水声发射换能器技术研究综述

　　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.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Terfeno-lD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.

　　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方面问题的解决途径重点分析.

　　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1560Hz、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-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II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,II弯张换能器工作频率在1 kHz以下,优质系数大于10W/(kg.kHz),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

　　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II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;