水声换能器及其研究和发展

海洋论坛▏水声换能器研究进展一、引言声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在海洋中远距离传递信息与传播能量的载体，水声技术也因此成为水下通讯导航、水产渔业、海洋资源、海洋地质地貌、军事武器等领域的重要手段。

水声换能器的使命即是在一定频带内按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号，由此换能器也被人们形象地喻为声纳系统的“耳目”。

随着水声技术应用领域的不断拓展与延伸，在海洋资源探测开发的技术竞争、军事对抗及全面感知地球的迫切需求背景下，水声换能器技术的飞速发展成为声纳技术发展的重要前提，新材料技术、精细加工技术、基础工艺技术以及数值计算分析技术等为换能器技术的快速发展提供了物质基础和技术条件。

其中有关新材料、新机理、新结构换能器的发展情况曾在相关综述文章中分别描述过，本文就笔者所掌握的资料和有限的理解水平简要地综述几种典型结构类型换能器近些年的发展状况，主要包括：弯张换能器、圆柱面辐射型换能器、纵向换能器等等。

二、弯张换能器设计研究的新思想及技术动态弯张换能器分为许多类型，其中IV 型弯张换能器是由纵向振子驱动椭圆形外壳做弯曲振动的一类换能器结构形式，常被用于低频大功率发射声源或设计低频主动声纳，如美国海军的拖曳式低频主动声纳（SURTASS-LFA），采用18只大功率IV型弯张换能器组成垂直发射阵，工作频带100～500Hz，声源级220～235dB。

单只换能器用两台S11-48型功率放大器驱动，输出电压1600V，最大声源级215dB。

关于IV型弯张换能器设计改进主要体现在对驱动振子的优化和宽带设计上，有关文献设计了一种长轴加长型结构（图1），以新型弛豫铁电单晶铌镁酸铅—钛酸铅（PMNT）材料叠堆为驱动元件，这种结构思想使换能器在保持频率低、响应高等优点的同时，显著拓宽了工作带宽。

图1 长轴加长型宽带弯张换能器鱼唇式弯张换能器是我们近些年研究的一种新结构弯张换能器，采用变高度椭圆壳体，这样的壳体兼有振幅放大和高度加权放大的“双重放大”作用，采用T erfenol-D超磁致伸缩材料驱动和溢流腔结构，?3dB带通Q值小于3，采用了溢流腔填充顺性材料可获得较大的工作深度，该型换能器目前已经得到广泛应用，谐振频率可以从100Hz覆盖到1.8kHz，单只换能器谐振频率下声源级在190dB以上，图2给出其中两例换能器实物照片，系列换能器中几何尺寸最小的为长轴80mm，最大的长轴大于1m。

水声探测技术的未来发展方向研究在人类探索海洋的进程中，水声探测技术一直扮演着至关重要的角色。

从早期简单的声纳系统到如今高度复杂的水下声学监测网络，水声探测技术不断发展和进步，为我们揭示了海洋深处的奥秘。

随着科技的飞速发展，水声探测技术正面临着新的机遇和挑战，其未来的发展方向也备受关注。

一、多传感器融合与协同探测在未来，水声探测技术将更加注重多传感器的融合与协同工作。

单一的水声传感器往往存在局限性，无法全面、准确地获取水下目标的信息。

例如，传统的声纳系统可能在分辨率、探测范围或目标识别能力方面存在不足。

通过将不同类型的传感器，如声学传感器、光学传感器、电磁传感器等进行融合，可以充分发挥各自的优势，实现更高效、更精确的探测。

多传感器融合并非简单地将不同传感器的数据叠加，而是需要进行复杂的信息处理和融合算法设计。

通过对来自多个传感器的数据进行实时分析和综合判断，可以有效降低噪声干扰，提高目标检测和定位的准确性。

同时，协同探测还可以实现对不同类型目标的全方位监测，包括潜艇、水雷、海洋生物等。

此外，多传感器融合与协同探测还可以应用于分布式水下监测网络。

多个传感器节点分布在广阔的海域，通过无线通信技术实现数据的共享和协同处理，从而构建起一个覆盖范围广、监测能力强的水下探测体系。

二、智能化与自主化随着人工智能技术的不断发展，水声探测技术也将朝着智能化和自主化的方向迈进。

智能化的水声探测系统能够自动对采集到的声学信号进行分析和处理，实现目标的自动识别、分类和跟踪。

通过机器学习算法对大量的水声数据进行训练，系统可以学习到不同目标的声学特征，从而提高目标识别的准确性和效率。

自主化则意味着水声探测系统能够在无需人工干预的情况下，根据预设的任务和环境条件自主进行探测和决策。

例如，自主水下航行器（AUV）可以携带水声探测设备，在广阔的海域自主执行探测任务，根据实时获取的信息调整探测策略和路径。

这种自主化的能力不仅可以提高探测效率，还可以降低人力成本和风险。

水声换能器在海底通信中的研究实现智能封堵器的水上水下通讯系统，以完成平台的遥控操作。

由于海向(声轴方向)上离其有效声中心参考距离上所产生的自由场声 P压与 f 洋环境的特殊性，采用了水声无线通信方式。

水声通信系统不同于传统换能器输入端的激励电压有效值 V 的比值。

的无线通信系统，它必须通过非常特殊的水声信道，即通过海水媒质传 P(1m)?df0 S = (Pam/v)?v [1]V 输信息。

海水媒质极为复杂多变，传播过程中媒质对声能的吸收和波参考距离 d=1m，S的分贝表示成为发射电压响应级: 0v 阵面的扩展导致信号的衰减;海面和海底对声波的散射和反射导致了 Sv 多径现象;还有海水媒质的不均匀性以及水下存在大量的干扰噪声，都 SL=20lg(dB)v(S)基准值(S)=1μPam/v。

?[1]vref vref换能将使水声信号产生畸变。

本文的主要工作完成了在通信过程中起着重器还有其他的一些特性，如指向性等。

要转换作用的水声换能器的研究以及选型工作，并且通过水试实验确 3.水声换能器 FS Q- 37 定了信号的水下传输频率。

经过调研和选型，本文水试实验中采用的水声发射换能器是中国科学院水声研究所研制的浅海圆柱型压电陶瓷换能器 FSQ-37 。

压电陶瓷换能器是当前水声领域中广泛使用的一类换能器。

其主要优点为:(1)当它工作在发射状态时，它可作为强功率辐射器，其电声效率也较高，约在 30- 70%之间;(2)当它工作在接收状态用作接收器时，它有较高的接收灵敏度，约几十至几百微伏/ 帕;(3)它可作为各种形状的换能器，如复合棒型、柱型和球型等换能器。

具有结构简单、工作性能稳定的特[6] 点。

发射换能器外观见图 2。

图 1 智能封堵器通信过程示意图水声换能器是实现电声能量相互转换的器件，根据用途可分为发射器和接收器(或水听器)。

智能封堵器通信信号流程如图1 所示。

此通信系统主要研究的是从母船或平台计算机操作界面发出指令数据，将数字信号经由 modem转换调制成模拟信号，经过功率放大匹配电路，送至水声换能器，转换成声信号。

水声换能器基础知识地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。

而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。

声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。

在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。

1. 水声换能器的应用目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。

这里仅介绍几种在水下探测方面的应用：（1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。

根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。

以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。

对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。

（2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。

一般工作频率在100kHz~500kHz。

（3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。

拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。

水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。

2. 水声换能器的分类换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。

水声学发展简史声纳起源：1490年，意大利列昂纳多•芬奇在摘记中写道：“如果使船停航，将长管的一端插入水中，而将管的开口放在耳旁，则能听到远处的航船。

”——它是人类利用水声探测水下目标的最早记载，这种原始“声纳”一直到第一次世界大战还广为采用。

水声的第一次定量测量：1827年，瑞士物理学家D.Colladon和法国数学家C.Sturm 合作，在日内瓦测量了声速，测得的声速值为1435米/秒，与现代测量值十分接近。

水声换能进展：1840年，焦耳发现了磁致伸缩效应，1880年皮埃尔•居里发现了压电效应；在此基础上，后人支撑和发展了水声压电换能器和磁滞伸缩换能器，实现水中电能和声能之间的转换。

水声第一个回声定位方案：1912年，英国“泰坦尼克号”和冰山相撞海难事件发生后不久，英国人L.F.Richardson提出水下回声定位方案，他本人未能实现这一方案。

军用声纳发展（第一次世界大战）：第一次世界大战后期，反潜成为一个主要研究方向；法国物理学家ngeven和俄国电气工程师C.Chilowsky采用电容发射器和碳粒接收器作了水下目标的探测实验，1916年接收到海底回波和200米以外的一块装甲板的回波；1917年Langeven研究成功了石英－钢夹心换能器，并利用了真空管放大器，首次将电子学应用于水声技术；1918年，成功地探测到1500米以外的水下潜艇的反射声。

他首次实现了利用回声探测水下目标。

第一次世界大战后：水声技持续发展，1925年研制用于传播导航的水声设备——回声测深仪。

第二次世界大战：进一步推动水声技术的发展，取得很多成果：主、被动声纳，水声制导鱼雷，音响水雷和扫描声纳等。

第二次世界大战后：随着电子信息技术和水声技术的迅速发展，形成了低频、大功率、大基阵和综合信号处理为特征的新一代声纳。

近年来，最佳时空增益处理机理论的发展、信号处理的自适应技术和大规模集成电路的应用，又酝酿更新一代水声设备的诞生。

Journal of Sensor Technology and Application 传感器技术与应用, 2023, 11(2), 194-201 Published Online March 2023 in Hans. https:///journal/jsta https:///10.12677/jsta.2023.112021水声换能器研究现状与发展吴锐锋，王一博，胡童颖，崔廷放广州海洋地质调查局，广东 广州收稿日期：2023年1月3日；录用日期：2023年3月22日；发布日期：2023年3月31日摘要水声换能器在现代海洋军事与海洋资源开发中有着举足轻重的地位。

本文通过阐述水声换能器功能性材料技术、换能器、水听器技术取得的国内外领先成果和应用现状，最后对我国水声换能器的发展动态谈些认识与展望。

关键词水声换能器，水听器技术，发展动态Progress and Development of Underwater Acoustic TransducerRuifeng Wu, Yibo Wang, Tongying Hu, Tingfang CuiGuangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou GuangdongReceived: Jan. 3rd , 2023; accepted: Mar. 22nd , 2023; published: Mar. 31st , 2023AbstractUnderwater acoustic transducer plays a pivotal role in modern marine military and marine re-source development. This paper expounds the leading achievements and application status of un-derwater acoustic transducer functional material technology, transducer and hydrophone tech-nology at home and abroad, then give the development trends of underwater acoustic transducer.KeywordsUnderwater Acoustic Transducer, Hydrophone Technology, Development Trends吴锐锋等Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0)./licenses/by/4.0/1. 引言当今世界各国积极发展海洋军事的战略中不难发现，探测安静型、隐形化目标，发展海洋装备从而加强海上防御能力，都是不可或缺的一部分。

水声换能器与换能器阵技术研究水声换能器与换能器阵技术作为水下声波信号处理的关键技术，在海洋探测、水下通信、军事应用等领域具有广泛的应用价值。

本文将详细阐述水声换能器与换能器阵技术的研究现状、应用前景、技术原理及实验设计，以期为相关领域的研究提供参考与借鉴。

水声换能器与换能器阵技术研究涉及多个学科领域，包括声学、物理学、电子工程等。

目前，研究者们已经提出了多种水声换能器设计与实现的方法，如压电陶瓷换能器、磁致伸缩换能器、电致伸缩换能器等。

同时，为了提高声波信号的接收与发送效率，研究者们还研发了多种换能器阵列，如线性阵列、平面阵列、球面阵列等。

水声换能器与换能器阵技术的应用前景主要体现在以下几个方面：潜艇声呐系统：潜艇声呐系统是水下声波信号处理的重要应用之一，通过使用水声换能器和换能器阵技术，可提高潜艇的探测能力、定位精度和通信效率。

海洋探测：海洋探测是水声换能器与换能器阵技术的另一重要应用领域，如海底地形地貌探测、海洋资源开发等。

深海钻探：深海钻探过程中，水声换能器和换能器阵技术可用于传递控制信号和收集钻探数据，提高深海钻探的安全性和效率。

水声换能器与换能器阵技术的发展前景广阔，但仍面临诸多挑战。

未来研究方向可包括：高性能水声换能器的设计和制作，以提高声波信号的发送和接收效率。

低成本、大规模的换能器阵列制造技术的研究，以降低应用成本，促进普及化。

复杂水声环境下的信号处理算法研究，以提高水声信号的抗干扰能力和通信可靠性。

水声换能器与换能器阵列的优化配置与协同工作，以实现更高效的声波信号处理。

水声换能器与换能器阵技术的原理主要是基于声波的传播规律和换能器的物理特性。

声波作为一种机械波，传播时需要介质。

在水下环境中，声波主要通过水介质传播，其传播速度受到水温、盐度、压力等多种因素的影响。

水声换能器的主要功能是将电信号转换为声波信号进行传播，或者将声波信号转换为电信号进行接收。

其工作原理主要基于压电效应、磁致伸缩效应、电致伸缩效应等物理效应。

水声换能器的作用水声换能器是一种将水中的声波转化为电信号或将电信号转化为声波的设备。

它在海洋探测、水声通信、水下定位等领域起着重要作用。

水声换能器的作用主要体现在以下几个方面：1. 水声探测和测量：水声换能器可以将水中的声波转化为电信号，从而实现对水下目标的探测和测量。

在海洋科学研究中，科学家常常利用水声换能器来研究海洋生物、海底地质、海洋气象等问题。

此外，水声换能器也广泛应用于海洋资源勘探、海洋环境监测等领域。

2. 水声通信：水声换能器可以将电信号转化为声波，实现水下通信。

由于水的传导性能较好，水声通信在海洋工程、海底油气开发等领域具有广泛的应用前景。

通过水声换能器，人们可以在水下进行语音通话、数据传输等操作，实现水下设备的远程控制和监测。

3. 水下导航和定位：水声换能器可以利用声波在水中传播的特性，实现对水下目标的定位和导航。

通过测量声波的传播时间和方向，可以确定目标的位置。

水声换能器在水下导航、水下机器人、潜水器等设备中起着关键的作用。

同时，水声换能器也可以用于水下声纳系统，通过发射和接收声波，实现对水下目标的探测和识别。

4. 水下成像和探测：水声换能器可以实现对水下目标的成像和探测。

通过发射声波并接收回波，可以获取目标的形状、大小、距离等信息。

水声换能器在水下探测、水下摄像、海底地质勘探等领域有着广泛的应用。

在海洋资源勘探中，科学家常常利用水声换能器进行海底地形的测绘和海洋生物的观察。

水声换能器在海洋科学研究、海洋工程、海底资源勘探等领域起着重要作用。

它可以将声波和电信号相互转化，实现对水下目标的探测、通信、定位和成像。

随着科技的发展和应用需求的增加，水声换能器的性能和应用范围也在不断扩展，为人们深入了解海洋、开发利用海洋资源提供了重要的技术支持。

水声论坛▏莫喜平：我国水声换能器技术研究进展与发展机遇迄今为止，声波被认为是唯一能够在海洋中远距离传播的信息载体，海洋研究、资源开发、海上军事斗争都离不开水声技术。

水声技术的发展需要各类水声换能器提供支撑，而水声换能器的使命任务是在水下发射和接收声波，因此水声换能器有“水声设备耳目”之称。

水声换能器的发展主要包括应用新材料、采用新工艺、设计新结构等实现换能器综合技术性能的改善和提升，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。

笔者曾撰写综述性文章，从几个不同角度去分析总结水声换能器百年研究历史中的创新思想，梳理了国际上不同时期换能器方面的标志性创新工作。

本文则聚焦国内近20年水声换能器方面的研究成果，主要包括低频换能器、高频宽带换能器、深水换能器以及矢量水听器等方面的研究新进展。

在分析总结基础上，结合我国的海洋科技发展战略与形势，简要论述当前水声换能器技术所面临的挑战与发展机遇。

一、我国水声换能器技术研究进展水声换能器是在水介质中实现声与其他形式能量或信息转换的一类传感器；水声换能器是声呐系统最前端的设备，也是声呐系统与水介质相互作用、交流信息的“窗口”。

水声换能器技术研发领域涉及多学科交叉融合，与之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、机械学等，因此水声换能器的发展与其他基础学科的成就息息相关，并同时受到各个关联学科发展的制约。

从我国水声换能器数十年发展历史来看，最大的发展动力来自于水声技术领域的应用需求，而直至20世纪末我国水声换能器技术发展还缺乏全局性和系统性。

近20年，我国水声换能器技术逐步进入系统性发展阶段，从新材料应用、新结构、新工艺方面实现换能器综合技术性能的优化与提升，在几个典型技术方向上形成了系列研究成果。

⒈低频换能器研究进展针对超远程水下信息传输和超隐身潜艇探测发展的迫切需求，低频发射换能器成为 21 世纪以来水声换能器领域最受关注的热点方向之一，国外超远程探测与通讯声呐工作频带已经降低到100Hz左右。

水声换能器技术展望周利生夏铁坚(杭州应用声学研究所, 杭州310012)1 引言在现代海洋军事斗争中，探测安静型、隐形化目标，发展有效的水中兵器，加强自防御措施，都是建立可信赖的作战能力不可缺少的组成部分。

然而，面临的严峻问题是作战对象高隐身性能所带来的威胁正在与日俱增，其先进的隐身技术、传感技术、信号处理技术的快速发展，使得潜艇作战、反潜作战、反水雷战等都变得越来越困难；在海洋科技日新月异创新发展的今天，基于水声技术进行海洋环境动态变化的监测和预测、海-气相互作用与气候变化预测、海洋生物和矿产资源调查与评估、领土划界和现代航海安全保障等成为十分有效的手段之一。

为了实现海军攻防和海洋发展战略的要求，各国科学家正在不断追求新的解决方法，一方面加强水声物理和信号处理方法方面的基础研究，另一方面加强水声换能器及基阵技术的研究，重点研究新机理、新材料换能器及布阵技术。

近50年来，随着机械学、电磁学、固体物理学及海洋声学的进步，水声换能器得到了快速的发展和应用，本文将重点总结水声换能器的发展趋势。

2 水声换能器技术发展历程声纳换能器和基阵随着反潜战设备的发展已由二次大战期间的数百瓦声功率发展到今天兆瓦级的大型基阵，工作频率已由初期的20kHz左右，逐渐向两端拓展，一般为几赫兹～几兆赫兹。

主要换能器的有源材料由原来的镍片材料、磷酸二氢铵（ADP）及罗谢尔盐压电单晶材料等逐步发展到今天的一元系、二元系的压电陶瓷材料之后的三元、四元系压电陶瓷材料以及新型Terfenol-D超磁致伸缩材料和压电复合材料等，换能器采用的振动模式由原来的纵向振动和径向振动方式逐步发展为除纵向振动和径向振动方式外，还有弯曲振动、容腔振动、弯曲伸张振动和非共振以及多种模式共存等。

而实现电声转换的机理，除光声外没有多少发展，只是关键技术、关键工艺、关键材料不断得到解决。

50年来声纳换能器技术发展主要靠以下四个方面因素而推动[1-6]。

（1）水声传播领域的广泛研究已证实，为了提高声纳探测与定位能力，应选择低频和宽带的信号形式, 对低频、大功率换能器和宽带换能器提出了越来越迫切的需求。

水声换能器技术展望周利生夏铁坚(杭州应用声学研究所, 杭州310012)1 引言在现代海洋军事斗争中，探测安静型、隐形化目标，发展有效的水中兵器，加强自防御措施，都是建立可信赖的作战能力不可缺少的组成部分。

然而，面临的严峻问题是作战对象高隐身性能所带来的威胁正在与日俱增，其先进的隐身技术、传感技术、信号处理技术的快速发展，使得潜艇作战、反潜作战、反水雷战等都变得越来越困难；在海洋科技日新月异创新发展的今天，基于水声技术进行海洋环境动态变化的监测和预测、海-气相互作用与气候变化预测、海洋生物和矿产资源调查与评估、领土划界和现代航海安全保障等成为十分有效的手段之一。

为了实现海军攻防和海洋发展战略的要求，各国科学家正在不断追求新的解决方法，一方面加强水声物理和信号处理方法方面的基础研究，另一方面加强水声换能器及基阵技术的研究，重点研究新机理、新材料换能器及布阵技术。

近50年来，随着机械学、电磁学、固体物理学及海洋声学的进步，水声换能器得到了快速的发展和应用，本文将重点总结水声换能器的发展趋势。

2 水声换能器技术发展历程声纳换能器和基阵随着反潜战设备的发展已由二次大战期间的数百瓦声功率发展到今天兆瓦级的大型基阵，工作频率已由初期的20kHz左右，逐渐向两端拓展，一般为几赫兹～几兆赫兹。

主要换能器的有源材料由原来的镍片材料、磷酸二氢铵（ADP）及罗谢尔盐压电单晶材料等逐步发展到今天的一元系、二元系的压电陶瓷材料之后的三元、四元系压电陶瓷材料以及新型Terfenol-D超磁致伸缩材料和压电复合材料等，换能器采用的振动模式由原来的纵向振动和径向振动方式逐步发展为除纵向振动和径向振动方式外，还有弯曲振动、容腔振动、弯曲伸张振动和非共振以及多种模式共存等。

而实现电声转换的机理，除光声外没有多少发展，只是关键技术、关键工艺、关键材料不断得到解决。

50年来声纳换能器技术发展主要靠以下四个方面因素而推动[1-6]。

（1）水声传播领域的广泛研究已证实，为了提高声纳探测与定位能力，应选择低频和宽带的信号形式, 对低频、大功率换能器和宽带换能器提出了越来越迫切的需求。

水声换能器原理
水声换能器是一种将水中声波信号转化为电信号或将电信号转化
为水中声波信号的装置。

其原理主要依靠压电效应或磁电效应。

其中，压电式水声换能器的原理是利用压电材料在外加电场的作用下，会发
生尺寸变化，使得机械能转化为电能。

在水声换能器中，将压电材料
安装在一个圆柱面上，并通过引线连接电路。

当水中有声波信号通过时，它会使得圆柱面产生振动，导致压电材料的尺寸发生变化，从而
产生电荷，将声波信号转化为电信号输出；反之，当电信号输入时，
它会使得压电材料产生振动，将电信号转化为相应的声波信号输出。

磁电式水声换能器原理类似，只是其利用的是磁电材料的特性。