呂 琳

（91388部隊(duì)91分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

近年來(lái)，隨著水聲換能器技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、聲傳播理論和應(yīng)用的快速發(fā)展，水聲對(duì)抗技術(shù)也隨之得到發(fā)展并日益受到各國(guó)海軍的高度重視，它不僅是提高各種艦艇和潛艇自身生存能力的重要措施，同時(shí)也是取得水下作戰(zhàn)主動(dòng)權(quán)的決定性因素之一。

水聲對(duì)抗按對(duì)象可分為聲納對(duì)抗和魚(yú)雷對(duì)抗。聲納對(duì)抗手段包括誘騙、干擾、壓制等，使聲納丟失目標(biāo)或出現(xiàn)假目標(biāo)。魚(yú)雷對(duì)抗則包括對(duì)魚(yú)雷的檢測(cè)、預(yù)警和殺傷等。其中殺傷方式可分為軟殺傷和硬殺傷。軟殺傷是指利用誘騙、干擾、壓制手段使來(lái)襲魚(yú)雷迷失方向或者航程耗盡。硬殺傷是指采用爆炸、撞擊、引爆、攔截等方式使魚(yú)雷受到毀傷或航程截止。目前，水聲對(duì)抗領(lǐng)域裝備最多、應(yīng)用最廣泛的對(duì)抗器材就是軟對(duì)抗器材，其發(fā)展歷史較長(zhǎng)，技術(shù)較完善，對(duì)抗效果也較好。硬對(duì)抗是新發(fā)展的技術(shù)，軟硬結(jié)合是水聲對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

水聲對(duì)抗器材通常通過(guò)器材發(fā)射管或魚(yú)雷發(fā)射管發(fā)射，對(duì)器材的直徑、體積和質(zhì)量等有嚴(yán)格的限制。隨著裝備技術(shù)的發(fā)展，艦艇設(shè)備數(shù)量逐漸增多，艦艇空間日益緊張。為了在不降低水面艦和潛艇（以下簡(jiǎn)稱艦艇）載彈量（即攻擊性能）的前提下提高艦艇水聲對(duì)抗能力，必然對(duì)水聲對(duì)抗器材的體積重量提出更高的要求，同時(shí)，出于對(duì)抗敵遠(yuǎn)程主動(dòng)和被動(dòng)聲吶的需要，水聲對(duì)抗器材也提出將工作頻率向甚低頻拓展的目標(biāo)，以上因素決定了作為水聲對(duì)抗器材核心部件的換能器（以下簡(jiǎn)稱水聲對(duì)抗換能器）具有低頻、寬帶、大功率、小尺寸的鮮明的特點(diǎn)。本文對(duì)水聲對(duì)抗換能器的發(fā)展進(jìn)行了介紹，分為常規(guī)換能器和新型換能器兩個(gè)部分，接下來(lái)將分別闡述。

2 常規(guī)換能器

目前水聲對(duì)抗換能器有圓管換能器、鑲拼圓環(huán)換能器、彎張換能器等等，這些換能器都具有大功率、大開(kāi)角的特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于水聲對(duì)抗器材上。

2.1 圓管換能器

圓管換能器是最常用的聲學(xué)換能器單元之一，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作性能穩(wěn)定，特別是其水平方向不呈現(xiàn)指向性的特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于水聲對(duì)抗器材中。國(guó)際上多型中小口徑聲誘餌均選用圓管換能器。如意大利的C3xx等［13］。圓管換能器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，外形呈薄壁圓管結(jié)構(gòu)，使用中常采用封裝和自由溢流兩種方式，自由溢流式換能器內(nèi)腔可進(jìn)海水，適合做深水發(fā)射器，其發(fā)射工作頻率一般在數(shù)十千赫左右。工作帶寬約為1個(gè)倍頻程。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有學(xué)者利用換能器的徑向模態(tài)和長(zhǎng)度模態(tài)耦合，研制出2～3個(gè)倍頻程工作帶寬的圓管換能器，進(jìn)一步提高了圓管換能器的工作性能［5］。

圖1 圓智換能器結(jié)構(gòu)圖

2.2 鑲拼圓環(huán)換能器

鑲拼圓環(huán)換能器如圖2所示，換能器由n個(gè)同樣尺寸的梯形陶瓷片鑲嵌而成，陶瓷片的極化方向沿切線方向。為避免不同壓電陶瓷片之間振動(dòng)方式不一致，相鄰兩片壓電陶瓷片極化方向相反，陶瓷片采用并聯(lián)方式連接。該類型換能器有下列優(yōu)點(diǎn)：1）具有較大的機(jī)電耦合系數(shù)；2）克服了大型壓電陶瓷圓柱燒結(jié)的難題，容易制作大尺寸的低頻換能器。3）外形結(jié)構(gòu)利于聲誘餌的共形安裝。該類型換能器可以滿足數(shù)百赫茲至十幾千赫茲的大功率發(fā)射要求，目前已應(yīng)用于國(guó)際上多款大中型水聲對(duì)抗器材中如美國(guó)的MK30等，均能達(dá)到較好的作戰(zhàn)效能。

圖2 鑲拼圓環(huán)換能器結(jié)構(gòu)圖

2.3 彎張換能器

彎張換能器首次出現(xiàn)于1966年toulis的專利中，它的振動(dòng)模式是由驅(qū)動(dòng)元件的伸張振動(dòng)和殼子的彎曲振動(dòng)組合而成，通常分為如圖3所示的7種類型［6］，彎張換能器具有低頻、寬帶、大功率、小尺寸的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的低頻換能器中，tonpilz和鑲拼圓環(huán)若要做到甚低頻，設(shè)計(jì)尺寸將非?？捎^，動(dòng)圈等換能器雖然能做到較低的頻率，但是其工作深度又不能達(dá)到要求，彎張換能器的出現(xiàn)，為低頻聲誘餌的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)較好的解決方案。如美國(guó)的MK30型聲誘餌，其低頻段即采用彎張換能器制成，最低工作頻率達(dá)到100Hz［13］，目前在彎張換能器中，應(yīng)用最多的是III型和IV型兩種。

圖3 彎張換能器類型

3 新型換能器

隨著聲吶技術(shù)的發(fā)展，對(duì)聲誘餌技術(shù)也提出了新的要求，目前國(guó)際上聲誘餌的發(fā)展趨勢(shì)有兩種，一是將工作頻率進(jìn)一步降低以對(duì)抗岸基警戒聲吶，二是尺寸減小以實(shí)現(xiàn)快速裝填及多點(diǎn)布放。這就要求換能器要有更小的體積和更低的工作頻率，常規(guī)換能器已經(jīng)難以滿足使用要求，針對(duì)這些迫切問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)始加強(qiáng)適用于對(duì)抗器材的新型換能器的研究，取得很大進(jìn)展。

3.1 彎曲圓盤組合式換能器

彎曲圓盤組合式換能器是21世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的一種大功率、小尺寸換能器系統(tǒng)。該換能器通過(guò)基元間的互輻射作用，可以降低諧振頻率，實(shí)現(xiàn)低頻，大功率發(fā)射的目的。其基元結(jié)構(gòu)如圖4所示。彎曲圓盤換能器基元是采用兩片對(duì)稱發(fā)射的雙疊片，通過(guò)薄圓環(huán)連接在一起，薄圓環(huán)與雙疊片粘接，形成邊緣簡(jiǎn)支條件。上下兩片陶瓷片安裝時(shí)正負(fù)極方向相反，當(dāng)外加信號(hào)時(shí)，陶瓷片徑向收縮帶動(dòng)金屬片進(jìn)行彎曲振動(dòng)，從而向外輻射聲波。構(gòu)成彎曲圓盤組合式換能器的各個(gè)彎曲圓盤基元在高度方向上按一定間隔密排堆疊而成，當(dāng)換能器工作時(shí)，基元間強(qiáng)烈的互輻射作用會(huì)增大換能器基元間的輻射阻和等效質(zhì)量抗，由公式可知組合式換能器的諧振頻率隨著等效質(zhì)量抗的升高而降低。利用該換能器形式，我們可以在小型聲誘餌上實(shí)現(xiàn)低頻工作性能，如意大利的C3xx系列聲誘餌，其直徑為123.8mm，工作頻率范圍為數(shù)十千赫，若采用彎曲圓盤組合式換能器，可以將其工作頻率拓展到1kHz以下，同時(shí)具備小型誘餌靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，將大大提高聲誘餌的作戰(zhàn)效能［7～8，12］。

3.2 開(kāi)縫圓環(huán)換能器

開(kāi)縫圓環(huán)換能器是新發(fā)展起來(lái)的低頻小尺寸換能器的典型代表。其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，壓電陶瓷梯形長(zhǎng)條片拼接成內(nèi)部的壓電陶瓷環(huán)，壓電陶瓷環(huán)沿高度方向開(kāi)一條狹縫，以降低結(jié)構(gòu)的等效剛度；緊靠壓電陶瓷環(huán)外表面包覆輕質(zhì)材料如碳纖維、鋁合金等作為輻射殼體；殼體外部包覆透聲橡膠實(shí)現(xiàn)水下密封［9～11］。換能器工作時(shí)，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)開(kāi)縫殼體在開(kāi)縫附近作擴(kuò)張振動(dòng)，向外發(fā)射聲波。有研究人員研制出的換能器樣機(jī)，直徑約為300mm，諧振頻率可以達(dá)到 100Hz以下［9］，而且該換能器可以做成溢流結(jié)構(gòu)，理論上沒(méi)有深度限制，非常適合甚低頻聲誘餌設(shè)備的要求。

圖4 開(kāi)縫圓環(huán)換能器示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)周邊海域安全形勢(shì)日趨緊張，為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的國(guó)際局勢(shì)，海軍需要加速推行轉(zhuǎn)型建設(shè)和現(xiàn)代化建設(shè)，以捍衛(wèi)國(guó)家安全，保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)成果。水聲對(duì)抗器材是現(xiàn)代化海軍作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要組成部分，而換能器是水聲對(duì)抗器材的核心部件，本文對(duì)一些適用于水聲對(duì)抗器材的換能器進(jìn)行了介紹，并根據(jù)器材的需求，對(duì)一些新型換能器的發(fā)展方向也進(jìn)行了跟蹤。