Page 132 - 《应用声学》2019年第6期

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度、高稳定性的材料，它是体积膨胀型材料，在晶体
0 引言
表面不需用空气腔或橡皮之类的压力释放材料，有
21 世纪海洋产业的开发是国民经济的重要组 高的温度、压力和时间稳定性，是理想的耐高压水
成部分。我国领海广阔，海洋中蕴含着丰富的财富， 听器敏感元件的材料，它在 USRD 研制的标准水听
通过 “蛟龙号”、“深海勇士号” 等载人潜水器平台， 器中被大量使用，研制成功的 H52 型水听器最大使
我国在深海资源勘测中取得了诸多重要成果。水声 用深度5200 m。
技术是进行海洋环境动态变化监测、深水通信、深 美 国 科 学 家 Krueger 等 [4] 分 别 对 PZT-4、
海定位等十分有效的手段之一，在深海资源勘探、水 PZT-5、陶瓷 B 和钛酸钡铅四种陶瓷材料在高静
声通信中，大量稳定性好的深水换能器、水听器被 水压下的性能影响进行了试验研究，在四种陶瓷材
广泛应用 [1] 。随着我国海军由近海向外海挺进，海 料中，PZT-4受压力作用时间影响较小，静水压下性
洋探测活动不断向深海发展，深海空间站等军民融 能变化最小，因此更加适合作为接收换能器使用。
合技术的发展，需要对安装在上面的水声设备以及 两种方案比较，硫酸锂晶体具有高的压力稳定
换能器、声学材料等开展声学性能测试和评价工作。 性，但水听器结构复杂，高频指向性起伏较大，压电
目前最高 10 MPa的工作静水压已不能满足当前发 陶瓷 PZT-4 压力稳定性良好，水平全向，获取容易，
展的需要，需要研究更高静水压水声声压的计量技 因此最终选用压电陶瓷作为高静水压水听器敏感
术。如果缺乏在高静水压下性能稳定的标准水听 元件。
器，那么，检测深水换能器的电声参数就难以得到准 文献 [3] 对一种薄壁球形压电陶瓷和一种圆柱
确、可靠的保证，甚至还会造成严重差错。因此，耐 形压电陶瓷在不同静水压下静态电容进行了试验
超高静水压水听器的研制和测试技术研究就显得
研究，试验结果如表1所示。
十分紧迫和必要，本文将报道一种 20 Hz ∼ 20 kHz
频段、最大工作深度5000 m的超高静水压水听器。
表 1 水听器静态电容随静水压变化
在国外，丹麦 B&K 公司研制的 8105 型和 8106
Table 1 Static capacitance of hydrophones
型标准水听器，最大工作深度 1000 m；美国 Tele-
with static pressure
dyne RESON 公司研制的多型标准水听器能在
1000 m 静水压力下工作，极限深度 2000 m；美 序号 静水压/MPa 球形静态电容/nF 圆柱静态电容/nF
国HighTech公司具有多型深水水听器产品，最大工 1 0 1.61 1.58
作深度 6000 m。在国内，耐超高静水压宽频带的水 2 10 1.22 1.54
听器公开报道较少，一般最大使用深度为1000 m左 3 20 1.02 1.52
右，与外国存在较大差距。文献 [2] 对半球形压电水 4 30 0.90 1.47
听器灵敏度随静水压变化进行了探讨，对水听器结 5 40 0.85 1.38
构设计及计算并未涉及。文献 [3] 对高静水压下水 6 50 0.81 1.30
听器静态电容变化进行了试验研究，对该变化对灵 7 55 0.77 1.25
敏度影响进行了分析并提出解决方案。在水听器实
际使用中，不同静水压下的接收灵敏度是用户非常
从表1可以看出，随着静水压升高，径向极化的
关心的性能参数，目前，国防科技工业水声一级计量
球形水听器和圆柱形水听器静态电容降低，球形水
站 “高静压水声声压耦合腔标准装置” 能实现水听
听器电容变化率大于圆柱形水听器。当水听器连接
器最高10 MPa下低频灵敏度测试。
一定长度电缆后，其接收灵敏度会发生衰减。如该
球形水听器带15 m电缆后，高静压下和常压下由于
1 超高静水压水听器设计
电缆衰减不同，灵敏度相差 3.1 dB。对于柱形压电
1.1 敏感元件选择 陶瓷，经计算，常压与 50 MPa 相比较，电缆引起的
敏感元件是水听器的核心，其性能对水听器主 灵敏度变化为 0.9 dB，因此选用厚壁的圆柱形压电
要性能起决定性作用。硫酸锂晶体是一种高灵敏 陶瓷，水听器压力稳定性更好。