温度及压力对换能器性能的影响分析

仲林建 唐军

(第七一五研究所，杭州，310023)

温度及压力对换能器性能的影响分析

仲林建 唐军

(第七一五研究所，杭州，310023)

换能器在温度和压力的影响下性能会发生变化，为观察其变化趋势，利用Tonpilz纵向振动结构制作了换能器及基阵，测试了基阵在不同温度和压力下的电导、发射响应及接收灵敏度。随着温度的降低，其电导值及发射响应等也相应降低，随着静水压力的增加，最大值对应的频率降低。

换能器；温度；压力；性能分析

海底矿产资源的勘探与开发、海洋生物研究以及深海警备等活动中，声呐系统担当重要的角色，其中换能器的设计是关键技术之一[1]。工作在深海环境下的设备首先要考虑能否承受高静水压且性能良好，一些文献对利用液腔耦合振动的深水换能器进行了报道[2-3]，满足耐压情况下还要考虑温度的变化对换能器性能的影响。通常纵向振动换能器由有源材料、铝、钢、去耦材料、透声胶和包履橡胶等材料构成，换能器是实现机电（电机）转换的复杂系统，换能器构成材料的物理变化会影响换能器的振动系统，当环境温度及压力发生变化后，材料的物理变化最终导致换能器性能也发生变化。最常见的情况是受温度的影响，换能器的谐振频率发生漂移、电导发生变化。本文对换能器在不同温度和压力下的发射和接收性能做了分析，可为换能器的设计提供一些参考。

1 换能器结构及设计

换能器采用夹心式结构（见图1），前盖板为硬铝材质，后盖板和预应力螺杆采用不锈钢，压电陶瓷元件4片并联，压电元件与前后盖板之间各有一片绝缘垫片，换能器内部有一层去耦泡沫进行隔振，最外侧硫化一层橡胶。

图1 换能器示意图

基阵的布阵图如图2所示，换能器阵元单独硫化后通过2道密封圈安装于基阵架上，换能器利用压条进行固定，换能器后盖板处的凸台起到了压力支撑作用，同时凸台与基阵架之间有一层硫化橡胶隔振及去耦，最终基阵整体再灌注一层聚氨酯水密材料，在基阵的外侧封口处硫化一层水密橡胶，整个基阵多道措施保护，既保证了可靠性，又保证了耐压效果。

图2 基阵布阵图

由于压力罐不能任意设置温度和压力值，因此对变温变压的测试流程进行了优化处理，其流程图如图3所示，其中星形标记为测试点。

图3 变温变压测试流程

首先在常温常压下（21℃、0.3 MPa）测试换能器及基阵的性能，然后通过制冰将水温在常压下降至10℃，测试基阵性能参数；再在常压下将水温降至4℃，接近深海中的水温环境，测试基阵性能参数；将水温降至1℃以后开始注水加压力，当压力加至4 MPa时，水温4.8℃左右，此时测试基阵性能参数；然后继续注水加压至7 MPa，此时温度为5.5℃，测试基阵性能参数；最终释放压力后，温度为5.8℃，测试基阵性能参数。

2 实验及性能测试

实测的电导曲线、发送响应及接收灵敏度曲线随温度及压力的变化趋势如图4~7所示。

图4 电导随压力及温度变化的曲线

图5 灵敏度随压力及温度变化的曲线

图4为电导值随压力及温度的变化曲线。从图中可以看出电导值随着温度的降低而降低，谐振频率基本不变；随着静水压力的增加，电导值变化较小，但谐振频率有所降低，当静水压力释放后，谐振频率相应的增加。同时，比较21℃常压和4.4℃常压的数据，温度差异导致电导值差异较大，换能器外侧有硫化橡胶和聚氨酯橡胶，其特性受温度影响较大；再比较4.4℃常压和5.8℃放压后数据，同样差异较大，这里有2个差异因数：一是4.4℃常压状态对应于高压罐体密封状态，其实际有约0.3 MPa的压力，二是温度的差异，橡胶和聚氨酯在4.4℃到5.8℃过程中可能有一个变化较快的点。

图5为灵敏度随压力及温度的变化曲线。从图中可以看出灵敏度随着温度的降低而降低，灵敏度最大值对应的频率基本不变，同时，随着静水压力的增加，灵敏度量级变化较小，但灵敏度最大值对应的频率有所降低，当静水压力释放后，灵敏度最大值对应的频率相应增加。

图6为发送电压响应随压力及温度变化的曲线。从图中可以看出随着温度的下降，发送响应级从184 dB下降到178 dB，随着静水压力增加，最大发送响应级对应的频率下降。图7为功率响应随压力及温度变化的曲线，其变化规律与发送响应基本一致，但4.4℃常压下的曲线异常，可能是由于测试误差等原因造成的。

图6 发送电压响应随压力及温度变化的曲线

图7 功率响应随压力及温度变化的曲线

3 小结

通过对基阵不同压力及温度下性能的测试，可以看出，随着温度的降低，电导值及响应等也相应降低，随着静水压力的增加，最大发送响应频率相应降低。

对于深海中使用的换能器，一方面要保证其耐静水压性能，主要是结构的设计，文中的换能器与基阵架连接处虽然有隔振橡胶，但在大的静水压力下，其隔振效果大幅降低，还需进一步改进；另一方面，水密层对温度影响较大，需要改进橡胶配方，从而保证换能器有较好的温度稳定性。

[1]李俊宝,夏金东,高俊琴,等.一种深海宽带半球指向性换能器[J].声学技术,2008,27(5):556-557.

[2]刘继伍.溢流式圆管换能器辐射阻抗的近似计算[J].声学与电子工程,2005,增刊:P233-235.

[3]田忠仁.深水换能器设计[J].声学与电子工程,2005,增刊:135-136.