應用于海底沉積聲學原位測量的球形換能器研制

王 帥, 劉文妮，褚廣宇，潘耀宗

(中國科學院聲學研究所 北海研究站, 山東 青島 266112)

0 引言

研究海底沉積物聲學特性有助于獲得沉積物類型、地層結構、沉積環境等信息，同時可進一步分析沉積物的物理力學性質、海底承載力和穩定性等[1-2]，對推動我國海底沉積聲學研究、海洋工程勘察、海洋減災防災和國家海洋安全具有重要科學意義和應用價值。海底沉積物聲學原位測量方法是將聲學測量儀器下放到海底，并把探桿(針)置入沉積物中，直接測量沉積物的聲波和聲衰減系數。這種方法避免了對沉積物的擾動，且周圍環境未發生變化，測量結果相對于實驗室測量方法更接近真實值。2017年，美國華盛頓大學應用物理實驗室(APL-UW)研發了一款大深度貫入的原位測量系統(SAMS)[3-4]，主要用于中低頻聲波的聲速和聲衰減系數的測量。聲源由9個中頻換能器(ITC-1032)和1個低頻換能器(ITC-1007)組成，10個發射換能器的工作頻段為2～10 kHz。2006年，自然資源部第二海洋研究所成功研制了多頻海底沉積聲學原位測量系統(MFISMSGMS)[5]，該系統結構和測量方式類似于美國的聲學長矛。發射換能器和接收換能器陣上下分置，設計測量深度4～8 m、測量頻率8～120 kHz內的12個頻點。2009年，中國科學院海洋研究所研制了新型海底沉積聲學原位測量系統(NISSAMS)[6-7]，用于海底表層沉積物聲速和聲衰減系數的測量。系統包括1個發射通道和2個接收通道，另有一組反向的換能器備用。測量最大深度為0.3 m，聲源發射頻率為10～50 kHz，設計工作水深500 m。2010年，自然資源部第一海洋研究所研制了雙向自容式海底沉積聲學原位測量系統(BSSAP)[8]，測量頻率為20～40 kHz，近期經過升級換代，測量頻率擴展為8～200 kHz。

雖然我國已經研發了中高頻海底沉積聲學原位測量技術與系統，但是低頻聲傳播情況下的聲速、聲衰減系數等是沉積聲學研究、海洋工程和國防建設更為關心的聲學參數，相關技術和產品與國外仍有差距。本文為實現海底沉積聲學原位測量系統的低頻聲學特性測量，設計研制了中低頻球形換能器(SP32K和SP12K)，實現了與國外同類型產品(如ITC-1007和ITC-1032)類似的性能，為我國拓寬海底沉積聲學原位測量系統的測量頻帶提供了重要保障。

1 球形換能器仿真分析

1.1 球形換能器模態分析

圖1為國外ITC-1007與ITC-1032球形換能器的發射電壓響應曲線[9]。由圖可知，兩種球形換能器的諧振頻率分別為11.5 kHz、32 kHz。

球形換能器的徑向振動諧振頻率為

(1)

根據式(1)計算可得壓電球殼的尺寸，低頻壓電陶瓷球殼平均直徑為?150 mm，中頻壓電陶瓷球殼平均直徑為?60 mm。根據計算得到的壓電陶瓷球殼尺寸對壓電陶瓷球殼進行模態分析。

圖2為中低頻球形換能器的模態仿真圖，其中低頻換能器的諧振頻率為12 kHz，中頻換能器的諧振頻率為32 kHz。仿真中兩陶瓷球殼厚度為5 mm，仿真結果與ITC球形換能器的諧振頻率接近。

1.2 球形換能器頻域分析

對換能器的發射電壓響應進行頻域分析，其中低頻換能器的仿真頻率為1～20 kHz，中頻換能器的仿真頻率為1～50 kHz。

圖3為中低頻球形換能器仿真模型圖。圖中外部水域與匹配層為水材料，內側圓環部分為壓電球殼，模型采用軸對稱模型(對稱軸為z軸)。壓電陶瓷為徑向極化，材料為PZT4。其余結構采用隔振處理，在仿真中忽略其對性能的影響。中低頻換能器結構相同，其仿真模型也相近，只有外徑上的差別，壓電陶瓷殼厚均為5 mm。

圖4、5為中低頻球形換能器的發射特性仿真圖。由仿真計算得到低頻球形換能器在6～20 kHz頻帶，其發射電壓響應均高于140 dB，最大發射電壓響應為149 dB，與ITC-1007的性能相同。中頻球形換能器在26～40 kHz頻帶，其發射電壓響應高于140 dB，最大發射電壓響應為148 dB，與ITC-1032性能接近。

2 球形換能器裝配與測試

針對海底沉積聲學原位測量系統的坐底特性，保證換能器在系統入水、坐底過程中不會被損壞，在換能器的端部設計有金屬承重結構。在測量系統坐底過程中，金屬結構會先與海底進行接觸，通過內部軟性結構減少接觸時的沖擊對內部壓電球殼的影響。另外，金屬結構可幫助換能器更易陷入海底泥沙中，更符合底質聲學原位測量要求。

圖6為中低頻球形換能器實物圖。裝配后的低頻換能器(型號：SP12K)外徑?172mm，中頻換能器(型號：SP32K)外徑?72mm。換能器整體采用聚氨酯材料包裹水密，空氣中質量分別為4.2 kg與0.4 kg。兩種換能器在中國科學院聲學研究所北海研究站消聲水池(20 m×12 m×8 m)中進行了性能測試。

圖7～10分別為中頻(SP32K)與低頻(SP12K)球形換能器在水中的導納、發射電壓響應、接收靈敏度及指向性測試結果。由圖可以看出，SP12K換能器的諧振頻率為12 kHz，最大發射電壓響應為149 dB，可工作頻率為2～20 kHz，接收靈敏度平坦段約為-188 dB，在10 kHz處無指向性。SP32K換能器的諧振頻率為32 kHz，最大發射電壓響應為149 dB，可工作頻率為10～50 kHz，接收靈敏度平坦段約為-195 dB，在10 kHz處無指向性。中低頻球形換能器樣機實測性能與仿真結果較符合。

對比ITC系列中低頻球形換能器與自研SP12K、SP32K的性能指標，如表1、2所示。由表可見，自研的兩種球形換能器性能指標與國外產品性能指標基本相同，滿足國內對同類換能器產品的需求。

表1 低頻球形換能器性能對比

表2 中頻球形換能器性能對比

3 結束語

本文參照國外低頻海底沉積聲學原位測量系統采用的ITC-1007與ITC-1032中低頻聲源，研制了對應的國產化球形發射換能器SP12K和SP32K。SP12K低頻換能器的諧振頻率為12 kHz，最大發射電壓響應為149 dB，接收靈敏度為-188 dB；SP32K中頻換能器的諧振頻率為32 kHz，最大發射電壓響應為149 dB，接收靈敏度為-195 dB。測試結果表明，兩款球形換能器聲學性能與國外同類產品基本一致，能夠拓寬海底沉積聲學原位測量系統的低頻測量頻帶，滿足國內對同類換能器產品的需求，為我國海底沉積聲學原位測量系統提供基礎保障。