水声换能器技术展望

水声换能器技术展望周利生夏铁坚(杭州应用声学研究所,杭州310012)1引言在现代海洋军事斗争中，探测安静型、隐形化目标，发展有效的水中兵器，加强自防御措施，都是建立可信赖的作战能力不可缺少的组成部分。然而，面临的严峻问题是作战对象高隐身性能所带来的威胁正在与日俱增，其先进的隐身技术、传感技术、信号处理技术的快速发展，使得潜艇作战、反潜作战、反水雷战等都变得越来越困难；在海洋科技日新月异创新发展的今天，基于水声技术进行海洋环境动态变化的监测和预测、海-气相互作用与气候变化预测、海洋生物和矿产资源调查与评估、领土划界和现代航海安全保障等成为十分有效的手段之一。为了实现海军攻防和海洋发展战略的要求，各国科学家正在不断追求新的解决方法，一方面加强水声物理和信号处理方法方面的基础研究，另一方面加强水声换能器及基阵技术的研究，重点研究新机理、新材料换能器及布阵技术。近50年来，随着机械学、电磁学、固体物理学及海洋声学的进步，水声换能器得到了快速的发展和应用，本文将重点总结水声换能器的发展趋势。2水声换能器技术发展历程声纳换能器和基阵随着反潜战设备的发展已由二次大战期间的数百瓦声功率发展到今天兆瓦级的大型基阵，工作频率已由初期的20kHz左右，逐渐向两端拓展，一般为几赫兹～几兆赫兹。主要换能器的有源材料由原来的镍片材料、磷酸二氢铵（ADP）及罗谢尔盐压电单晶材料等逐步发展到今天的一元系、二元系的压电陶瓷材料之后的三元、四元系压电陶瓷材料以及新型Terfenol-D超磁致伸缩材料和压电复合材料等，换能器采用的振动模式由原来的纵向振动和径向振动方式逐步发展为除纵向振动和径向振动方式外，还有弯曲振动、容腔振动、弯曲伸张振动和非共振以及多种模式共存等。而实现电声转换的机理，除光声外没有多少发展，只是关键技术、关键工艺、关键材料不断得到解决。50年来声纳换能器技术发展主要靠以下四个方面因素而推动[1-6]。（1）水声传播领域的广泛研究已证实，为了提高声纳探测与定位能力，应选择低频和宽带的信号形式,对低频、大功率换能器和宽带换能器提出了越来越迫切的需求。（2）新型换能器材料和概念的出现，使换能器的声电参数（灵敏度、功率容量和电声效率等）有了十分明显的提高。（3）声纳基阵性能的改善，引入速度控制的概念，并解决了复杂的基元互作用问题。水下声系统综合分析的需求促进了先进的计算机建模技术不仅仅用于换能器本身的分析而且用于换能器、基阵、安装平台、声障板以及海水介质的一体化研究。（4）此外，随着数值建模技术的发展，新结构形式、新有源和无源材料的新组合形式，也推动换能器技术的发展；硅片、光电技术、信号处理及传输技术的进步使大孔径、多维相控基阵得到有效发展；数字海洋、透明海洋的要求促进深水换能器及高频换能器及基阵的快速发展。我国的水声换能器技术的发展虽仅仅四十多年，但已以在材料、工艺和设计技术方面取-1-得了长足的进步，集中地表现为：常规压电陶瓷材料较好地满足了水声换能器应用需求，基本具备了压电复合材料、PMN-PT压电单晶、PVDF压电薄膜、Terfenol-D超磁致伸缩等新型材料的小批量生产能力。常规的纵向发射换能器、圆柱形水听器较好地满足声纳基阵的布阵需求；基本掌握了低频溢流式圆柱换能器、弯张III型和IV型换能器、纵向多模发射换能器设计方法和制作工艺。掌握了声纳圆柱、线和平面等常规基阵的设计方法；一些特殊场合应用的矢量水听器、中高频宽带收发换能器取得明显的进步。光纤、MEMS新型水听器的关键技术取得较大进展；部分深水低频大功率发射换能器技术取得较大突破。3水声换能器技术进展和发展方向声纳换能器的技术发展正如前面指出主要来自四方面的因素而推动。下面从材料技术、水听器和换能器技术三个方面分别阐述。3.1换能器材料水声材料是水声换能器及基阵不可或缺的一部分，主要分为两大类，一类材料具有电声或声电转换能力，叫作水声换能材料；另一种材料本身不具备上述功能，可是在水下声系统内部，能有效地影响声学系统的声性能，叫作水声无源材料[7]。声纳工程实践证明，换能材料在水声工程中非常重要，但无源材料也不可缺少，其构件的性能好坏，直接影响着声纳系统的技术指标。目前主要使用的水声换能材料包括压电陶瓷材料、压电复合材料、压电单晶材料、压电聚合物材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料等。目前主要使用的无源材料包括透声材料、吸声材料、折声材料、反声材料、去耦材料、粘接剂、防海生物材料以及特殊用途其它声学材料等。3.1.1新型换能材料近年来，新型换能材料的出现和应用，促进了新型换能机理、新型结构形式的换能器技术的发展，取得了许多令人瞩目的研究成果。图1PMN-PT铁电单晶换能器图2Terfenol-D棒弛豫铁电单晶材料PMNT和PZNT是二十世纪90年代发展起来的新型压电材料，以其优异的压电性能引起了国际上的极大关注。其压电系数d33和机电耦合系数k33分别高达2000pC/N和0.9以上，应变量达到1.7%，机电转换效率和应变量大大超过了现有PZT压电陶瓷材料，特别适合于高效率、高灵敏度收发换能器的研制[8-9]。美国海军水下作战中心-2-（NUWC）研究了PMNT、PZNT弛豫铁电单晶材料在电场和预应力作用下的特性，认为其力学性能基本满足换能器预应力设计要求。该中心研究用于未来轻型鱼雷和水下无人载体（UUVs）自导声基阵的阵元，并进行了相关实验。我国开展了弛豫铁电单晶材料的生长技术、性能表征、极化工艺、退火和加工工艺研究，已研制出高居里点、高相变温度的PIMNT弛豫铁电单晶材料，并通过对弛豫铁电单晶换能器的换能机理、性能与预应力变化规律、工艺技术等关系研究，形成了可以发挥弛豫铁电单晶材料优势的单晶换能器设计和工艺方法[10-11]，研制的样品换能器如图1所示。稀土超磁致伸缩材料（GiantMagnetostrictiveMaterials，简称GMM，国外称为Terfenol-D）和铁镓材料（Fe-Ga二元合金，简称Fe-Ga，国外称为Galfenol），是性能优越的功能材料，它具有大应变、高能量密度等特性，作为战略材料受到各国的高度重视，特别适合于大功率、低频、小尺寸水声换能器的研制，与传统的压电陶瓷材料相比，具有独特的竞争优势[12-14]；同时由于材料具有的高能量密度、高可靠性等特点，也适合大功率磁致伸缩超声换能器的研制，与传统的压电陶瓷材料超声换能器相比，其功率输出、可靠性与寿命可得到大幅度提升。国内外用Terfenol-D这种材料研制了多种结构形式的低频水声换能器，包括纵向振动换能器、多型弯张换能器和拼镶式换能器等[13]。1995年美国研制的Terfenol-D材料Ⅶ型弯张换能器谐振频率为930Hz，声源级达到212dB，声功率达14kW，机械Q值为4.7，换能器重量为15.4kg。美国水下作战中心和其它研究机构已经研制出了磁致伸缩—压电混合型多模态耦合纵向换能器，它综合了磁致伸缩材料和压电陶瓷材料分别在低、中频范围的优势，具有低频、宽带、高效率和体积小等优点。我国开展此领域的研究工作始于上世纪90年代，尽管落后西方国家近20年，但取得了突出成就，具有了自主知识产权的Terfenol-D材料批产技术和能力，国产的Terfenol-D棒如图2所示。并突破纵向振动换能器、弯张换能器和拼镶式换能器等关键技术，基本形成了工程应用能力[14-15]。具有高磁致伸缩性能和优异力学性能的新一代超磁致伸缩材料Fe-Ga合金，压磁系数d33≥20nm/A、拉伸强度≥600MPa、在0～100°C范围内，磁致伸缩的温度系数≤0.6×10－6/°C、居里点≥650°C，其在低场下有很高的磁致伸缩系数，在不同压力下压磁系数稳定，居里点高，温度稳定性高，并且具有良好的力学性能，具备发展成为深水高稳定性水声换能材料的必要条件，为研制深水水声换能器和实现水声换能材料和换能器更新换代提供了重大机遇。美国ONR(OfficeOfNavalResearch)高级研究人员JanF.Linberg在2004年撰文指出，“Fe-Ga合金材料无压电PZT材料具有的脆性缺点，能够进行任意加工使用且保持足够的机械强度和高的磁致伸缩特性，具有天然的抗冲击性，具有取代现有的所有水声换能器驱动用压电陶瓷材料的潜力”。我国此方面研究应加强。图31-3型压电复合材料此外，纳米压电材料、压电复合材料以及铁电聚合物换能器等新型换能器也引起了各国的广泛重视[15-19]。IEEE文库从1998年至2006年有关压电复合材料及其水听器的研究报-3-告近100篇，有关纳米压电复合材料及其水听器的研究报告近50篇。我国应加大压电复合材料的研究力度，尤其是提高1-3型压电复合材料的制备工艺水平和加强压电复合材料压电特性的基础理论研究。1-3型压电复合材料的示意图如图3所示。3.1.2新型水声无源材料能元件、金属或非金属结构件、水密透声件、其它辅助材料构件以水声换能器的声辐射或接收面；反声材料和构件主要用在除换能器声辐射望的信号源或噪声源与传感器之间水声换能器一般由包含功及电缆等构成，涉及的主要无源声学材料包括水声透声材料、反声材料、去耦材料、匹配材料以及特殊用途其它声学材料等，要求材料和构件在使用温度、压力、频段范围内性能稳定是最基本的要求。透声材料主要用作面或接收面以外的部分，用来屏蔽反向声波、改善指向性，对于纵向棒式发射换能器，反声材料和构件置在换能器除辐射面的周围，以减少声波的后辐射能量；对于圆柱式空腔换能器，反声材料和构件置在换能器部分辐射或接收面的周围，以改善换能器的水平方向性；对于溢流式发射换能器，反声材料和构件置在换能器部分辐射面的周围或内腔，以改善换能器的方向性和灵敏度频响特性。通常材料或构件为封闭泡沫材料或封闭空气腔；去耦材料主要用在换能器驱动振子或接收敏感元件与非振动的结构件间的去耦，也就是声学失配材料，除此之外，一些特殊的换能器，如耐高静水压换能器、高频换能器、匹配层换能器等还涉及到填充材料、背衬材料、折声透镜材料和声匹配层材料等。反声障板是声纳基阵的重要组成部分，通常被安装在不希，用来屏蔽不需要的信号，以改善基阵指向性和频响特性。对于一个性能好的反声障板，要求其特性阻抗与海水的特性阻抗失配，即反声障板的特性阻抗远远大于（声硬障板）或远远低于（声软障板）海水的特性阻抗。一种典型的多孔反声障板如图4所示，带有反声障板的声基阵如图5所示。图4多孔反声障板图5带有反声障板的声基阵外早在20世纪20年代开始水声材料的研制，随着水声换能器的发展，水声橡胶材料已发型国展成系列产品。如西方发达国家在大量可靠性试验和材料工艺改进的基础上，现有基于丁基、氯化丁基、天然橡胶、聚氨酯基体等多种不同结构形式的透声、反声、吸声材料等，这些材料可供不同类型和不同制作工艺的换能器和不同工作环境要求选择使用；为解决深水耐压换能器声学材料高的刚度的要求，研制出可在500m以上深度应用的透声、反声、吸声和去耦复合材料。我国从20世纪60年代开始水声材料的研究工作，现有透声、吸声、反声等多种系列产品，基本满足国内换能器的需要，但受国内材料发展的限制，现有声学材料存在不少缺陷，如材料的弹性模量随温度变化起伏较大，引起材料的声学特性发生变化，从而影响换能器的性能；现在使用的声学材料刚度差，耐压低，不能满足深水耐压使用等。美国水声物理实验室在水声材料的开发和研究方面，投入了大量的人力和物力，从模-4-设计学、电学以及力学究。建议材料和应用向结合，加强材料、结构、工艺、建模和检测方海水声折射率相当或.2水声换能器鱼雷、水雷和水下无人作战平台是未来海战的主要威胁，尤其在浅海环境下，3.2.1水听器技术及基阵一种。光纤水听器是利用光纤的传光特性以及它与周围声场相互振幅型(也叫强度型)和相位型(也叫干涉仪型)两种。振幅传感器的原理是对声、材料参数设计和材料老化分析，积累了丰富的经验和可靠性数据。国内近多年来，结合换能器和基阵的应用需求，虽在模型设计、材料性能仿真和工艺技术等方面取得一定的成绩，但难以满足现代水声设备的发展要求，应加强以下几方面的技术发展：（1）提高