体 的流型和尺寸、合理选择壳体材料和有源器件、采用 先进科学的制造工艺可提高换能器工作的应力极 限、电极限、空化极限；２）溢流式圆柱换能器是通过 换能器液腔振动和径向振动实现低频宽带大功率声 发射，优化设计拼镶压电圆环尺寸和采用先进科学 的制造工艺可提高换能器工作的电极限、空化极限， 相对前者，耐静水压高、工作频带宽，但重量尺寸大． 总之，弯张换能器是工作频率为１ ｋＨｚ左右、声功率 为２ ｋＷ以上的最佳换能器结构形式． １．２提高工作极限技术