圆柱形压电陶瓷水听器

发布日期：2022-06-30 08:55　　　浏览次数：次

1.引言

将声信号转换成电信号，接收水中声波的器件，称为水听器，也称为接收换能器。目前水听器是进行水下目标（潜艇、鱼雷和水雷等）远距离探测最主要的手段。

当前水声领域应用最广泛的换能器是压电陶瓷换能器，其原因在于它的性能和制作工艺比其他类型的换能器有更多的优点。首先，具有较强的压电性能和较高的机电耦合系数（与稀土磁致伸缩材料相近）。其次，压电陶瓷的介电损耗也比大多数的磁致伸缩材料的磁损耗小，使得压电材料比磁致伸缩材料更适合高频应用。压电陶瓷的另一个优点是可以制作成各种不同的形状，因此，从用于大型声纳的低频大功率换能器到用于声全息和超声医疗的微小而精密的换能器，多以压电陶瓷作为换能材料^［1-5^]

2 原理、结构、计算

2.1 原理

某些晶体因受到外力作用而发生形变时，在它的某些表面上会出现电荷，这种效应称为压电效应，压电陶瓷即为具有压电效应的多晶材料。

描述压电效应的方程有如下形式^［6］：

2.2 结 构

本文介绍的水听器为圆柱形压电陶瓷水听器，主要由敏感元件、套管、水密接头和防水透声层4个部分组成。其中敏感元件由4个陶瓷管组成，4个陶瓷管两两并联后再串联以增加敏感元件的灵敏度和电容量，减小元件的电阻抗，圆管之间用软木橡胶绝缘垫圈衬垫，以使圆管自由振动，并消除其间的声耦合。前置放大电路置于敏感元件右端的套管内，敏感元件的输出信号线接至放大电路的输入端，地线与外壳及放大电路的地端连接。水听器端口封装水密接头，接头与套管连接部位设计有O型胶圈，并与橡胶电缆连接处一体硫化，以保证端口的水密性，整个水听器灌封防水透声聚氨脂，完成水听器封装。水听器的具体结构如图1所示。

由于压电陶瓷为高阻抗元件，为提高元件携带负载的能力，在水听器中引入了前置放大器实现了从高阻抗到低阻抗的转换。前置放大器采用了LMV1012贴片式集成放大器，电路如图2所示。

2.3计 算

对压电方程（1）式进行简化，考虑边界条件可推导出针对圆管状压电陶瓷的开路电压接收灵敏度^［6］：

上式为单个陶瓷管的接收灵敏度，式中a为陶瓷圆管的外半径、b为陶瓷圆管的内半径、ρ＝a／b、g₃₁和g₃₃为压电常数。

3 水听器制作

水听器的制作工艺包括陶瓷圆管的订购与检测，敏感元件的制作，支架、套管及水密接头加工制作，水听器的组装等主要工序，其中关键工艺有：（1）敏感元件的制作；（2）硫化水密接头及电缆；（3）装配支架、圆管组件、套管；（4）安装带电缆接头；（5）清洗模具、灌封聚氨脂。制备工艺流程如图3所示。

根据图3所示流程，制作了6只水听器。

4 水听器性能

4.1 灵敏度测量

水听器的灵敏度，在100 Hz～1kHz使用振动液柱法测量，在1kHz～10kHz采用自由场比较法在消声水池中测量，测量样品6只，编号为：1＃、2＃、3＃、4＃、5＃、6＃。图4为5＃水听器测量的接收电压灵敏度随频率响应变化曲线，由图可以看出，水听器的灵敏度在-170dB左右，灵敏度波动小于2dB，且稳定性较好。水听器内前置放大器放大倍数为26dB，计入放大器的放大倍数，水听器的灵敏度为-169.9dB，与计算结果相符。

4.2 灵敏度随负载电阻变化的测量

考虑到水听器的灵敏度随着负载电阻的变化而变化，对于不同的电阻值，分别测量了水听器的灵敏度。图5为负载随灵敏度变化的测量曲线，从图中我们可以直观的看出电阻在24～30kΩ范围内时，灵敏度响应接近-170dB，26kΩ附近达到峰值，水听器的灵敏度在-195～-170dB范围内随负载电阻近似成线性增加^［7］。

4.3 环境试验

考虑到水听器的应用环境，在对水听器的工作频率、灵敏度及其一致度等主要性能参数进行检测外，还须对水听器进行环境试验。按照相关测量标准，低温贮存试验的温度为-40℃，保温24h；温度突变试验的温度范围为-30～＋60℃；振动试验的轴向和径向各振动2h，共4h；、颠振试验的颠振次数为1000；静水压力试验的压力为1MPa，保压1h。

环境试验前后分别测试了2＃和4＃水听器的接收电压灵敏度，结果如图6所示^［7^]。

由上图可见，环境试验前后水听器的灵敏度响应基本上保持在-170dB，无明显变化，说明水听器对于恶劣环境的适应能力较好。

5结论

本文介绍的水听器采用陶瓷环作为换能材料，应用两并两串陶瓷管叠堆结构，以提高水听器的灵敏度、增大陶瓷管的电容，减小阻抗。水听器的内置前置放大器，实现了信号输出从高阻抗到低阻抗的变换，提高了抗干扰能力，而且一致性较好。经过常温测试，水听器灵敏度达到-170dB，工作频率100 Hz～40kHz，经过环境试验水听器的性能基本保持不变。

参考文献

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[6] 栾桂冬，张金铎，王仁乾.压电换能器和换能器阵［M］．北京：北京大学出版社，2005．

[7] 杜宏亮.灵敏度可调式水听器的研制［D］.北京：北京机械工业学院，2007．