王冬石 程宏

（1.中海油田服務(wù)有限公司，燕郊，065201；2.昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，昆明，650051）

應(yīng)用于某半潛式鉆井平臺(tái)的超短基線定位(USBL)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)工作溫度為0℃～55℃，但針對(duì)該平臺(tái)將赴寒帶（海水溫度在 0℃以下，海上最低環(huán)境溫度?15℃）作業(yè)時(shí)對(duì)超短基線定位系統(tǒng)的應(yīng)用需求，需開(kāi)展超短基線定位系統(tǒng)寒帶應(yīng)用可行性評(píng)估。其中，超短基線陣及應(yīng)答器換能器耐低溫性能評(píng)估與測(cè)試是一項(xiàng)重要內(nèi)容，由于在國(guó)內(nèi)換能器從未開(kāi)展過(guò)低溫條件下的工作測(cè)試，需研究制定低溫測(cè)試方案，進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試工作，通過(guò)測(cè)試結(jié)果評(píng)估超短基線定位系統(tǒng)的基陣和應(yīng)答器換能器能否滿足海水低溫工作條件。

1 耐低溫性能評(píng)估

超短基線定位系統(tǒng)由水下應(yīng)答器、超短基線基陣、信號(hào)處理設(shè)備及顯控設(shè)備等組成。其中，超短基線陣及應(yīng)答器換能器主要包括以下幾個(gè)部分：金屬結(jié)構(gòu)、壓電陶瓷、水密聚氨酯橡膠材料。

首先，從材料角度來(lái)看，金屬結(jié)構(gòu)（包括TC4鈦合金及○型密封圈等）在?5℃情況下其屬性變化較小，可以忽略影響。

換能器核心部件的壓電陶瓷采用鋯鈦酸鉛固溶體PZT-4材料，該材料的各物理參數(shù)都隨溫度發(fā)生變化。為了保證壓電器件在較寬的溫度范圍內(nèi)可以正常地工作，應(yīng)用上要求壓電陶瓷材料的性能隨溫度的變化盡可能地小。因此，壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性問(wèn)題受到人們的高度重視，開(kāi)展了廣泛的研究。在?30℃到200℃的范圍內(nèi)，壓電陶瓷的性能變化趨勢(shì)均有學(xué)者做過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)[1-4]，隨著溫度的降低，壓電陶瓷的介電常數(shù)ε較常溫下會(huì)有細(xì)微下降[1]，但不影響正常使用。

基陣和換能器的包覆材料采用的是聚氨酯橡膠材料，其低溫性能通常用脆性溫度（玻璃化溫度）來(lái)衡量。聚氨酯彈性體具有良好的低溫性能，主要表現(xiàn)在脆性溫度一般都很低（?70℃～?40℃），典型的澆注型聚氨酯彈性體的脆性溫度如表1所示。

表1 典型的澆注型聚氨酯彈性體的脆性溫度及其比較

文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)果表明，聚氨酯材料在?10℃條件下的透聲系數(shù)較40℃時(shí)減小比率在8%以?xún)?nèi)，且與金屬材料鈦合金的粘合性性能較好。隨著溫度的下降，聚氨酯彈性體的硬度、拉伸強(qiáng)度將增大，而回彈和扯斷伸長(zhǎng)率下降。實(shí)際使用過(guò)程中聚氨酯不存在受力的情況，因此在?5℃左右不影響使用。從材料的環(huán)境適應(yīng)性分析，換能器在?5℃左右可以正常使用。在此基礎(chǔ)上我們開(kāi)展了實(shí)際測(cè)試。

2 低溫冷凍試驗(yàn)

將基陣或應(yīng)答器換能器放入消聲水池中測(cè)試其導(dǎo)納數(shù)據(jù)，分四種情況：常溫（18℃）條件下；?5℃冷凍8 h后；?20℃冷凍8 h后；冷凍后放置恢復(fù)到常溫條件下。對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，判斷低溫冷凍后基陣和換能器是否會(huì)產(chǎn)生異常。基陣和應(yīng)答器換能器的測(cè)試結(jié)果如圖1～圖2所示。

圖1 基陣在不同溫度條件下導(dǎo)納曲線

對(duì)于基陣和應(yīng)答器換能器而言，在常溫、?5℃冷凍、?20℃冷凍后以及恢復(fù)常溫后測(cè)試，不同條件下測(cè)量的導(dǎo)納數(shù)據(jù)與常溫下的測(cè)量數(shù)據(jù)相比，同一頻點(diǎn)導(dǎo)納變化率均在±20%以?xún)?nèi)，屬于正常范圍，表明經(jīng)過(guò)低溫冷凍后，基陣和換能器未出現(xiàn)異常。

圖2 應(yīng)答器換能器在不同溫度條件下導(dǎo)納曲線

3 常溫和低溫水下工作測(cè)試與比較

配置可設(shè)定溫度的768 L冰柜，在冰柜中加注海鹽和雜質(zhì)，模擬海水最低溫不結(jié)冰環(huán)境（不低于?5℃），我們用海鹽配制了質(zhì)量濃度為 10%的氯化鈉水溶液，其冰點(diǎn)為?10℃。將基陣或應(yīng)答器換能器放入冰柜低溫水中，測(cè)試信號(hào)為脈寬3 ms的CW信號(hào)，收發(fā)間距約80 cm，通電連續(xù)工作，測(cè)試其接收信號(hào)幅度，與常溫下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。

我們分別在常溫（水溫7℃）、?3℃水溫（冷凍測(cè)試 1）和?5℃水溫（冷凍測(cè)試 2）三種條件下開(kāi)展了基陣和應(yīng)答器換能器水下工作實(shí)際測(cè)量，加電測(cè)試其發(fā)射和接收信號(hào)的幅度等參數(shù)，并觀察接收波形有無(wú)失真，與常溫下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較。由于在此測(cè)試條件下界面反射疊加嚴(yán)重，我們選擇CW脈沖前沿8個(gè)周期無(wú)反射疊加影響的波形進(jìn)行測(cè)量，讀取其幅度均方根值。圖3為不同水溫下應(yīng)答器發(fā)射、基陣接收信號(hào)幅度比較，圖4為不同水溫下基陣發(fā)射、應(yīng)答器接收信號(hào)幅度比較。

圖3 應(yīng)答器發(fā)射，基陣接收低溫冷凍前后工作性能比較

圖4 基陣發(fā)射、應(yīng)答器換能器接收低溫冷凍前后工作性能比較

從文獻(xiàn)[3]、[4]和[7]的研究成果來(lái)看，壓電陶瓷的諧振頻率隨溫度變化主要是由兩個(gè)因素引起的，一是溫度引起幾何尺寸的變化，一是溫度引起材料彈性柔順系數(shù)的變化。

表征材料幾何尺寸變化的參數(shù)為膨脹系數(shù)，其數(shù)量級(jí)大約為 10?6℃；彈性柔順系數(shù)的溫度系數(shù)的數(shù)量級(jí)為10?4℃。由此可見(jiàn)，引起諧振頻率隨溫度發(fā)生變化的兩個(gè)因素中，彈性柔順系數(shù)的變化是主要因素。壓電陶瓷的諧振頻率與彈性柔順系數(shù)的關(guān)系如下：

其中，fr為壓電陶瓷的諧振頻率，l為壓電振子的長(zhǎng)度，ρ為材料密度，為材料彈性柔順系數(shù)。

由材料的微觀粒子學(xué)分析，隨著溫度的升高，粒子熱運(yùn)動(dòng)加劇，粒子間平衡距離增大，粒子間相互作用力減弱，因而在較小應(yīng)力作用下就能產(chǎn)生較大的形變，即彈性柔順系數(shù)變大；相反在低溫條件下壓電陶瓷的彈性柔順系數(shù)較小，則諧振頻率較常溫下升高。圖3中21 kHz時(shí)接收幅度較常溫條件小，圖4中在25 kHz和27 kHz的接收幅度較常溫條件大，這是諧振頻率升高的結(jié)果，與理論分析結(jié)果一致?？傮w而言，在?3℃和?5℃水下基陣和應(yīng)答器換能器收發(fā)信號(hào)幅度與常溫下無(wú)明顯差異，信號(hào)波形也無(wú)失真，基陣和應(yīng)答器換能器能夠正常工作。

4 結(jié)論

關(guān)于換能器低溫水下工作測(cè)試此前在國(guó)內(nèi)未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道，為滿足極地寒帶的應(yīng)用要求，我們開(kāi)展了相關(guān)工作，在?3℃和?5℃水溫下基陣和換能器信號(hào)接收正常，換能器諧振點(diǎn)最大上移了約1 kHz，但不影響超短基線定位系統(tǒng)工作。根據(jù)各國(guó)對(duì)極地海域的考察數(shù)據(jù)，海水最低溫度不低于?2℃，因而現(xiàn)有壓電陶瓷材料的基陣和換能器完全能滿足低溫水下使用要求，只是在零下幾十度環(huán)境下的儲(chǔ)存和運(yùn)輸需采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

該項(xiàng)試驗(yàn)成果為超短基線定位系統(tǒng)的寒帶應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，系統(tǒng)隨半潛式鉆井平臺(tái)在北極（海底水溫?0.8℃）作業(yè)期間工作正常，為平臺(tái)作業(yè)提供了可靠的安全保障?；嚭蛽Q能器在低溫水下長(zhǎng)期工作的壽命和可靠性今后尚需開(kāi)展進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)。

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