我国水声换能器技术研究进展

水声换能器是在水介质中实现声与其他形式能量或信息转换的一类传感器；水声换能器是声呐系统最前端的设备，也是声呐系统与水介质相互作用、交流信息的“窗口”。水声换能器技术研发领域涉及多学科交叉融合，与之密切关联的学科主要包括：物理学、材料学、数学、力学、电子学、化学、机械学等，因此水声换能器的发展与其他基础学科的成就息息相关，并同时受到各个关联学科发展的制约。从我国水声换能器数十年发展历史来看，最大的发展动力来自于水声技术领域的应用需求，而直至 20 世纪末我国水声换能器技术发展还缺乏全局性和系统性。近 20 年，我国水声换能器技术逐步进入系统性发展阶段，从新材料应用、新结构、新工艺方面实现换能器综合技术性能的优化与提升，在几个典型技术方向上形成了系列研究成果。

低频换能器研究进展

针对超远程水下信息传输和超隐身潜艇探测发展的迫切需求，低频发射换能器成为 21 世纪以来水声换能器领域最受关注的热点方向之一，国外超远程探测与通讯声呐工作频带已经降低到 100 Hz 左右。低频换能器涉及许多理论和技术层面的问题，目前还没有很好地解决，这方面仍将是未来发展中的研究热点与关注焦点。本节选择弯曲振动低频换能器和弯张换能器的研究工作，总结其中的新技术成果。

弯曲振动低频换能器

低频换能器的发展首先面对的技术问题就是几何尺寸，一般谐振式换能器的工作频率与几何尺寸成反比，也就是说换能器的频率越低则几何尺寸将会越大，弯曲振动可以有效缩减低频换能器的几何尺寸。国内近 20 年在弯曲振动低频换能器方面的新设计主要包括弯曲梁换能器类、弯曲圆盘换能器类等。

弯曲梁换能器。刘永平等设计一种圆筒悬臂梁宽带发射换能器（图 1a），结构设计中将弯曲振动模态频率低的特点和多模态振动耦合拓宽频带的方法结合起来。柴勇等提出一种管梁耦合圆环换能器（图 1b），通过在镶拼圆环换能器中加入弯曲梁组成管梁耦合结构，增加了有效工作模态。利用多模耦合作用实现低频、宽带工作特性。采用了溢流结构，经过 3 000 m 深海潜标实际应用验证了其耐静水压能力。Xu 等提出柱面弯曲低频换能器的 2 种设计方案（图 1c 和 d），进行了系列仿真模拟，给出了新型磁致伸缩材料 Terfenol-D 及 Galfenol 驱动的发射响应曲线，展示了该换能器结构具有超低频应用的潜力。

弯曲梁低频换能器的新设计

（a）中 0为固定梁， 1—5为不同厚度的柱面梁

弯曲圆盘换能器。弯曲圆盘换能器包括三叠片、双叠片结构等。图 2a 所示为一对双叠片组成的紧凑型弯曲圆盘换能器，国外研究工作比较成熟，刘继伍对这种基本结构弯曲圆盘换能器进行了深入研究。从这种基本结构出发，通过设计液腔和对驱动方式进行改进，产生了一些新设计。图 2b是镶拼环驱动的弯曲圆盘换能器。图2c的设计利用了不同尺寸的弯曲圆盘换能器组成基阵，采用不同驱动方式，实现宽带工作。图 2d是溢流腔结构的弯曲圆盘换能器，设计中适当调整了液腔尺寸以满足声学性能要求。图 2e是铁镓合金（galfenol）驱动的弯曲圆盘换能器，采用的结构类似于纵向换能器，激发前辐射板弯曲振动。

弯张换能器

弯张换能器的概念起始于 Hayes 1936 年的专利，基本工作方式是 1 个或多个伸缩振动的振子驱动弯曲振动壳体产生低频声辐射。我国关于弯张换能器的研究与应用从 20 世纪末开始活跃起来，研究人员设计了多种结构形式的弯张换能器，笔者在总结水声换能器技术国际发展动态的文章中，依照结构和激励方式将弯张换能器分为三大类，在此沿用这种分类方法，分别进行介绍。

柱型结构弯张换能器

该类换能器由纵向伸缩振子驱动平移弯曲振动壳体（图 3），换能器的振动壳体是一个平移结构体，即各种形状的柱面壳，由 1 个或多个纵向伸缩的振子驱动，包括 IV 型弯张换能器及其变形结构、VII 型弯张换能器、四边形弯张换能器等。图 3a 是典型的 IV 型弯张换能器结构形式，陈思等[10]研制了弛豫铁电单晶 PMNT 材料驱动的 IV 型弯张换能器。李宽和蓝宇研制了稀土超磁致伸缩材料 Terfenol-D 驱动的 IV 型弯张换能器。图 3b 是 VII 型弯张换能器的新设计，采用稀土超磁致伸缩材料 Terfenol-D 驱动，激励方式在横向尺寸最宽的部位设计 1 对平行振子，贺西平和李斌对该型换能器进行了深入的系列研究，包括预应力设计分析、理论建模、模态分析、实验研究等。图 3c 是对 IV 型弯张换能器改进的新设计，类似于 I 型弯张换能器到 II 型弯张换能器的设计改进，采用了长轴加长的椭圆壳结构，换能器采用弛豫铁电单晶材料 PMNT 驱动，具有比一般 IV 型弯张换能器更优的宽带工作特性。图 3d 是国内最早对 IV 型弯张换能器进行改进的新设计——鱼唇式弯张换能器，其采用变高度椭圆壳体并应用了稀土超磁致伸缩材料 Terfenol-D 驱动，这种特殊形状的振动壳体具有杠杆臂效应和高度加权的双放大作用。目前 Terfenol-D 鱼唇式弯张换能器已经系列化，并设计成双壳结构进一步提升发射功率，单只换能器最大声功率可达万瓦级，成为国内低频大功率发射换能器的基本类型之一。图 3e 是正交激励四边形弯张换能器，采用了一种结构紧凑的设计改进，可以在有限体积内增加更多的功能材料，提高发射声源级。图 3f 是对 IV 型弯张换能器的另一改进新设计，类似于 I 型弯张换能器到 III 型弯张换能器的设计改进，其采用两椭圆壳体沿长轴方向串联为一体，用更长的压电堆激励，使纵向振子的谐振频率降低而接近弯张壳体基频模态，有利于模态耦合实现宽带工作特性。图 3g 是对 IV 型弯张换能器激励振子的改进新设计，为折叠振子驱动的 IV 型弯张换能器，该结构结合低刚度的壳体材料可有效降低谐振频率。

柱型结构弯张换能器

长型旋转体弯张换能器。该类换能器由纵向伸缩振子驱动旋转对称弯曲振动壳体（图 4），换能器的振动壳体是一个旋转对称结构体，或者沿圆周分布的一系列桶条梁，一般由 1 个纵向伸缩的振子驱动，包括 I 型弯张换能器、II 型弯张换能器、III 型弯张换能器的凸型结构和凹型结构等。图 4a 为 I 型弯张换能器的凹型结构，亦称为凹筒弯张换能器，蔡志恂等研制了 Terfenol-D 驱动的凹筒弯张换能器。图 4b 为 III 型弯张换能器的凸型结构，亦称为葫芦式弯张换能器，Chai 等研究了 PZT 和 PZT+Terfenol-D 联合驱动的葫芦式弯张换能器，对联合激励的发射特性参数进行了仿真分析。图 4c 为磁致伸缩-压电联合激励的凹筒弯张换能器，设计中应用了 Terfenol-D 和 PZT 两种激励元件组成复合纵向振子。图 4d 为多压电堆激励的凹筒弯张换能器，在壳体不变和压电陶瓷材料总体积相同前提下，分析不同个数（1—4个）压电堆驱动对换能器性能的影响，设计研制了三压电堆激励的凹筒弯张换能器。

长型旋转体弯张换能器

扁型旋转体弯张换能器。该类换能器由径向扩张振子驱动旋转对称弯曲振动壳体，换能器的振动壳体为 1 个旋转对称结构体，一般为 1 对凸或凹的球冠（或类球冠）或圆盘等组成，由 1 个径向扩张的圆环或圆片振子驱动，包括 V 型弯张换能器、VI 型弯张换能器、圆盘型弯张换能器等，在此介绍小尺寸 V 型弯张换能器——Cymbal和圆盘型弯张换能器。图 5a 为小尺寸 V 型弯张换能器，由径向振动的压电陶瓷圆片驱动 1 对金属端帽产生弯曲振动；图 5b 为圆盘型弯张换能器，设计中采用 PZT-4 径向极化压电陶瓷环驱动弯曲圆盘，圆盘沿径向切缝分成 16 等分的扇形结构减少横向振动耦合。这 2 种结构形式的弯张换能器具有谐振频率低、几何尺寸小、电声效率高等特点。

高频宽带换能器研究进展

水声装备除了以探测距离为重要指标，其另一个发展方向是以获取最大目标信息量为主要目的。例如，高分辨率图像声呐、高数据率水声通信等要求高频模式工作，并且工作频带尽可能宽的装备系统，因此高频宽带水声换能器成为该系统的关键部件，类似于光学成像系统的镜头一样。

压电陶瓷柱加匹配层的高频宽带换能器，史海荣等研究了压电陶瓷间隔和陶瓷尺寸的比例及填充材料对带宽的影响。图 6b 为张凯等设计的双匹配层高频宽带换能器，其利用压电陶瓷柱成阵，再添加金属层和树脂复合材料的双匹配层结构实现高频宽带的声发射性能。图 6c 为蓝宇和张凯设计的 1-1-3 压电复合材料高频宽带换能器，由 1 维连通的压电小柱和 1 维连通的金属小柱平行排列于 3 维连通的聚合物基体中而构成的三相压电复合材料，并研制了高频宽带发射换能器。图 6d 为张凯等设计的 1-3 压电复合材料高频宽带换能器，利用厚度振动模态和一阶横向振动模态耦合作用实现了宽带工作特性。图 6e 为王宏伟设计的压电复合材料圆环高频宽带换能器，通过径向切割压电陶瓷圆环、灌注环氧树脂得到压电复合材料圆环，再将 2 个不同壁厚的压电复合材料圆环叠合组成径向辐射的双谐振换能器。

深水换能器研究进展

深海空间是目前海上军事竞争的新的制高点，我国的海洋战略目标之一就是走向深蓝，深海水声装备发展推动着深水换能器研究不断取得突破。本文 1.1 节介绍的低频换能器中，溢流腔结构的弯曲圆盘换能器和管梁耦合圆环换能器也是深水换能器的设计实例，在此不做重复，另介绍一些典型的深水换能器研究新成果。

采用末端激励和中间激励的 2 种主要的 Helmholtz 水声换能器结构形式，桑永杰等对弹性壁条件液腔谐振频率进行了理论研究。图 7b 为 Lu 等设计的采用溢流圆管换能器作为激励源的多液腔低频宽带换能器。图 7c为桑永杰和蓝宇设计的低频大功率 Janus-Helmholtz 换能器；桑永杰和蓝宇还通过将 Janus-Helmholtz 换能器的腔体圆筒向活塞辐射面前方延长，在 Janus 辐射器喇叭口处形成新的液腔，研制了多液腔 Janus-Helmholtz 换能器（图 7d），使换能器具有更宽的工作频带。图 7e 为 Liu设计的用于水声通信的溢流环深水换能器，设计中利用了液腔共振与圆环径向振动的耦合作用，实现了宽带工作特性。图 7f 为童晖等设计的半空间指向性的溢流环深水宽带换能器，通过金属底座改善换能器的垂直方向性和抑制后辐射。图 7g 为夏铁坚和郝浩琦设计的深水宽带纵向换能器，换能器利用纵向振动和前盖板弯曲振动耦合作用实现宽带工作，换能器封装在钛合金耐压外壳中，外壳及换能器内部充有硅油，通过压力平衡装置实现深水工作。

 深水换能器

矢量水听器研究进展

随着人们对声场矢量信息的深度关注和矢量水听器研究的重视，矢量水听器技术不断发展，成为近年来国际研究热点之一。进入 21 世纪，我国矢量水听器应用研究最为活跃，根据 2014 年底的统计结果，国际矢量水听器及其应用领域的学术成果近一半来自于我国。在此简要介绍一下矢量水听器近期研究进展。

矢量水听器典型结构是同振型，同振型矢量水听器是将惯性式敏感元件（振动加速度计、速度计等）封装于球形或圆柱形壳内而成，其工作原理是基于刚性球或圆柱体在声场作用下作振荡运动的特性，一般设计为零浮力（图 8a）。这方面的理论和工艺比较成熟，如今应用了新型压电单晶材料 PMNT 和 PZNT，使水听器体积减小、灵敏度提高、自噪声降低。矢量水听器主要应用于岸基阵、拖曳阵、舷侧阵等，低频矢量水听器还应用于海洋环境噪声测量、潜/浮标等系统。

矢量水听器

这是一种可固定安装的同振柱型矢量水听器，其基本原理没有改变，结构上用安装杆代替了悬挂框架，将悬挂弹簧改成橡胶弹簧。这种结构应用场景可拓展到平台载体上固定安装。

随着微机电加工技术（MEMS）的发展，MEMS 技术已应用于矢量水听器设计研制当中，MEMS技术可以将敏感单元、控制电路、低噪声匹配电路、采样预处理模块等微电子元件集成为一体，将声信号转换为电信号。一种典型工作模式是以微加速度传感器作为敏感元件（图 8c），利用单晶硅的压阻效应原理设计敏感芯片，研制了3 维同振柱型复合 MEMS 矢量水听器。另一种工作模式是基于仿生学原理，仿效鱼的侧线机械传感细胞感知水运动的原理，设计了 MEMS 压阻式矢量水听器（图 8d）。

光纤水听器是光纤传感技术在水声领域的成功应用之一，显示出高灵敏度、低噪声、大动态范围、抗干扰等技术特点，近年来在矢量水听器方面也得到拓展应用，研究人员设计研制出了光纤矢量水听器。图 8e 是一种 3 维柱型光纤矢量水听器，基于 Bragg 光栅设计了加速度传感单元和声压传感单元，研制出声压-振速矢量水听器。图8f 是一种 3 维球型光纤矢量水听器，基于全保偏光纤干涉系统，研制出 3 维正交芯轴式干涉型光纤矢量水听器，结构紧凑且声中心重合于一点。

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