深水换能器现状及展望

国家近年来加强了对深海声学系统的应用研究,而深水水声换能器为深海科学研究提供技术支撑。为了对深水换能器的材料特性、耐压结构设计、在深水环境下发射性能和接收性能的测试手段能够深入了解,特别介绍了美国及中国深水换能器发展现状,并提出开展耐高静压换能器有源材料、耐高静压水声无源材料、换能器耐压结构和工艺、高静水压测量技术等方面的研究。     

高静水压下障板样品声特性的计算与测量

为研制一种在声呐水下声系统中起到屏蔽噪声、提高声基阵空间增益作用的耐压、低频、宽带声障板,设计了声管样品,根据分层介质中的声传播理论,利用多层均匀结构的传递矩阵法计算了它在空气和水介质背衬下的声压反射系数和透射系数,在不同的背衬情况下具有明显不同的声学特性。制备了直径206mm的样品,利用杭州应用声学研究所水声驻波管和行波管测量系统测量了频率范围100Hz～4kHz、静水压范围从常压到2MPa的声学性能,测量结果和理论计算值基本吻合,声障板样品在静水压状态下具有一定的低频、宽带反声特性。     

海底沉积物岩芯横向声学测量系统的标定

水平轴向测量技术相对成熟,但较难获取海底沉积物的无扰动分层声学特性,采用横向测量技术可以解决这一问题。文章研究了海底沉积物岩芯横向测量技术,将水作为海底沉积物测量的参考标准,进行测量系统的标定。提出了等效换能器的概念,将样品以外的声传播介质整合成等效换能器的一部分,标定测量等效换能器声延时和声传播初始能量。以水为标准介质,分别采用33、80、100 kHz三种频率的声学换能器,以及75、90、110 mm三种管径的聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC),测量所得的水中的声速与标准计算水中的声速具有一致性,其中以采用80 kHz频率声学换能器和90 mm管径PVC管测量时的声速误差最小,选用此状态进行标定,得出当隔水耦合测量法换能器相对距离为142.02 mm时,标定的等效换能器声延时为45.88±0.08 μs,等效换能器声传播初始能量(以接收换能器的接收电压表示)为0.86±0.03 V。应用标定的等效换能器声延时和声传播初始能量测量海底沉积物。计算得到声速和声衰减系数符合黏土质粉砂的声学特性。     

高频水声换能器匹配层技术研究

在复杂的海洋环境中,为提高对目标的探测效果以获得更多的信息,高频声呐常需要更宽的工作频带。首先,通过声透射原理对不同匹配层材料进行选取与设计;其次,通过有限元仿真对不同匹配层换能器的透射系数、电导谱和发送电压响应展开了分析计算;最后,在理论分析、解析计算和有限元仿真计算的基础上成功研制了单层、双层和三层匹配层高频宽带水声换能器,其工作频带分别为79～150 kHz, 74～163 kHz和66～176 kHz,带内发送电压响应起伏为-6 dB。实验结果表明：匹配层层数越多,换能器的带宽越宽,该工作为实现宽频带换能器在实际工作中的应用提供了方向。     

基于Cymbal单元的压电复合智能材料设计

本文使用有限元法对Cymbal换能器单元的设计结构进行了仿真分析,并将换能器单元谐振频率与实际测量值进行了比较。将Cymbal换能器单元进行阵列,设计了一种新型的10kHz以下的低频薄板水声智能材料。对两块不同尺寸和结构的Cymbal压电复合智能材料的发射性能进行了测量与标定。并将用Cymbal压电复合智能材料作为主动吸声系统中的吸声材料,在脉冲声管中进行了管道声有源吸声控制实验。研究结果表明,Cymbal压电复合智能材料是一种高效的薄型低频宽带水声材料。     

宽带组合换能器应用于高分辨率的地层剖面仪

为了使地层剖面仪具有2．5cm的理论分辨率和50m的地层穿透深度，必须要求换能器既具有比较高的声源级，又具有30kHz的带宽。由于在本课题中，剖面仪还需要在6000m深海工作，换能器还必须能抗60Mpa的静水压力。因此我们采用三种换能器组合来实现这个指标。     

添钙改性钛酸铅的压电特性及其在水下换能器中的应用

利用声互易技术,在0～70MPa压力范围内确定了添钙钛酸铅陶瓷的介电及压电特性与压力的关系。这种材料的横向压电系数(d_(31),g_(31))非常小,由此可得到高的流体静压常数g_h(=g_(33)+2g_(31))和d_h(=d_(33)+2d_(31))。因而该材料的灵敏度比锆钛酸铅(PZT)高的多。这种陶瓷的共振特性测量结果表明,它适于在高频水下换能器中使用。已设计、制作了一些样品换能器,并在1～100kHz和200kHz～2MHz的频率范围内测量了自由场电压灵敏度,测量结果与根据现行高频水听器标准得到的结果进行了比较。这种材料是一种声量扩展器,因而对于电声换能器非常有用。     

陶瓷骨架对3-3型复合材料压电性能的影响

本工作研究了压电陶瓷的化学组成对3-3型复合材料介电、压电性能的影响。选用了三种类型的压电陶瓷:“硬性”压电陶瓷(PZT-F)、“软性”压电陶瓷(PZT-N)和“稳定型”压电陶瓷(PZT-C)。实验结果指出:以PZT-F 和 PZT-C 为骨架制成的复合材料仍然具有较低的体积密度、较高的静水压灵敏度、小的机械品质因数和较小的介质损耗,同时其耐静水压稳定性也有所改善。这种复合材科已装配成发射型换能器,成功地用于地震模拟试验。这类材料的问世将有助于宽带换能器的发展。     

一种顺性管的仿真与设计

设计了一种钛合金材料的顺性管,在换能器液腔内使用起去耦作用,以减少声能损失提高声源级。此顺性管的耐压深度为300m,水中的谐振频率1．6kHz,远离换能器的工作频率552Hz。利用有限元软件仿真了某种溢流式弯张换能器在两种状态下（带顺性管和不带顺性管）的性能,从计算结果可得顺性管有助于提高换能器的声源级和减低换能器的工作频率。     

收发合置水声管中使用宽带脉冲的吸声测量方案

水声管是水声材料吸声测量的重要实验平台。对于收发合置换能器水声管系统,目前常用的吸声测量信号是调制正弦信号。为了实现宽带测试,提出了水声管中宽带声脉冲的产生方法,并设计了电子开关延时控制电路。给出了基于收发合置型换能器水声管中宽带吸声测量结果。