3.10.4 水声换能器
1.水声数字通信对水声换能器的要求
水声换能器的性能，部分决定水声通信机的整体性能。
水声通信机对水声换能器的要求如下：
（1）中心频率
水声通信机，即换能器的中心频率，与通信距离r、通信速率R、噪声级NL及指向性等密切相关。
（2）频带宽度
它与r、R有关，而且与水声通信信道的特性、通信体制等关联，如能工作于单频（很窄频带）的状态，不但无需进行信道振幅均衡，而且可工作于换能器的谐振状态，发射效率和接收灵敏度处于最佳条件，发射机也易于与近于纯阻状态的换能匹配。水声通信机要有一定的R，即一定的频带宽度是在采用扩频通信体制下，要求有较宽的频带，并要求留有余地，以适应水声通信信道的带限特性，由于换能器阻抗大的变化特性，使用水声通信中5kHz带宽的大功率换能器具有一定的难度。
（3）发射声功率容量
它是声源级SL的主要指标，水声通信机对换能器声功率容量的要求主要由通信距离决定。当然与水声通信机对输入信噪比的要求有关。具体要求的声功率数据，有通信声纳方程估算，对于体积严格限制的通信机，要注意空化的可能性，对电供电、长期工作在水下和有保密要求的水声数字通信机，对声功率的预估要留有充分的余地，此类通信机必须工作于低信噪比条件下，较为困难。
（4）发射效率与接收灵敏度
水声通信机的换能器绝大多数是发、收兼用的，有电池供电的水声通信机和长期工作于水下的水声通信系统，要求有尽可能高的发射效率，如电声效率达70%；对接收灵敏度的要求相对低一些，在通常的海洋噪声背景下，灵敏度的提高，无助于接收换能器输入信噪比的提高，因此，可选用以发射为主，兼顾接收的换能器。
（5）阻抗特性
要求换能器有较均匀的阻抗特性，以便与发射机的末级回路和接收机的输入电路相匹配，以提高整机的性能，避免换能器振幅均匀过分负担。
（6）工作深度
对于大深度工作的水声换能器，在结构上要专门设计，而且要注意其性能的可能下降。
（7）指向特性
水声换能器的指向特性对水声数字通信的整体性能至关重要，因为优良的指向性有助于SL的提高、NL的下降和多途时延的缩短。通常，由于不知道通信双方所在的方位，水平方向要取无方向性，垂直方向可依实际通信条件设定相应的指向性，可用-3dB波束宽度，即主板大幅值下降3dB所对应的角度，作为指标提出的要求。原则上应使指向性尽可能尖锐些，设计时，要考虑换能器的摇摆性，工作人员的方便及换能器尺寸的限制等因素。
根据水声通信对指向性的要求，通常选用圆柱形换能器结构，特殊情况，换能器可安装于稳定平台上。
2.圆管型压电陶瓷换能器
水声通信中，水中的设备，常用水声换能器，包括长度振动换能器、圆管型换能器、球面换能器和弯曲振动换能器等。这里介绍圆管型压电陶瓷换能器，分析其工作原理和特性，有助于对水声通信机功放、换能组件的了解。
圆管型压电陶瓷换能器结构简单、性能稳定，沿半径方向有近于均匀的指向性，接收灵敏度也较高，广泛应用于水声通信。
圆管型发射换能器通常采用封闭形式，如图3-27所示。
它由几个相同的径向极化的短圆管构成振子，在两个圆管间有隔振和去耦的橡皮衬环，把轻质泡沫塑料等反声或吸声材料填充到圆管内部，振子置于充油（蓖麻油）的金属外壳内，以利于声波的透射。有些换能器可采用硫化（浇注）密封工艺。
图3-27 封闭式圆管型换能器图