海洋论坛▏莫喜平：水声换能器发展中的技术创新

莫喜平溪流之海洋人生 2021-10-08

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地球表面积的70.8％是海洋，辽阔的海洋是地球上最大的资源宝库，海洋也是国际军事斗争的重要阵地。海洋的研究、开发和利用离不开声波，声波是唯一能够在海洋中远距离传播的信息载体，海洋资源的勘探与开发、舰艇水下通信与导航、水下目标探测与识别、环境监测以及自然灾害预报等都依赖水声技术来实现。水声技术的发展需要各类水声换能器提供支撑，水声换能器的使命是在水下发射和接收声波，因此有“水声设备耳目”之称，可以说水声换能器的诞生标志着水声技术发展的开始，水声换能器一次次的技术进步是水声技术长足发展的重要前提和基础。

水声换能器不是简单孤立的学科，而是多学科交叉融合的技术领域，密切关联的学科主要包括：物理学、材料学、数学、力学、电子学、化学、机械科学等，因此水声换能器虽然仅有百余年的发展历程，现今已然成为生机勃勃的学科领域。来自水声技术领域的迫切需求是水声换能器发展的直接动力，而功能材料的发展和技术进步则是水声换能器发展最重要的物质基础。纵观水声换能器的发展历史，为了最大限度地满足水声领域日益倍增的技术需求，相应的功能材料不断进行更新换代，人们围绕各类功能材料的特性开展专门的应用研究，设计了新工艺、提出了新结构，改善和提升了换能器的综合技术性能，使换能器方面创新性研究成果层出不穷。笔者选择一些典型的发射换能器研究实例，从几个不同角度去分析、总结这些研究工作的创新思想，承望能给年轻的学者提供一定的指引与启迪，积极挖掘经典研究工作中深邃的思维财富。

一、基于功能材料的水声换能器技术创新

1915年法国的保罗·朗之万（Paul Langevin）等采用电容发射器和碳粒接收器进行了水声试验，这两种发射接收器件应是原始的水声换能器；1917～1918年郎之万设计并改进石英换能器，其振子是由若干个压电石英片夹在两块厚钢板之间构成，这种结构称作郎之万换能器。由于天然石英不能满足不断增加的需求，人们发现水溶性合成压电晶体罗谢尔盐比石英拥有更强的压电效应，但其稳定性问题限制了应用范围，而压电性稍有逊色的磷酸二氢铵（ADP）晶体，由于其性能较稳定，在第二次世界大战中得到了广泛应用。1920年磁致伸缩效应在水声换能器中得到应用；1925年镍磁致伸缩换能器被设计和应用；1931年对薄镍片的深入研究使磁致伸缩换能器得到快速发展，并逐步取代压电晶体换能器；1944年人们发现了钛酸钡陶瓷极化后具有很强的压电性，其损耗比磁致伸缩材料小很多，之后钛酸钡压电陶瓷换能器得到快速发展；1954年发现的极化锆钛酸铅陶瓷（PZT）具有更强的压电性，直至今日，PZT压电陶瓷仍然是水声换能器的主要功能材料。

20世纪70年代，美国Clark A E博士研制出稀土超磁致伸缩材料三元合金Terfenol-D，20世纪90年代以来高压电性、高能量密度的弛豫铁电单晶材料PZN-PT和PMN-PT相继被发现，这三种材料应用研究不断取得新突破，本节将重点介绍这几种新型功能材料换能器的研究成果。

⒈新一代磁致伸缩材料及其换能器

新一代磁致伸缩材料包括稀土合金材料及稀有金属合金材料等。稀土合金材料的超磁致伸缩效应最早在低温条件下发现。77K温度下Tb_0.6Dy_0.4材料的磁致伸缩应变最高值为0.65％，铽镝铁合金Terfenol-D在室温条件下磁致伸缩应变最高值为0.25％。有文献显示研制了超导线圈驱动磁致伸缩双活塞纵向换能器（如图1所示），稀土（铽镝）合金磁致伸缩棒置于冷气室内（温度50～60K），由制冷器的冷却塔循环制冷，冷气室内由超导材料线圈提供直流偏磁场和激发磁场，激发磁致伸缩棒产生伸缩振动并通过机械过渡件传递到活塞式辐射面，活塞式辐射面推动水介质产生压力波进行辐射。在结构中设计了真空腔，目的是隔绝热传导，真空腔外壁是穹形耐压罩，能承受10个大气压的压力。主要技术参数如下：谐振频率430Hz，最大声源级181.4dB，效率约为25％。这一换能器为了获得低温工作条件而使制作工艺复杂化，近些年人们愿意采用室温条件工作的Terfenol-D材料而简化制作工艺，同时以新结构形式实现优良的辐射性能。

图1　超导线圈驱动磁致伸缩双活塞纵向换能器

图2a是Butler等于1980年完成的Terfenol-D驱动八边形发射换能器，16根稀土棒分两层排布，每层的8根稀土棒通过楔形过渡块连成八边形并形成闭合磁路，过渡块与部分圆柱（接近45°圆心角）辐射面链接，过渡块之间通过高强度应力丝对稀土棒施加预应力，稀土棒内预应力约13.8MPa，换能器水中谐振频率775Hz，对比研究了直流偏磁场条件和无偏场条件的非线性驱动，分别实现了直流偏磁场条件下声源级189.8dB、无偏场非线性驱动条件下声源级196.2dB。

图2　磁致伸缩水声换能器

铁镓合金（Galfenol）是近几年兴起的一种新型磁致伸缩材料，其磁致伸缩应变介于镍和Terfenol-D之间，在300ppm（ppm为微变量，代表ΔL/L＝10^-6）以上，与Terfenol-D相比，具有相对磁导率较高（＞100）、机械加工性好、温度稳定性高和抗拉伸强度大等优点。由于铁镓合金材料具有良好的机械加工性能和高机械强度，可用来设计加工弯张换能器外壳，图2b为铁镓合金外壳的凹桶型弯张换能器研究实例，换能器驱动振子为Φ20mm×40mm铁镓合金元件及钕铁硼永磁薄片构成，并与辐射外壳形成闭合磁路，实验得到换能器发射电流响应168.4dB（谐振频率1750Hz），比相同几何尺寸的硬铝外壳换能器（谐振频率1900Hz）提高近5dB，体现了主动外壳的设计优势。

图2C是Butler等于2000年发表的磁致伸缩－压电联合激励宽带纵向换能器研究成果，纵向换能器由Terfenol-D单元和PZT叠堆联合驱动，实现了1.8KHz和3.5KHz双谐振峰耦合的宽带工作特性，文献同时报道了以该型换能器组成的4×4大功率平面阵，基阵声源级在1.5～6kHz频带内大于225dB。

图3为Terfenol-D多单元驱动的纵向换能器，作者巧妙设计了驱动单元，如图3a所示，其结构上采用永磁套筒施加偏磁场，使静态磁场与动态磁场磁路分开，且动态磁路中避免了低磁导率的永磁元件，增加了磁场能驱动效果；图3b为驱动单元实物图，将这样的4个驱动单元机械串联，与前盖板及尾质量块组成低频纵向换能器，中心螺杆施加预应力；图3c为换能器封装后实物图，换能器谐振频率1.6kHz，声源级177bB。

ａ.驱动单元结构；ｂ.驱动单元实物；ｃ.换能器实物。

图３　Terfenol-D四单元驱动磁致伸缩纵向换能器

磁致伸缩换能器的磁路设计非常重要，Butler以凹桶型弯张换能器为例通过有限元分析比较了6种磁路方案的工作效果，图4a-f的磁路结构分别为：连续稀土棒加纯铁导磁附件端盖及套筒、连续稀土棒加纯铁导磁附件端盖、连续稀土棒无纯铁导磁附件、稀土棒与永磁片组合加纯铁导磁附件端盖及套筒、稀土棒与永磁片组合加纯铁导磁附件端盖、稀土棒与永磁片组合无纯铁导磁附件，计算得到有效机电耦合系数分别为0.33、0.30、0.27、0.23、0.21、0.20，表明稀土振子由连续稀土棒变成稀土棒与永磁片组合后有效机电耦合系数明显降低。而纯铁导磁附件端盖及套筒对稀土振子的机电耦合性能具有一定的改善作用，但对于Terfenol-D这样相对磁导率较低的驱动材料其提高幅度较小，有效机电耦合系数由0.20到0.23或由0.27到0.33。

图4　凹桶型弯张换能器的6种磁路方案（a-f）比较

⒉新一代压电材料及其换能器

直到20世纪上半叶所有的压电材料都是单晶，多晶压电陶瓷钛酸钡首先在20世纪50年代被发现，继而是锆钛酸铅（PZT）于20世纪60年代被发现，这些压电陶瓷的性能远超过早期的单晶，而PZT自此以后成为水声换能器的主要功能材料。

在20世纪90年代中期新的压电单晶铌镁酸铅－钛酸铅（PMN-PT）与铌锌酸铅－钛酸铅（PZN-PT）被发现，这两种压电单晶材料具有非常高的饱和应变（超过1％）、低损耗、压电耦合系数高（大于0.9），显示了在水声换能器方向上增大功率和展宽频带的潜在优势。近些年，又发展了三元系铌铟酸铅－铌镁酸铅－钛酸铅（PIN-PMN-PT）和锰掺杂铌铟酸铅－铌镁酸铅－钛酸铅（Mn：PIN-PMN-PT）压电单晶材料，进一步改善了高电场条件的工作特性。

PMN-PT等压电单晶材料在水声领域应用是从纵向换能器设计研制开始的，Meyer等开展了系列研究工作，包括对33模式和32模式PMN-PT纵向换能器的详细分析，以及与PZT-8进行对比研究等。图5a为10片PZT-8圆片叠堆驱动的33模式纵向换能器、图5b为3片PMN-PT圆片叠堆驱动的33模式纵向换能器、图5c为4只PMN-PT长条组成“口”形的32模式纵向换能器，结果表明：利用PMN-PT和PZT-8制作同频率及发射声源级等参数基本相当的纵向换能器时，PMN-PT的晶堆长度仅为PZT-8的30％左右，显示了压电单晶材料制作小型换能器的技术优势；32模式可以使单晶材料按性能最佳的取向进行切割加工，同时利用长条组合可以回避生长大尺寸单晶圆片等技术难题，提高了换能器的可靠性与一致性，对中高频轻型声纳基阵应用具有明显的优势。

图5　33模式和32模式PMN-PT单晶纵向换能器

有文献利用PMN-PT单晶研制了镶拼圆环组成的圆柱发射换能器，每个环由12个楔形条拼合而成，9个圆环轴向紧密组合成圆柱体，其几何尺寸（Φ20.3mm×66mm）明显小于同频率的压电陶瓷换能器，并且实现了超过2.5倍频程的宽带工作特性。另有文献利用PMN-PT单晶研制了凹桶型弯张换能器，换能器的驱动振子采用16片轴向极化的Φ28mm×Φ10mm×4.8mm元件叠堆组成，钛合金振动外壳，发射电压响应比PZT-4材料的同结构换能器提高5dB以上。

PMN-PT单晶的三方－四方相变温度较低，一定程度上限制了其应用范围，尤其是大功率条件下的应用。三元系铌铟酸铅－铌镁酸铅－钛酸铅（PIN-PMN-PT）和锰掺杂单晶（Mn：PIN-PMN-PT）使弛豫铁电单晶的相变温度明显提高，同时大幅度降低损耗因子：相变温度从95℃提高到125℃，损耗因子从0.26降至0.15，损耗因子仅为通常PZT-4压电陶瓷的1/2。还有文献利用这两种新配方单晶与PMN-PT及PZT-4制作了纵向换能器并比较研究其大功率工作特性，证明新配方单晶材料更适合大功率和大占空比条件下的换能器应用，谐振频率下比PMN-PT换能器声源级提高5dB；与PZT-4压电陶瓷相比，在谐振频率处声源级和功率容量基本相当条件下，工作带宽增加1倍，并且谐振频率之外的最大声源级提高约6dB。

PMN-PT单晶材料应用研究多集中于医用高频超声成像系统，在此仅列举一例Cymbal水声换能器的应用研究，采用Φ12.7mm×1mm的PMN-PT元件驱动0.25mm厚的钛合金弯曲振动帽研制了Cymbal型小尺寸弯张换能器，该换能器比PZT-4驱动的同结构换能器发射电压响应提高6dB。

二、水声换能器结构工艺的技术创新

⒈改善波束特性的技术创新

现代声纳中一般采用各种基阵实现所需的波束特性，但当换能器安装孔径受限、对波束特性又有特殊要求的情况下，需要采取技术措施对换能器的波束特性进行改善，主要的技术途径包括：障板应用、利用偶极子及多极子的模态叠加技术等，本节选择一些典型研究实例，重点分析总结利用模态叠加方法实现换能器波束特性改善方面的技术成果。

⑴利用障板改善换能器的波束特性

在早期声纳系统中，一般采用独立的换能器工作，在指向性不能满足要求的情况下，利用障板的反射作用控制发射波束，主要包括通过平面障板、柱面障板、球面障板、锥面障板来改变圆柱换能器、活塞换能器、球形换能器等的指向性，一定程度上满足了单向发射波束控制的需求，如图6所示采用了双锥面反射障板调控磁致伸缩圆环换能器的指向性，实现单侧波束辐射特性。

图6　带双锥面反射障板的磁致伸缩圆环换能器

有文献将3kHz的Ⅳ型弯张换能器布放在抛物面反射障板的焦点附近，使本身无指向性的Ⅳ型弯张换能器实现单向辐射特性，实验得到83°开角的单向波束，前后响应差21dB。

⑵模态组合指向性换能器

各种结构换能器都有不同的多阶振动模态，谐振式换能器一般是基于基频振动模工作的，不同振动模态会对应其有效的激发方式，因此可以利用激发方式的组合实现多振动模态的叠加驱动，从而达到改变发射波束特性的目的。可通过组合来改变换能器波束特性的主要模态包括单极子模态、偶极子模态及四极子模态等，这几个基本模态通过加权组合可以实现多种指向性图案。本节结合具体文献成果针对不同结构换能器实现模态叠加的处理工艺及激发方式做简要分析总结。

激发多模态工作一般采用分区激励方式，如：压电陶瓷圆管或球壳常采用分割电极方法，见图7a、b；磁致伸缩多边形（圆环）换能器，采用独立边棱激励方式，见图7c。

图7　分区激励的多模换能器

Butler等设计研制了“模态换能器”，仍然利用分区激励的设计思想，但突破了对独立元件分割的限制，采用8个独立的1/4纵向振子共用尾质量，每个换能器的辐射面为接近45°的圆柱弧面，并共同围成一个分区独立驱动的柱形发射换能器，换能器的几何尺寸不受独立元件工艺条件的约束，同时采用预应力结构的纵向振子，对于设计低频大功率指向性发射换能器具有技术优势。图8给出了“模态换能器”的基本模态振型，分别设计研制了基于PZT-8压电陶瓷、PMN-PT单晶和Terfenol-D超磁致伸缩材料的模态换能器，获得了指向性指数6dB、前后响应差25dB的心形指向性发射波束。

图9为另一类型的低频大功率指向性发射换能器———分区激励的弯张换能器，设计中对弯张换能器的压电堆（或磁致伸缩振子）进行分区激励，利用单极子和偶极子模态的组合叠加形成心形指向性发射波束。图9a为900Hz指向性Ⅳ型弯张换能器，图9b为3kHz指向性Ⅶ型弯张换能器。

文献研究了带障板宽带多模圆管换能器（图10所示），将压电陶瓷圆管的电极等分为两组，独立激发得到单极子（0模态）与偶极子（1模态），再与障板配合实现单侧指向性发射，研究工作还利用模态之间的相位关系，设计了独立功率放大与调谐电路，通过低频段“0＋1”与高频段“0－1”的模态组合控制实现宽带工作特性。换能器采用4只Φ38.2mm×Φ31.8mm×19mm的PZT-4压电圆管沿高度方向密排，封装后尺寸Φ48mm×79mm，障板采用两片软木橡胶叠粘而成半圆形柱面，厚度6mm，发射电压响应在26～46kHz频带内起伏6dB。

图10　带障板宽带多模压电圆管换能器

⒉改善频率特性的技术创新

随着水声技术应用方向的多方位延伸，主动声纳系统的工作频率范围不断拓宽，其中高分辨率图像声纳的工作频率已提高到106Hz范围，超远程探测与通讯声纳工作频带甚至低到100Hz以下；另一方面，声纳信息处理的发展要求换能器的工作频带尽可能宽，因此低频换能器和宽带换能器近年来在水声界备受关注，研究成果相当丰富。但仍有许多理论和技术层面的问题没有很好解决，这方面仍将是未来发展中的研究热点与关注焦点，本节选择低频换能器和宽带换能器方向的研究工作，分析总结其中的创新思想和新技术成果。

⑴低频换能器的创新设计

①弯曲振动低频换能器

低频换能器的发展首先面对的技术问题就是几何尺寸，一般谐振式换能器的工作频率与几何尺寸成反比，即换能器的频率越低几何尺寸将会越大，比如500Hz纵向换能器的长度要3m左右。弯曲振动可以有效缩减低频换能器的几何尺寸，其中功能器件直接参与弯曲振动的换能器主要包括弯曲梁换能器、弯曲盘换能器等。

图11a为典型的三叠片弯曲梁结构，弯曲梁上下各粘贴一片压电陶瓷条，激发时上下压电陶瓷条一个伸长、另一收缩，则中间金属梁产生弯曲振动，这种换能器需要单侧接触水辐射声波，因此通常几条弯曲梁组合围成一个空气腔，如图11b所示，各个辐射面同相振动。

图11　弯曲振动换能器

类似的工作原理，采用圆盘结构的称为弯曲圆盘换能器，也包括三叠片、双叠片结构，图11c所示为一对双叠片组成的紧凑型弯曲圆盘换能器(Bender)。Delany系统分析研究了Bender的低频小尺寸高功率的工作特性。

弯曲振动低频换能器的发展中还包括一型新结构———开口圆环换能器（图12所示），开口圆环换能器可以认为是一种特殊的弯曲梁换能器，原始结构由Harris于1957年提出，由内部压电陶瓷环与外部金属环组成复合环形梁，换能器建模分析借助于图12b所示的“音叉模型”，通过调整驱动元件为拼合结构使开口圆环换能器可以设计更大尺寸，并通过厚度分布来调整质量－刚度实现工作频率和辐射特性的优化，如图12c所示。

图12　开口圆环换能器

②弯张换能器

弯张换能器的概念起始于Hayes 1936年的专利，1966年Toulis发表Ⅳ型弯张换能器的专利后，弯张换能器的研究与应用开始活跃起来，迄今已有半个多世纪的发展历史，诞生的各种结构形式弯张换能器，其工作原理和结构工艺都饱含着创新设计思想，在此不能按其发展的年代顺序一一介绍，仅依弯张换能器的结构和激励方式分为以下3大类，简要分析总结。

△柱型结构弯张换能器。该类换能器由纵向伸缩振子驱动平移弯曲振动壳体，如图13所示。换能器的振动壳体是一个平移结构体，即是各种形状的柱面，由一个或多个纵向伸缩的振子驱动，a为Ⅳ型弯张换能器、b为Ⅶ型弯张换能器、c为正交压电堆驱动的“星状”弯张换能器、d四边形磁致伸缩振子驱动的“星状”弯张换能器。这类换能器由于很容易设计分区激励振子，所以前文所述的指向性弯张换能器一般都选择这类结构形式。

图13　柱型结构弯张换能器

△长型旋转体弯张换能器。该类换能器由纵向伸缩振子驱动旋转对称弯曲振动壳体，如图14所示。换能器的振动壳体是一个旋转对称结构体，包括沿圆周分布的一系列桶条梁，一般由一个纵向伸缩的振子驱动，图14a和b分别为Ⅰ型弯张换能器的凸型结构和凹型结构；图14c所示，将换能器的纵向激励振子沿轴向加长而增加功能材料的体积，发展为Ⅱ型弯张换能器；图14d所示，将弯曲振动壳体设计成二节或多节形式，发展为Ⅲ型弯张换能器，Ⅱ型和Ⅲ型弯张换能器都有对应的凹型结构。

图14　长型旋转体弯张换能器

图15　扁型旋转体弯张换能器

△扁型旋转体弯张换能器。该类换能器由径向扩张振子驱动旋转对称弯曲振动壳体，如图15所示。换能器的振动壳体为一个旋转对称结构体，一般为一对凸或凹的球冠（或类球冠），由一个径向扩张的圆环或圆片振子驱动，图15a为圆环驱动Ⅴ型弯张换能器，b为圆片驱动Ⅴ型弯张换能器，c为Ⅵ型弯张换能器，d和e是在b结构基础上发展而成的小型弯张换能器，称为Cymbal换能器。

△腔结构低频换能器。Helmholtz共振器是腔结构水声换能器的基本形式，如图16所示。a、b、c是Helmholtz共振器的三种基本结构，分别利用压电陶瓷管激励、弯曲圆盘激励、压电陶瓷球激励，Helmholtz共振器一般工作频带很窄，d是在b基础上利用弯曲圆盘双工作面分别激励不同体积的共振腔，实现双谐振工作。文献建立了较完善的Helmholtz共振器分析模型，分析了300HZ Helmholtz共振器的工作特性与结构参数之间的关系。Morozov等设计了水下管风琴声源（图17所示）。图17a的设计通过移动套管改变共振系统的阻抗从而实现频率调谐，调谐频率范围225～325Hz，效率最高达80％以上，反映了高Q值（品质因数）系统具有高效率的特点；图17b的设计采用双管结构内置球形声源，实现双频共振，低频谐振是双节套管共同组成的腔体共振，高频谐振仅是对应内共振管的谐振，外套筒和内共振管可以采用金属铝或非金属碳纤维材料。

图16　Helmholtz共振器

图17　水下管风琴声源

⑵宽带换能器的创新设计

在水声技术发展的历史中，产生了多种结构形式的水声换能器，各自具有由其结构特点决定的工作特性。为了适应宽带应用的工程需求，几乎每种结构换能器都面临着宽带设计与工艺改进的技术问题，其中纵向换能器是水声领域应用最为普遍的换能器结构形式之一，对其进行宽带设计和应用的研究成果颇为丰富，其他结构形式换能器宽带设计的技术原理与其基本类似，本节重点介绍基于纵向换能器的一系列实现宽带特性的设计新思想。

①频带组合宽带纵向换能器

关于频带组合的应用在声纳技术发展初期就已经开始，早期的工作见于20世纪40年代，利用3款不同谐振频率的磁致伸缩纵向换能器阶梯排列驱动矩形辐射板，6只换能器通过共同绕组线圈驱动（图18所示），换能器独立谐振频率分别为21.5、23和24.5kHz，Q＝12，组合后Q＝4。这种频带组合方法得到的尽管不是严格意义上的宽带换能器，但直至今日在水声领域仍有广泛的应用，尤其是噪声模拟、声诱饵等声学系统中甚至将不同结构形式的换能器组合实现超宽带发射特性。

图18　频带组合宽带纵向换能器

②模态耦合宽带纵向换能器

纵向换能器的前盖板通常在一维模型分析时假定是以活塞方式振动的，即不发生弯曲振动，当换能器辐射面的喇叭口比较宽时，必然伴随着弯曲振动发生，合理利用前盖板的弯曲振动模，使之与纵向振动模有效耦合，可以设计宽带纵向换能器。有文献研究了正方形辐射盖板的弯曲振动与纵振动耦合效应，并设计宽带换能器。另有文献在辐射盖板内嵌设计一个振动弯曲圆盘，利用弯曲圆盘与纵向换能器振动模态耦合，设计研制了宽带换能器如图19a所示。纵向换能器的压电堆可以多组设计，如图19b所示即是利用双激励的模态耦合实现宽带工作的换能器基本结构，Butler在双激励纵向换能器的结构基础上进行了深度发展，如采用磁致伸缩和压电混合双激励设计了宽带纵向换能器，配合前盖板粘贴1/4波长的匹配层，设计了三阶谐振模态耦合的超宽带纵向换能器，如图19c所示，工作频带13～37kHz。

图19　模态耦合宽带纵向换能器

③液腔耦合的宽带纵向换能器

纵向换能器与液腔耦合的典型设计是Janus－Helmholtz换能器（图20所示）。纵向换能器采用双端辐射结构，称为Janus，设计圆柱形套筒，与Janus的双辐射头之间围成一个Helmholtz共振腔；一般液腔共振型换能器工作频带较窄，在与Janus联合应用时，通过模态耦合的优化设计可以实现宽带发射。

图20　Janus－Helmholtz换能器

Gall设计了300Hz和160Hz两款Janus－Helmholtz换能器，并深入研究了Helmholtz共振腔内增加顺性管对换能器宽带工作特性的影响。

⒊提高发射声功率的技术创新

水声换能器提高声功率的直接方法是增大换能器的体积、增加数量和组成密排基阵，最有效的方法是采用高能量密度的功能材料。前述章节已经对高能量密度功能材料的应用有所阐述，本节重点介绍小体积高功率换能器在结构和工艺上的技术创新。

在描述换能器小体积高功率特性优劣上一般采用体积优值因数来衡量，即

FOM_v＝W_a/V/f₀/Q ⑴

公式⑴定义了某种类型换能器体积优值因数，其中：W_a为声功率（W）、V为换能器体积（m³）、f₀为谐振频率（Hz）、Q为品质因数，换能器的体积优值因数与结构形式和功能材料密切相关。Delany设计研制了紧凑型弯曲圆盘换能器（Bender），并系统分析研究了Bender的低频小尺寸高功率的工作特性。通过与其他结构形式换能器比较分析，结果Φ240mm和Φ100mm的Bender换能器体积优值因数分别为680和645W/（m³·Hz），远高于其他结构类型，与Terfenol-D Ⅶ型弯张换能器基本相当，电声效率高达80％。

Sherman与Butler的专著中给出几种典型弯张换能器（压电陶瓷驱动）的体积优值因数比较（见表1），其中如图13c所示的结构紧凑的“星状”弯张换能器最高为128W/（m³·Hz）。

表1　压电陶瓷驱动弯张换能器的体积优值因数

结构形式	FOM_v/(W/（m³·Hz）)
Ⅰ型	63
Ⅳ型	64
Ⅴ型	81
Ⅵ型	71
“星状”	128

有文献将凹型结构Ⅰ型（凹桶型）弯张换能器设计成一种更为紧凑的组合方式，使有限体积内通过多个换能器簇联，最大限度地增大体积位移和实现大功率特性，如图21所示，采用6只Ⅰ型弯张换能器顶点簇联起来形成“立体六芒星”弯张换能器，具有结构紧凑、低频大功率宽频带的特点：基频谐振频率1.15kHz时发射电压响应为127dB、全指向性，从800Hz到10kHz发射电压响应大于120dB，文献中没有给出FOM_v参数，预计应该与表1的“星状”弯张换能器相当或更高。

图21　6只簇联弯张换能器

上述追求小体积高功率的设计分析基本都是从电极限和机械极限出发的，考虑的仅是功能材料的能量密度和结构的振动极限。当换能器要求长脉冲或连续工作时，大功率条件下换能器的发热与散热问题将是面临的最大难题，此时热极限是制约换能器极限功率发挥的主要因素。关于换能器热极限问题是工程中所关注的重要基本问题之一，就像换能器的工艺细节一样，公开报道的研究论文不多。有文献对低频大功率换能器的热问题进行建模分析，讨论了Janus－Helmholtz和Ⅳ型弯张换能器的热传导问题。当换能器在浅水工作时，尤其是低频大功率发射时，增大声功率还会受到空化因素的声极限制约，在此背景下增大单只换能器功率的方法不再有效，密排基阵也会同样受到限制，如此也就只有组成稀疏基阵一途了。

因此在设计低频大功率换能器时，需合理选择结构形式和驱动功能材料，兼顾电极限、机械极限、热极限、声极限等因素，统筹分析、综合优化。极限功率和换能器体积之间存在一种优配关系，对此进行深入研究将是未来低频大功率换能器的技术方向之一。

⒋增大耐静水压能力的技术创新

目前，学术界提出了透明海洋、信息化海洋等发展设想，目标是让水下信息技术覆盖全部海洋任意角落，包括极地和深渊海沟，于是对水声换能器提出更大深度的使用要求，甚至挑战全海深工作能力。换能器的耐静水压能力与换能器的结构密切相关，尤其是对于结构刚度较低的低频发射换能器，解决耐静水压的结构工艺成为当前换能器技术领域的重要课题之一。目前解决工作深度的有效方法和手段主要包括流体填充、顺性管配合流体填充、结构自然支撑、高压气筒补偿、气囊补偿等，在1000m以上的工作深度，有效技术方法仅有流体填充技术，包括自由溢流式直接用海水做填充流体或填充某些油类阻抗介质，实现自静压平衡；在1000m以内，耐压顺性管可以同时在液腔内应用，提高液腔的顺性；在200m以内，结构自然支撑可以承受静水压力，某些结构刚度非常低的换能器（如动圈换能器）可以采用高压气筒提供压力补偿，一般100m以内可以采用气囊补偿手段。前文介绍的腔结构换能器一般都可设计成流体填充工作方式，实现深水工作，本节再举几个充油结构设计的应用实例。

图22a所示是Kendig于1965年发表的研究工作，4只PZT-4压电陶瓷圆片驱动的纵向换能器组合应用，用硅油填充保护钢壳（含透声橡胶板）与换能器之间形成的空腔，并与后部流体仓连通，前端透声橡胶及后端橡胶窗与海水接触实现内外压力平衡，换能器工作带宽30～50kHz，并实验研究了0～6.9MPa静水压力范围内的工作特性，目前许多深水声纳基阵中仍然采用这种压力平衡方法。图22b所示是一种充油结构的自由溢流圆环换能器，压电陶瓷圆环悬置于聚氨酯橡胶套中，内部充满硅油与外界实现压力平衡，由于聚氨酯橡胶套是较理想的透声材料，这种换能器与聚氨酯橡胶直接灌注包敷形式具有相近的工作特性，针对PZT-4圆管Φ150mm×Φ140mm×50mm，在5～10kHz频率范围内模拟分析和实验研究了聚氨酯橡胶套的材料替换成钛合金或钢，结果钛合金使发射电压响应下降约6dB，钢则使发射电压响应下降约12dB。

图22　充油结构深水换能器

三、结语

纵览换能器技术的百年发展历程，从第一只压电换能器的诞生到现代换能器技术的蓬勃发展，水声换能器的技术创新频频涌现。换能器技术创新发展的主要目标包括：简化复杂工艺、突破技术瓶颈、改写技术极限、提高综合技术性能、提出新概念新机理、生成与发展新的技术方向、深化与完善换能器学科理论体系等。本文从新材料应用、换能器新结构工艺等方面介绍了一些体现换能器创新设计与精妙工艺的研究案例，仅是众多经典之作的冰山之角，总结深度尚居浅薄，涉猎内容难免局限片面，希望能给大家研究经典文献提供一定参考。遥途指引在其径，英雄所见各千秋，留几言短句，就此收笔。

方圆曲直皆有工，寻声暗问海之穹，经典如诗赛陈酒，五洋捉鳖耳目聪。

【作者简介】莫喜平，男，1966年4月出生，博士，研究员，博士生导师，中科院声学所研究员、海洋声学技术中心副主任，全国声学标准化技术委员会委员及超声水声分技术委员会主任委员，全国声学计量技术委员会委员，哈尔滨工程大学兼职教师，《声学学报》、《应用声学》、《声学技术》编辑委员会委员，研究方向为水声换能器。本文来自《陕西师范大学学报（自然科学版）》（2018年3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。