技術與應用
發布日期：2022-06-30 08:55 瀏覽次數：次
1.引言
將聲信號轉換成電信號，接收水中聲波的器件，稱為水聽器，也稱為接收換能器。目前水聽器是進行水下目標（潛艇、魚雷和水雷等）遠距離探測最主要的手段。
當前水聲領域應用最廣泛的換能器是壓電陶瓷換能器，其原因在于它的性能和制作工藝比其他類型的換能器有更多的優點。首先，具有較強的壓電性能和較高的機電耦合系數（與稀土磁致伸縮材料相近）。其次，壓電陶瓷的介電損耗也比大多數的磁致伸縮材料的磁損耗小，使得壓電材料比磁致伸縮材料更適合高頻應用。壓電陶瓷的另一個優點是可以制作成各種不同的形狀，因此，從用于大型聲納的低頻大功率換能器到用于聲全息和超聲醫療的微小而精密的換能器，多以壓電陶瓷作為換能材料［1-5 ]
2 原理、結構、計算
2.1 原 理
某些晶體因受到外力作用而發生形變時，在它的某些表面上會出現電荷，這種效應稱為壓電效應，壓電陶瓷即為具有壓電效應的多晶材料。
描述壓電效應的方程有如下形式［6］：
2.2 結 構
本文介紹的水聽器為圓柱形壓電陶瓷水聽器，主要由敏感元件、套管、水密接頭和防水透聲層4個部分組成。其中敏感元件由4個陶瓷管組成，4個陶瓷管兩兩并聯后再串聯以增加敏感元件的靈敏度和電容量，減小元件的電阻抗，圓管之間用軟木橡膠絕緣墊圈襯墊，以使圓管自由振動，并消除其間的聲耦合。前置放大電路置于敏感元件右端的套管內，敏感元件的輸出信號線接至放大電路的輸入端，地線與外殼及放大電路的地端連接。水聽器端口封裝水密接頭，接頭與套管連接部位設計有O型膠圈，并與橡膠電纜連接處一體硫化，以保證端口的水密性，整個水聽器灌封防水透聲聚氨脂，完成水聽器封裝。水聽器的具體結構如圖1所示。
由于壓電陶瓷為高阻抗元件，為提高元件攜帶負載的能力，在水聽器中引入了前置放大器實現了從高阻抗到低阻抗的轉換。前置放大器采用了LMV1012貼片式集成放大器，電路如圖2所示。
2.3計 算
對壓電方程（1）式進行簡化，考慮邊界條件可推導出針對圓管狀壓電陶瓷的開路電壓接收靈敏度［6］：
上式為單個陶瓷管的接收靈敏度，式中a為陶瓷圓管的外半徑、b為陶瓷圓管的內半徑、ρ＝a／b、g31和g33為壓電常數。
3 水聽器制作
水聽器的制作工藝包括陶瓷圓管的訂購與檢測，敏感元件的制作，支架、套管及水密接頭加工制作，水聽器的組裝等主要工序，其中關鍵工藝有：（1）敏感元件的制作；（2）硫化水密接頭及電纜；（3）裝配支架、圓管組件、套管；（4）安裝帶電纜接頭；（5）清洗模具、灌封聚氨脂。制備工藝流程如圖3所示。
根據圖3所示流程，制作了6只水聽器。
4 水聽器性能
4.1 靈敏度測量
水聽器的靈敏度，在100 Hz～1kHz使用振動液柱法測量，在1kHz～10kHz采用自由場比較法在消聲水池中測量，測量樣品6只，編號為：1＃、2＃、3＃、4＃、5＃、6＃。圖4為5＃水聽器測量的接收電壓靈敏度隨頻率響應變化曲線，由圖可以看出，水聽器的靈敏度在-170dB左右，靈敏度波動小于2dB，且穩定性較好。水聽器內前置放大器放大倍數為26dB，計入放大器的放大倍數，水聽器的靈敏度為-169.9dB，與計算結果相符。
4.2 靈敏度隨負載電阻變化的測量
考慮到水聽器的靈敏度隨著負載電阻的變化而變化，對于不同的電阻值，分別測量了水聽器的靈敏度。圖5為負載隨靈敏度變化的測量曲線，從圖中我們可以直觀的看出電阻在24～30kΩ范圍內時，靈敏度響應接近-170dB，26kΩ附近達到峰值，水聽器的靈敏度在-195～-170dB范圍內隨負載電阻近似成線性增加［7］。
4.3 環境試驗
考慮到水聽器的應用環境，在對水聽器的工作頻率、靈敏度及其一致度等主要性能參數進行檢測外，還須對水聽器進行環境試驗。按照相關測量標準，低溫貯存試驗的溫度為-40℃，保溫24h；溫度突變試驗的溫度范圍為-30～＋60℃；振動試驗的軸向和徑向各振動2h，共4h；、顛振試驗的顛振次數為1000；靜水壓力試驗的壓力為1MPa，保壓1h。
環境試驗前后分別測試了2＃和4＃水聽器的接收電壓靈敏度，結果如圖6所示［7 ]。
由上圖可見，環境試驗前后水聽器的靈敏度響應基本上保持在-170dB，無明顯變化，說明水聽器對于惡劣環境的適應能力較好。
5結 論
本文介紹的水聽器采用陶瓷環作為換能材料，應用兩并兩串陶瓷管疊堆結構，以提高水聽器的靈敏度、增大陶瓷管的電容，減小阻抗。水聽器的內置前置放大器，實現了信號輸出從高阻抗到低阻抗的變換，提高了抗干擾能力，而且一致性較好。經過常溫測試，水聽器靈敏度達到-170dB，工作頻率100 Hz～40kHz，經過環境試驗水聽器的性能基本保持不變。
參考文獻
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