智能封堵器海底通信中水声换能器的研究

　　一、海底智能封堵器水声通信概述

　　用于海底管道维修的智能封堵器，要攻克的技术难关之一是如何实现智能封堵器的水上水下通讯系统，以完成平台的遥控操作。由于海洋环境的特殊性，采用了水声无线通信方式。水声通信系统不同于传统的无线通信系统，它必须通过非常特殊的水声信道，即通过海水媒质传输信息。

　　海水媒质极为复杂多变，传播过程中媒质对声能的吸收和波阵面的扩展导致信号的衰减;海面和海底对声波的散射和反射导致了多径现象;还有海水媒质的不均匀性以及水下存在大量的干扰噪声，都将使水声信号产生畸变。

　　本文的主要工作完成了在通信过程中起着重要转换作用的水声换能器的研究以及选型工作，并且通过水试实验确定了信号的水下传输频率。水声换能器是实现电声能量相互转换的器件，根据用途可分为发射器和接收器(或水听器)。智能封堵器通信信号流程如图1所示。此通信系统主要研究的是从母船或平台计算机操作界面发出指令数据，将数字信号经由modem转换调制成模拟信号，经过功率放大匹配电路，送至水声换能器，转换成声信号。作为工程水声领域的重要研究方向，水声换能器及其基阵是多门学科的综合利用，涉及到水声学、物理学、电子学、机械学、材料学甚至化学的有关知识。它的研究为解决水下信息的可靠传输和交换提供了重要的技术保障。

　　二、水声换能器的主要性能参数

　　在水声换能器的选型过程中考虑的主要性能参数有：

　　1.工作频率

　　换能器的工作频率是在特定的条件下依据声纳方程来选定的，并且其他一些重要的性能指标如指向性、发射声功率和接受灵敏度等均随频率变化。对于发射器来讲，一般皆使它工作在谐振基频上以获得大功率发射和高效率特性。对于水听器来说，则希望它工作在具有平坦的接受响应的频段上。

　　2.频带宽度Δf和机械品质因素Qm

　　频带宽度Δf与品质因素Qm有如下关系：，其中f0是机械共振频率。品质因素Qm与换能器的材料、结构尺寸、机械损耗及辐射阻抗有关，机械损耗和辐射阻抗愈大以及在共振频率附近的等效质量愈小，则Qm愈低，带宽变宽。

　　3.自由场接收电压灵敏度

　　自由场是指均匀、各向同性、没有边界的媒质，而实际中只是近似自由场，如消声水池。自由场电压灵敏度Me[4]是换能器输出端的开路电压e0与声场中引入换能器前在放置换能器位置处的自由场声压Pj的比值，表示为Me=e0/Pj，而自由场电压灵敏度级定义为：