王冬石 程宏

（1.中海油田服務(wù)有限公司，燕郊，065201；2.昆明船舶設(shè)備研究試驗中心，昆明，650051）

應(yīng)用于某半潛式鉆井平臺的超短基線定位(USBL)系統(tǒng)，其設(shè)計工作溫度為0℃～55℃，但針對該平臺將赴寒帶（海水溫度在 0℃以下，海上最低環(huán)境溫度?15℃）作業(yè)時對超短基線定位系統(tǒng)的應(yīng)用需求，需開展超短基線定位系統(tǒng)寒帶應(yīng)用可行性評估。其中，超短基線陣及應(yīng)答器換能器耐低溫性能評估與測試是一項重要內(nèi)容，由于在國內(nèi)換能器從未開展過低溫條件下的工作測試，需研究制定低溫測試方案，進行相應(yīng)的測試工作，通過測試結(jié)果評估超短基線定位系統(tǒng)的基陣和應(yīng)答器換能器能否滿足海水低溫工作條件。

1 耐低溫性能評估

超短基線定位系統(tǒng)由水下應(yīng)答器、超短基線基陣、信號處理設(shè)備及顯控設(shè)備等組成。其中，超短基線陣及應(yīng)答器換能器主要包括以下幾個部分：金屬結(jié)構(gòu)、壓電陶瓷、水密聚氨酯橡膠材料。

首先，從材料角度來看，金屬結(jié)構(gòu)（包括TC4鈦合金及○型密封圈等）在?5℃情況下其屬性變化較小，可以忽略影響。

換能器核心部件的壓電陶瓷采用鋯鈦酸鉛固溶體PZT-4材料，該材料的各物理參數(shù)都隨溫度發(fā)生變化。為了保證壓電器件在較寬的溫度范圍內(nèi)可以正常地工作，應(yīng)用上要求壓電陶瓷材料的性能隨溫度的變化盡可能地小。因此，壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性問題受到人們的高度重視，開展了廣泛的研究。在?30℃到200℃的范圍內(nèi)，壓電陶瓷的性能變化趨勢均有學(xué)者做過相應(yīng)的實驗[1-4]，隨著溫度的降低，壓電陶瓷的介電常數(shù)ε較常溫下會有細微下降[1]，但不影響正常使用。

基陣和換能器的包覆材料采用的是聚氨酯橡膠材料，其低溫性能通常用脆性溫度（玻璃化溫度）來衡量。聚氨酯彈性體具有良好的低溫性能，主要表現(xiàn)在脆性溫度一般都很低（?70℃～?40℃），典型的澆注型聚氨酯彈性體的脆性溫度如表1所示。

表1 典型的澆注型聚氨酯彈性體的脆性溫度及其比較

文獻[5]的研究結(jié)果表明，聚氨酯材料在?10℃條件下的透聲系數(shù)較40℃時減小比率在8%以內(nèi)，且與金屬材料鈦合金的粘合性性能較好。隨著溫度的下降，聚氨酯彈性體的硬度、拉伸強度將增大，而回彈和扯斷伸長率下降。實際使用過程中聚氨酯不存在受力的情況，因此在?5℃左右不影響使用。從材料的環(huán)境適應(yīng)性分析，換能器在?5℃左右可以正常使用。在此基礎(chǔ)上我們開展了實際測試。

2 低溫冷凍試驗

將基陣或應(yīng)答器換能器放入消聲水池中測試其導(dǎo)納數(shù)據(jù)，分四種情況：常溫（18℃）條件下；?5℃冷凍8 h后；?20℃冷凍8 h后；冷凍后放置恢復(fù)到常溫條件下。對以上數(shù)據(jù)進行分析比較，判斷低溫冷凍后基陣和換能器是否會產(chǎn)生異常?；嚭蛻?yīng)答器換能器的測試結(jié)果如圖1～圖2所示。

圖1 基陣在不同溫度條件下導(dǎo)納曲線

對于基陣和應(yīng)答器換能器而言，在常溫、?5℃冷凍、?20℃冷凍后以及恢復(fù)常溫后測試，不同條件下測量的導(dǎo)納數(shù)據(jù)與常溫下的測量數(shù)據(jù)相比，同一頻點導(dǎo)納變化率均在±20%以內(nèi)，屬于正常范圍，表明經(jīng)過低溫冷凍后，基陣和換能器未出現(xiàn)異常。

圖2 應(yīng)答器換能器在不同溫度條件下導(dǎo)納曲線

3 常溫和低溫水下工作測試與比較

配置可設(shè)定溫度的768 L冰柜，在冰柜中加注海鹽和雜質(zhì)，模擬海水最低溫不結(jié)冰環(huán)境（不低于?5℃），我們用海鹽配制了質(zhì)量濃度為 10%的氯化鈉水溶液，其冰點為?10℃。將基陣或應(yīng)答器換能器放入冰柜低溫水中，測試信號為脈寬3 ms的CW信號，收發(fā)間距約80 cm，通電連續(xù)工作，測試其接收信號幅度，與常溫下的測試結(jié)果進行比較。

我們分別在常溫（水溫7℃）、?3℃水溫（冷凍測試 1）和?5℃水溫（冷凍測試 2）三種條件下開展了基陣和應(yīng)答器換能器水下工作實際測量，加電測試其發(fā)射和接收信號的幅度等參數(shù)，并觀察接收波形有無失真，與常溫下的測試結(jié)果進行了比較。由于在此測試條件下界面反射疊加嚴重，我們選擇CW脈沖前沿8個周期無反射疊加影響的波形進行測量，讀取其幅度均方根值。圖3為不同水溫下應(yīng)答器發(fā)射、基陣接收信號幅度比較，圖4為不同水溫下基陣發(fā)射、應(yīng)答器接收信號幅度比較。

圖3 應(yīng)答器發(fā)射，基陣接收低溫冷凍前后工作性能比較

圖4 基陣發(fā)射、應(yīng)答器換能器接收低溫冷凍前后工作性能比較

從文獻[3]、[4]和[7]的研究成果來看，壓電陶瓷的諧振頻率隨溫度變化主要是由兩個因素引起的，一是溫度引起幾何尺寸的變化，一是溫度引起材料彈性柔順系數(shù)的變化。

表征材料幾何尺寸變化的參數(shù)為膨脹系數(shù)，其數(shù)量級大約為 10?6℃；彈性柔順系數(shù)的溫度系數(shù)的數(shù)量級為10?4℃。由此可見，引起諧振頻率隨溫度發(fā)生變化的兩個因素中，彈性柔順系數(shù)的變化是主要因素。壓電陶瓷的諧振頻率與彈性柔順系數(shù)的關(guān)系如下：

其中，fr為壓電陶瓷的諧振頻率，l為壓電振子的長度，ρ為材料密度，為材料彈性柔順系數(shù)。

由材料的微觀粒子學(xué)分析，隨著溫度的升高，粒子熱運動加劇，粒子間平衡距離增大，粒子間相互作用力減弱，因而在較小應(yīng)力作用下就能產(chǎn)生較大的形變，即彈性柔順系數(shù)變大；相反在低溫條件下壓電陶瓷的彈性柔順系數(shù)較小，則諧振頻率較常溫下升高。圖3中21 kHz時接收幅度較常溫條件小，圖4中在25 kHz和27 kHz的接收幅度較常溫條件大，這是諧振頻率升高的結(jié)果，與理論分析結(jié)果一致?？傮w而言，在?3℃和?5℃水下基陣和應(yīng)答器換能器收發(fā)信號幅度與常溫下無明顯差異，信號波形也無失真，基陣和應(yīng)答器換能器能夠正常工作。

4 結(jié)論

關(guān)于換能器低溫水下工作測試此前在國內(nèi)未見相關(guān)報道，為滿足極地寒帶的應(yīng)用要求，我們開展了相關(guān)工作，在?3℃和?5℃水溫下基陣和換能器信號接收正常，換能器諧振點最大上移了約1 kHz，但不影響超短基線定位系統(tǒng)工作。根據(jù)各國對極地海域的考察數(shù)據(jù)，海水最低溫度不低于?2℃，因而現(xiàn)有壓電陶瓷材料的基陣和換能器完全能滿足低溫水下使用要求，只是在零下幾十度環(huán)境下的儲存和運輸需采取相應(yīng)的防護措施。

該項試驗成果為超短基線定位系統(tǒng)的寒帶應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，系統(tǒng)隨半潛式鉆井平臺在北極（海底水溫?0.8℃）作業(yè)期間工作正常，為平臺作業(yè)提供了可靠的安全保障。基陣和換能器在低溫水下長期工作的壽命和可靠性今后尚需開展進一步的研究和試驗。

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