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        圓柱形超高靜水壓水聽(tīng)器設(shè)計(jì)與測(cè)試

        2019-12-04 07:41:58
        應(yīng)用聲學(xué) 2019年6期
        關(guān)鍵詞:靜水壓水聽(tīng)器圓管

        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。

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