水聲換能器研究現狀與發展

        本文轉載“海洋論壇▏水聲換能器研究現狀與發展”的文章。

      【作者簡介】文/吳銳鋒 王一博 胡童穎 崔廷放，來自廣州海洋地質調查局。

        文章來自《傳感器技術與應用》（2023年第2期），參考文章略，版權歸出版單位與作者所有，用于學習與交流，轉載也請備注由“溪流之海洋人生”微信公眾平臺編輯與整理。

一、引言

        當今世界各國積極發展海洋軍事的戰略中不難發現，探測安靜型、隱形化目標，發展海洋裝備從而加強海上防御能力，都是不可或缺的一部分。然而，隨著科學技術的發展先進的材料、隱身技術、傳感技術、信號處理技術使得潛艇作戰和反潛作戰變得越來越困難；基于水聲技術進行海上軍事競爭、海洋研究、礦產資源調查與評估和現代航海安全保障等成為必不可少的手段之一。

        水聲換能器作為“水聲設備耳目”能夠發射或接收聲波，并完成聲波所攜帶的信息和能量與電信號間的轉換，在海洋裝備中得到廣泛應用。水聲換能器一次次的技術進步也是水聲技術長足發展的重要前提和基礎。為了實現海軍攻防和海洋資源調查與評估，各國學者一方面加強水聲物理和信號處理方法的基礎研究，另一方面加強水聲換能器和基陣技術的研究，重點研究新機理、新材料、新工藝及布陣技術，從而提出了新結構，改善和提升了水聲換能器的綜合技術性能。本文通過闡述水聲換能器在功能性材料、換能器及水聽器技術取得的國內外領先成果和應用現狀，最后，對我國水聲換能器的發展動態談些認識與展望。

二、水聲換能器技術研究進展

        水聲換能器技術研究領域涉及物理學、力學、數學、材料學、電子學、化學及機械學等在內的多學科交叉和學科融合，因此水聲換能器的發展與其他基礎學科關系密切，并且各個關聯學科的研究進展也成為水聲換能器發展的制約因素。理論上的不斷創新正推動水聲換能器技術逐步突破水下高效穩定信號傳輸難題，特別是目前采用新型材料、新工藝布置、設計新結構實現了水聲換能器綜合技術性能的改善和提升。水聲換能器技術創新的直接動力來自于軍事和民用等領域對水聲通信技術需求的提高。經過數十年的發展與研究，水聲換能器技術逐漸進入系統性和全局性發展階段。本文將從水聲換能器功能性材料技術、水聲換能器、水聽器技術分別闡述。

        ⒈換能器功能性材料研究進展

        1915年法國著名物理學家朗之萬教授和俄國電氣工程師希洛夫斯基采用電容發射器和碳粒接收器進行了水聲實驗，研制成世界上第一臺將水聲技術和電子技術結合的聲吶，并很快應用一戰。二戰期間英美重點發展了主動式聲吶，使用磁致伸縮換能器和人工壓電晶體換能器，發射功率0.5～0.8千瓦，頻率為超聲頻段(20到30千赫)，主動探測距離為1到1.5海里，被動探測距離為2～3海里。二戰以后，新材料技術，電子技術和計算技術的迅速發展大大推動了聲吶技術的發展。60年代初出現一批新型聲吶。70年代由于大規模集成電路和數字計算機進入聲吶技術領域，出現了全數字化聲吶。20世紀50年代至今，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料(PZT)、稀土超磁致伸縮材料(Terfenol-D)、弛豫鐵電單晶(PMN-PT和PZN-PT)等典型材料得到廣泛應用。

        ⑴弛豫鐵電單晶材料

        20世紀90年代壓電單晶鈮鎂酸鉛–鈦酸鉛(PMN-PT)與鈮鋅酸鉛–鈦酸鉛(PZN-PT)被發現，由于其具有超高的壓電性能，壓電常量d33達2000pC/N，機電耦合系數k33達92%，電致伸縮應變最大達1.7%，顯示了其在水聲換能器方向上增大功率和展寬頻率帶寬的潛在優勢，在國際上引起人們對弛豫鐵電單晶超高壓電性能形成機理的研究熱潮。近些年逐漸發展了三元系鈮銦酸鉛–鈮鎂酸鉛–鈦酸鉛(PIN-PMN-PT)和錳摻雜鈮銦酸鉛–鈮鎂酸鉛–鈦酸鉛(Mn:PIN-PMN-PT)壓電單晶體材料，進一步改善了高電場條件的工作特性。目前美國CTS和TRS是國際上提供弛豫鐵電單晶產品的主要公司，國內單位主要以中國科學院上海硅酸鹽研究所、西安交通大學、清華大學等為主。

        相比于PZT陶瓷材料，弛豫鐵電單晶更適合于高效率、高靈敏度收發換能器的研制。在海軍攻防方面，美國海軍水下作戰中心(NUWC)研究了PMN-PT弛豫鐵電單晶體材料在電場和預應力作用下的特性，認為其力學性能基本滿足換能器預應力設計要求，設計并研制出一種拼鑲柱形換能器，利用PMN-PT弛豫鐵電單晶較高的3-3模，在徑向上產生伸縮振動，獲得較高頻帶的全向換能器；利用PMN-PT和PZT4陶瓷、PIN-PMN-PT及Mn:PIN-PMN-PT制作縱向水聲換能器(Tonpilz換能器)，通過對比更適用于大功率、高占空比的換能器應用中，在最大聲源下比PMN-PT的源水平提高5dB，與PZT4換能器相比，在諧振時源電平和功率處理能力相當，可用帶寬卻增加1倍，在諧振頻率外的最大源電平提高6dB。國內企業中國船舶第715研究所、中國科學院聲學研究所等單位在利用PMN-PT單晶，發展單晶水聲換能器方面也取得許多重要的進展。中國科學院聲學研究所采用PIN-PMN-PT單晶和PZT-4壓電陶瓷混合激勵，研制了外徑86mm、長度80mm的小尺寸換能器如圖1所示，該換能器實現了小尺寸、寬帶(13～38kHz)、高發送電壓響應(144.9dB)的優良特性。

圖1 弛豫鐵電單晶/壓電陶瓷混合激勵換能器

        ⑵稀土超磁致伸縮材料

        稀土超磁致伸縮材料(Terfenol-D)是一種新型的磁致伸縮功能材料，即便是在低磁場作用下產生的應變值也能高達(1500～2000)×10−6，比鎳大40～50倍，比PZT大5～8倍，聲速低、尺寸小，居里點高，因為其巨大的磁致伸縮系數，被人們稱為超磁致伸縮材料。采用稀土超磁致伸縮材料制造的換能器其能量密度不僅是壓電換能器的10倍，工作距離是傳統的壓電換能器也是傳統壓電換能器的幾十倍，表1列出Terfenol-D、Ni及PZT材料的物理性能比較，從表中可以很直觀看出三種材料的優缺點。

        由于稀土超磁致伸縮材料物理性能優勢，在海防軍工、海洋探測等領域被廣泛應用于研制大功率、低頻的聲吶及發射水聲換能器，從而探測更遠、更隱秘的艦艇。美國海軍利用稀土超磁致伸縮材料制成聲吶換能器并應用于潛艇，日本學者Wakiwaka利用                  Terfenol-D材料制成聲源信號最大達到192dB，機電耦合系數達0.73，水下探測距離可至數千米。國內學者已突破縱向振動換能器、彎張換能器和拼鑲式換能器等關鍵技術，基本形成工程應用能力。

表1 Terfenol-D、Ni及PZT的磁致伸縮材料物理性能比較

        ⑶壓電單晶復合材料

        壓電單晶復合材料作為新一代壓電智能材料，具有高靜水壓電系數、低特性阻抗、寬頻帶、機電耦合系數高等優勢，通過單晶的體積比靈活控制等特點使得其帶寬、靈敏度、阻抗匹配和降低陣元內部交叉耦合均優于單晶換能器。目前，國內關于壓電單晶復合材料在水聲領域應用的研究多為1-3型及衍生類壓電單晶復合材料制備的換能器，1-3型壓電單晶復合材料同時具備了弛豫鐵電單晶和復合材料的優勢。杭州應用聲學研究所團隊基于1-3型壓電單晶復合材料設計并研制了高頻寬帶發射換能器，該換能器在250～410kHz的頻率之間發送電壓起伏不超過3dB，工作帶寬達到160kHz，最大發送電壓響應達178.4dB。

        ⒉水聲換能器

        隨著現代靜聲技術的發展，船舶輻射噪聲正以平均每年0.5～1.0dB的速度降低如圖2所示，目前最先進的潛艇輻射噪聲水平已經接近甚至低于海洋噪聲，而被動目標探測距離急劇下降，無法滿足海軍攻防需求。受人類海洋活動和海底地質運動的影響，海洋環境噪聲尤其是低頻噪聲正以每年0.2～0.3dB的速度增加，海洋水聲場受海洋界面和水體介質以及風、渦、流的影響呈現出復雜的時空隨機起伏、環境不確定、信道不確實、參數不確知的特點，致使水下目標遠程探測具有相當的挑戰性和艱巨性。針對不同場景，水聲換能器結構也有所不同。

圖2 潛艇輻射噪聲和聲吶檢測能力

        ⑴常用水聲換能器

        目前常用的水聲換能器有Tonpilz換能器、鑲拼圓環換能器、彎張換能器和壓電陶瓷彎曲振動盤等。經過多年技術的積累沉淀，我國能夠設計并制造滿足工程需要的各類換能器，水平與國外相當。

        ①Tonpilz換能器

        Tonpilz換能器主要由前輻射蓋板、壓電陶瓷、電極片、后蓋板、預應力螺栓組成如圖3所示，其具有功率容量大、電聲效率高、易形成寬帶、結構簡單、耐靜水壓、便于成陣等優點，國內外經過幾十年的發展研究，它的設計理論與制作工藝已經相當成熟，主要應用于潛艇主動探測、通訊聲吶基陣、魚雷聲制導集陣。目前研究熱點主要集中在減小尺寸、降低頻率及拓寬領域等方面，在該類換能器中使用最多的是多模多諧振技術，如匹配層技術、縱彎耦合技術、多激勵技術和單端激勵技術等。

圖3 Tonpilz換能器

        ②鑲拼圓環換能器

        壓電陶瓷圓管內外表面鋪設電極，激發圓管的徑向振動，大尺寸圓管換能器需由壓電陶瓷條鑲拼而成。圓環換能器具有水平無指向性，通常用來作為低頻、大功率及寬帶水聲發射聲源，也可作為寬頻帶接收水聽器，其中溢流式圓管換能器的內腔與外界環境相通，可以不受周圍靜水壓的影響，適合在大深度工作，同時液腔振動可以使其在低頻工作。

        ③彎張換能器

        彎張換能器是一種典型的低頻水聲換能器，彎張換能器的概念始于Hayes1936年的專利。有限元法的廣泛應用，很大程度上促進了彎張換能器的發展，彎張換能器工作方式是利用激勵源的縱向伸縮振動激發殼體作彎曲振動，耦合成彎曲伸張振動模式，從而具有振幅放大效應。目前國內研究重點主要集中在采用深度補償手段，從而提高彎張換能器的工作極限深度；使用新型驅動材料，提高聲功率；采用非對稱振動輻射，獲得空間指向性等。

        ④彎曲圓盤換能器

        彎曲圓盤換能器是一種小尺寸、低諧振的換能器，結構簡單，易于成陣。該換能器中間是金屬片，正反兩面粘附著壓電陶瓷圓片，利用壓電陶瓷的厚度振動帶動金屬片的彎曲振動，從而實現低頻發射。

        ⑵水聽器技術

        水聽器作為水下必備的測試設備，探測水下聲信號以及噪聲聲壓變化并產生和聲壓成正比的電壓輸出，是被動聲吶系統中的核心部分，根據所用靈敏材料不同可以分為：壓電陶瓷水聽器、光纖水聽器、MENS水聽器、矢量水聽器等。本小節主要闡述光纖水聽器、MEN水聽器、矢量水聽器。

        ①光纖水聽器及基陣

        光纖水聽器是光纖傳感器的一種。近年來，隨著光纖技術的發展，光纖水聽器發揮了越來越重要的作用，相比于電子水聽器，光纖水聽器可以實現干端與濕端的分離，實現水下器件的無源化。配合時分、空分、波分等技術，光纖水聽器還可以實現大規模的陣列復用。光纖水聽器最早應用于海上軍事，主要應用為：全光纖水聽器拖曳陣列全光纖海底聲監視系統；全光纖輕型潛艇和水面艦船共形水聽器整列；超低頻光纖梯度水聽器；海洋環境噪聲及安靜型潛艇噪聲測量設備。英美國家最先開展此項技術的研究，美國的海軍研究實驗室、海軍水下裝備中心、英國的Plessey國防研究分公司、海軍系統分公司等均實現大規模全光纖水聽器拖曳陣列、海底聲監視系統等海軍攻防裝備。

        我國光纖水聽器的研究始于上世紀90年代，國內研究比較多的光纖水聽器通常采用邁克爾遜干涉儀，該類型水聽器分光于合光等分離器件是必不可少的，從而增加了系統的復雜和制造成本，何向閣提出采用分布式光纖聲波傳感技術形成水聽器陣列，該類水聽器具有較好的聲壓響應一致性，聲壓靈敏度約為−157.8dBrefrad/uPa，該技術的湖上測試中可以清晰的采集到初至波以及續至波，不僅為海上資源勘探技術提供一種新的技術方案，也促進了我國水聽器研發技術的發展。

        ②矢量水聽器

        矢量水聽器是一種能夠共點、同步、獨立地測量聲場標量和質點振速矢量各正交分量的聲學傳感器，按照測量原理可分為壓差式和同振式2種。目前，壓差式矢量水聽器由于對敏感元件要求較高、制作工藝復雜、靈敏度低、易受干擾等缺點逐漸淘汰于市場；相反，同振式矢量水聽器具有性能可靠、靈敏度高以及低頻指向性好等優點，應用愈加廣泛。近幾年矢量水聽器技術及其矢量信號處理技術取得快速進步，已廣泛應用于聲吶系統的研制。在應用了新型壓電單晶材料PMNT和PZNT，使得水聽器體積減小、靈敏度提高、自噪聲降低。矢量水聽器主要應用于岸基陣、拖曳陣、舷側陣等，隨著低頻技術的進步，低頻矢量水聽器還應用于海洋環境噪聲測量、潛/浮標等系統。

        ③MENS水聽器

        隨著微電子制造技術的快速發展，MENS技術已應用于水聽器技術中。美國國防先進計劃研究局更是將MENS技術設置成先進技術領域的六大方向之一。作為軍民兩用的MENS技術，在國內得到快速發展，涌現出一批在高靈敏度、抗噪聲、自定位及目標信息識別方面的技術成果，水聽器產品形式也從單一的硅阻式、硅電容式、壓電和壓電薄膜等形式發展為AIN壓電陶瓷薄膜。

        三、水聲換能器技術的展望

        本文上節介紹了水聲換能器功能性材料技術、常用水聲換能器、水聽器技術等方面的研究進展，本文未能詳盡敘述我國水聲換能器技術研究，但也具有代表性，基本描述我國水聲換能器發展的現狀。

        雖然，我國在材料性能、工藝、結構等方面取得一定的成績，仍難以滿足現代水聲設備發展的需求，仍需加強以下幾方面的技術研究：

        ⑴提高材料與環境適應性研究。每種材料具有其特定的物理特性，在不同作業環境中，其特性的變化直接影響換能器及基陣的可靠性。如何獲取其穩定性與環境間的關系研究亟待加強。

        ⑵加強新型材料的研究。水聲換能器技術的突破取決于功能材料技術的突破，典型的新型材料超磁致伸縮材料、弛豫鐵單晶材料和壓電復合材料由于其特定的性能優勢，在水聲設備中具有廣闊的應用前景。然而，同一材料難以同時實現所有指標最優化，所以，為充分發揮新型材料的性能優勢，關鍵是要根據水聲換能器的具體應用需求對材料的結構和性能進行設計與研究。

        ⑶加強不同領域間的合作。我國目前的水聲換能器技術面向的領域主要集中在軍事方面，專利技術成果轉化率較低，未形成產業化發展，后續研究中應加強科研院所與軍方、企業等之間的合作，實現多方的協同創新，從而有效推進水聲換能器技術研究的深度和實用性。

        ⑷發展新型結構。根據材料特性探索新材料與新結構結合研究，以此實現換能器技術由“跟跑”到“領跑”的跨越。

        四、結語

        近幾年，隨著材料科學技術、微電子技術、數字技術及其信息處理技術的發展，水聲信息系統在對信息的綜合一、探測和數據處理的水平日益提升的同時，對信息的發送和收集質量及其頻帶寬度等方面也有了較高的需求，尤其是在一些特殊的應用領域，超強功率的換能器得到快速發展。文中敘述僅是眾多經典之作中的冰山一角，涉獵內容難免局限片面，總結深度不夠，希望能給大家研究提供一定的借鑒。

        不同的應用領域對水聲換能器的指標要求也大不相同，如主動聲吶遠程探測及海底資源勘探應用中要求發射換能器具有低頻大功率發射特性；聲吶校準系統中要求換能器具有超低頻、超寬帶發射特性；水聲通信領域中則要求水聲換能器具有高效率、寬帶、深水工作特性等。低頻可以打破潛艇的隱身技術，大功率可以探測更為深遠距離的目標，同時體積小，質量輕，可提高艦艇作戰能力。所以如何開發出具備更低頻、高接收靈敏度、寬帶水聲換能器成為一項重大的技術問題。