何 濤

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 杭州 311400)

0 引言

21世紀(jì)海洋產(chǎn)業(yè)的開(kāi)發(fā)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。我國(guó)領(lǐng)海廣闊，海洋中蘊(yùn)含著豐富的財(cái)富，通過(guò)“蛟龍?zhí)枴薄ⅰ吧詈Ｓ率刻?hào)”等載人潛水器平臺(tái)，我國(guó)在深海資源勘測(cè)中取得了諸多重要成果。水聲技術(shù)是進(jìn)行海洋環(huán)境動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)、深水通信、深海定位等十分有效的手段之一，在深海資源勘探、水聲通信中，大量穩(wěn)定性好的深水換能器、水聽(tīng)器被廣泛應(yīng)用[1]。隨著我國(guó)海軍由近海向外海挺進(jìn)，海洋探測(cè)活動(dòng)不斷向深海發(fā)展，深海空間站等軍民融合技術(shù)的發(fā)展，需要對(duì)安裝在上面的水聲設(shè)備以及換能器、聲學(xué)材料等開(kāi)展聲學(xué)性能測(cè)試和評(píng)價(jià)工作。目前最高10 MPa的工作靜水壓已不能滿足當(dāng)前發(fā)展的需要，需要研究更高靜水壓水聲聲壓的計(jì)量技術(shù)。如果缺乏在高靜水壓下性能穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器，那么，檢測(cè)深水換能器的電聲參數(shù)就難以得到準(zhǔn)確、可靠的保證，甚至還會(huì)造成嚴(yán)重差錯(cuò)。因此，耐超高靜水壓水聽(tīng)器的研制和測(cè)試技術(shù)研究就顯得十分緊迫和必要，本文將報(bào)道一種20 Hz～20 kHz頻段、最大工作深度5000 m的超高靜水壓水聽(tīng)器。

在國(guó)外，丹麥B&K公司研制的8105型和8106型標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器，最大工作深度1000 m；美國(guó)Teledyne RESON公司研制的多型標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器能在1000 m靜水壓力下工作，極限深度2000 m；美國(guó)HighTech公司具有多型深水水聽(tīng)器產(chǎn)品，最大工作深度6000 m。在國(guó)內(nèi)，耐超高靜水壓寬頻帶的水聽(tīng)器公開(kāi)報(bào)道較少，一般最大使用深度為1000 m左右，與外國(guó)存在較大差距。文獻(xiàn)[2]對(duì)半球形壓電水聽(tīng)器靈敏度隨靜水壓變化進(jìn)行了探討，對(duì)水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算并未涉及。文獻(xiàn)[3]對(duì)高靜水壓下水聽(tīng)器靜態(tài)電容變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)該變化對(duì)靈敏度影響進(jìn)行了分析并提出解決方案。在水聽(tīng)器實(shí)際使用中，不同靜水壓下的接收靈敏度是用戶非常關(guān)心的性能參數(shù)，目前，國(guó)防科技工業(yè)水聲一級(jí)計(jì)量站“高靜壓水聲聲壓耦合腔標(biāo)準(zhǔn)裝置”能實(shí)現(xiàn)水聽(tīng)器最高10 MPa下低頻靈敏度測(cè)試。

1 超高靜水壓水聽(tīng)器設(shè)計(jì)

1.1 敏感元件選擇

敏感元件是水聽(tīng)器的核心，其性能對(duì)水聽(tīng)器主要性能起決定性作用。硫酸鋰晶體是一種高靈敏度、高穩(wěn)定性的材料，它是體積膨脹型材料，在晶體表面不需用空氣腔或橡皮之類的壓力釋放材料，有高的溫度、壓力和時(shí)間穩(wěn)定性，是理想的耐高壓水聽(tīng)器敏感元件的材料，它在USRD研制的標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器中被大量使用，研制成功的H52型水聽(tīng)器最大使用深度5200 m。

美 國(guó) 科 學(xué) 家Krueger等[4]分 別 對(duì)PZT-4、PZT-5、陶瓷B和鈦酸鋇鉛四種陶瓷材料在高靜水壓下的性能影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在四種陶瓷材料中，PZT-4受壓力作用時(shí)間影響較小，靜水壓下性能變化最小，因此更加適合作為接收換能器使用。

兩種方案比較，硫酸鋰晶體具有高的壓力穩(wěn)定性，但水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高頻指向性起伏較大，壓電陶瓷PZT-4壓力穩(wěn)定性良好，水平全向，獲取容易，因此最終選用壓電陶瓷作為高靜水壓水聽(tīng)器敏感元件。

文獻(xiàn)[3]對(duì)一種薄壁球形壓電陶瓷和一種圓柱形壓電陶瓷在不同靜水壓下靜態(tài)電容進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 水聽(tīng)器靜態(tài)電容隨靜水壓變化Table1 Static capacitance of hydrophones with static pressure

從表1可以看出，隨著靜水壓升高，徑向極化的球形水聽(tīng)器和圓柱形水聽(tīng)器靜態(tài)電容降低，球形水聽(tīng)器電容變化率大于圓柱形水聽(tīng)器。當(dāng)水聽(tīng)器連接一定長(zhǎng)度電纜后，其接收靈敏度會(huì)發(fā)生衰減。如該球形水聽(tīng)器帶15 m電纜后，高靜壓下和常壓下由于電纜衰減不同，靈敏度相差3.1 dB。對(duì)于柱形壓電陶瓷，經(jīng)計(jì)算，常壓與50 MPa相比較，電纜引起的靈敏度變化為0.9 dB，因此選用厚壁的圓柱形壓電陶瓷，水聽(tīng)器壓力穩(wěn)定性更好。

1.2 元件耐壓及靈敏度計(jì)算

壓電陶瓷在高靜壓下會(huì)發(fā)生退極化，根據(jù)相關(guān)資料，退極化靜壓在100 MPa以上[5]，因此在最高50 MPa時(shí)不會(huì)引起材料退極化。從機(jī)械強(qiáng)度考慮，壓電圓管在外壓作用下，壓力過(guò)高會(huì)發(fā)生周向彈性和塑形失效，其結(jié)構(gòu)會(huì)受到破壞，從而引起水聽(tīng)器失效。對(duì)于本文選用的壓電陶瓷圓管，規(guī)格為Φ25 mm×Φ19 mm×12 mm，其最大許用外壓可表示為[6]

式(1)中，p為圓管許用外壓；m為安全系數(shù)，通常取3；K為圓管特征系數(shù)，取2.2；E為材料彈性模量；δe為圓管厚度；D0為圓管外徑。

經(jīng)計(jì)算該規(guī)格元件能承受最高靜水壓為96.9 MPa，因此在最高50 MPa條件下使用具有較高的安全性。

對(duì)壓電圓管的振動(dòng)模態(tài)分析，已經(jīng)有較多科研人員進(jìn)行了研究[7]。為保證接收靈敏度平坦，水聽(tīng)器工作頻率范圍應(yīng)遠(yuǎn)離諧振頻率，一般使用頻率上限小于諧振頻率的0.7倍。對(duì)于本文選用的壓電陶瓷圓管，因圓管高度小于圓管直徑，其徑向諧振頻率可以用公式(2)進(jìn)行近似計(jì)算：

式(2)中，a為圓管的平均半徑，sE11為壓電陶瓷的柔順常數(shù)，ρ為壓電陶瓷密度。

經(jīng)計(jì)算，壓電陶瓷圓管空氣中諧振頻率為47.2 kHz。利用3532-50 LCR測(cè)試儀對(duì)壓電圓管GB進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)諧振頻率為48.75 kHz，遠(yuǎn)高于最高使用頻率20 kHz。

對(duì)于徑向極化的壓電陶瓷圓管，其低頻接收靈敏度可用公式(3)進(jìn)行計(jì)算[8]：

式(3)中，r2為圓管外半徑，r1為圓管內(nèi)半徑，g31、g33為壓電陶瓷壓電電壓常數(shù)。

經(jīng)計(jì)算并采用分貝表示，水聽(tīng)器低頻接收靈敏度約為-200.6 dB，兩個(gè)圓管串聯(lián)，理論接收靈敏度-194.6 dB。

1.3 水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)1.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，水聽(tīng)器敏感元件采用厚壁PZT-4壓電陶瓷圓管，兩個(gè)陶瓷元件串聯(lián)。高靜水壓水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要解決3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。(1)蓋板及支撐桿等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。本文采用強(qiáng)度較高的無(wú)極性陶瓷作為蓋板，強(qiáng)度較高的鈦合金作為支撐結(jié)構(gòu)，并增加材料厚度以提高抗壓強(qiáng)度，以滿足50 MPa高靜水壓下使用安全。(2)高靜壓去耦材料合理選用。軟木橡膠、硬質(zhì)聚氨酯泡沫等常規(guī)去耦材料，最大耐靜水壓力一般不大于10 MPa，超過(guò)最大工作深度，性能急劇變差，本文選用高強(qiáng)度復(fù)合泡沫作為元件間的去耦，該材料密度僅為0.7 g/cm3，壓縮強(qiáng)度大于90 MPa，是一種理想的高靜壓去耦材料。(3)水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)與高靜水壓測(cè)量設(shè)備的配合。水聽(tīng)器制作完成后，其高靜水壓下的低頻接收靈敏度需在腔體內(nèi)測(cè)試，本文水聽(tīng)器支撐結(jié)構(gòu)直徑與測(cè)量腔體開(kāi)孔尺寸相同，采用兩道徑向密封圈實(shí)現(xiàn)密封，便于水聽(tīng)器性能測(cè)試，設(shè)計(jì)完成的水聽(tīng)器剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of hydrophone structure

2 水聽(tīng)器性能測(cè)試

2.1 水聽(tīng)器常壓下測(cè)試結(jié)果

制作完成的水聽(tīng)器，在振動(dòng)液柱及中低頻消聲水池中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試頻率范圍20 Hz～20 kHz，測(cè)試參數(shù)為常壓下接收靈敏度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 接收靈敏度曲線Fig.2 Receiving sensitivity frequency response

從圖2中可以看出，在20 Hz～20 kHz頻率范圍內(nèi)，水聽(tīng)器常壓下接收靈敏度平坦，電纜末端低頻接收靈敏度為-195 dB，與理論計(jì)算符合較好。

2.2 高靜水壓下接收靈敏度測(cè)試結(jié)果

利用自行研制的高靜水壓耦合腔對(duì)水聽(tīng)器高靜水壓下低頻接收靈敏度進(jìn)行測(cè)量，該腔體為圓柱形，內(nèi)部尺寸為Φ150 mm×150 mm，厚度75 mm，最高靜水壓50 MPa。采用三換能器互易法進(jìn)行校準(zhǔn)，頻率范圍20 Hz～1000 Hz，靜水壓分別為5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 高靜水壓下低頻接收靈敏度曲線Fig.3 Frequency response of sensitivity under different hydrostatic pressure

從圖3可以得到水聽(tīng)器低頻接收靈敏度隨靜水壓變化趨勢(shì)如下：

(1)隨著靜水壓增大，水聽(tīng)器低頻接收靈敏度逐漸升高，在壓力為20 MPa時(shí)達(dá)到最大；

(2)在接收靈敏度達(dá)到最大值后，隨著靜壓力的進(jìn)一步增大，接收靈敏度開(kāi)始下降，靜水壓越大，接收靈敏度越低；

(3)在20 Hz～1000 Hz頻率范圍，5 MPa～50 MPa水聽(tīng)器接收靈敏度最大變化為1.5 dB，說(shuō)明該水聽(tīng)器具有良好的壓力穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文介紹了一種頻率范圍在20 Hz～20 kHz的圓柱形超高靜水壓水聽(tīng)器，突破了高靜水壓水聽(tīng)器設(shè)計(jì)制作及高靜水壓性能測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)，給出了該水聽(tīng)器常壓下的接收靈敏度以及低頻接收靈敏度隨壓力變化趨勢(shì)。測(cè)試結(jié)果表明該水聽(tīng)器接收靈敏度隨壓力變化較小，5 MPa～50 MPa壓力范圍內(nèi)20 Hz～1000 Hz頻帶水聽(tīng)器接收靈敏度起伏最大為1.5 dB，具有良好的壓力穩(wěn)定性，有望在超高靜水壓校準(zhǔn)、深海資源勘測(cè)、深海通信等方面獲得廣泛應(yīng)用。