（水声工程专业论文）高灵敏度声压水听器研究.pdf

哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 。p u作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：夕1 寸强 日期：加7 口年3 月力日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程 本论 解密后) 作者( 签字) 锄强 日期：湖9 年3 月3 2 日 待解密后适用本声明。 即可口在授予学位1 2 个月后 口 交有关部门进行保存、汇编等。 导师( 签字) ：够守 山，哞王月堋 哈尔滨t 稗人学硕十学位论文 摘要 高灵敏度声压水听器可以检测到更微弱的声压信号，对声压信号的响应 大，可以不用测量放大器而直接读取数据。 本文研究了两种结构的高灵敏度声压水听器：复合棒式声压水听器和迷 你罐式声压水听器。首先给出了带盖板的声压水听器的灵敏度，分析了影响 声压水听器灵敏度的主要因素，并给出了复合棒式声压水听器和迷你罐式声 压水听器的结构。然后，利用a n s y s 有限元软件对复合棒式水听器和迷你罐 式水听器进行优化设计。研究了水听器结构尺寸对水听器谐振频率和灵敏度 的影响：计算了水听器在空气中以及水中的阻抗特性和接收灵敏度。优化后 复合棒式水听器的工作频率上限为1 5 k h z ，声压灵敏度为1 8 9 d b ，带内起伏 小于3 d b 。优化后迷你罐式水听器的工作频率上限为2 0 k h z ，声压灵敏度为 1 7 6 d b ，带内起伏小于3 d b 。 最后，对复合棒式水听器和迷你罐式水听器进行加工制作，并对水听器 的阻抗特性和接收灵敏度进行水中测量。结果表明，此类声压水听器具有较 高的灵敏度，测量结果与a n s y s 软件的计算结果基本吻合。 关键词：高灵敏度；声压水听器；复合棒；迷你罐；有限元法 哈尔滨下程大学硕十学位论文 a b s t r a c t h i g hs e n s i t i v i t yh y d r o p h o n e sc a nd e t e c tm u c hs m a l l e rs i g n a la n dp r o d u c e l a r g e rr e s p o n s et h a nt h eh y d r o p h o n e st h a th a v el o w e rs e n s i t i v i t y s i n c et h ea r e ao ft h el i d se x p o s e dt ow a t e ri sm u c hg r e a t e rt h a nt h ea r e ao f t h ep z t s ，t h ep r e s s u r eo nt h ep z ti sa l s om u c hg r e a t e rt h a nt h ep r e s s u r eo nt h el i d t h i sw i l lo b s e r v a b l yi n c r e a s et h es e n s i t i v i t yo fh y d r o p h o n e s b a s e do nt h i se f f e c t t w ok i n d sp r e s s u r eh y d r o p h o n e so fh i g h - s e n s i t i v i t yw e r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r ： t o n p i l zd e s i g na n dm i n i c a nd e s i g n i nt h eb e g i n n i n go ft h i sp a p e rg i v e s s e n s i t i v i t yo ft h es o u n dp r e s s u r eh y d r o p h o n et h a th a sl i d s ，a n a l y s e st h em a i n f a c t o r st h a ti n f l u e n c e s e n s i t i v i t yo fp r e s s u r eh y d r o p h o n ea n dt h e ng i v e st h e s t r u c t u r e so ft h et o n p i l zd e s i g na n dt h em i n i c a n d e s i g n t h e n ，b yu s i n ga n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et h i sp a p e ro p t i m i z et h e d e s i g no ft o n p i l za n dm i n i c a n a n dt h ei n f l u e n c eo ft h es i z eo fs t r u c t u r eo ft h e h y d r o p h o n e o nr e s o n a n c ef r e q u e n c ya n d s e n s i t i v i t yw a sr e s e a r c h e da n dt h e r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds e n s i t i v i t yo ft h e s et w oh y d r o p h o n e si nt h ea i ra n d w a t e ri sa l s oc a l c u l a t e d i ti sf o u n d ，t h a to p e r a t i n gu p p e rl i m i to fb a n d w i d t ho ft h e o p t i m i z e dt o n p i l z d e s i g n i s15 k h z ，p r e s s u r es e n s i t i v i t y i s 一18 9 d b ，b a n d f l u c t u a t i o n si sl e s st h a n3 d b a n dt h eo p e r a t i n gu p p e rl i m i to fb a n d w i d t ho ft h e o p t i m i z e dt h em i n i c a nd e s i g ni s2 0k h z ，i t sp r e s s u r es e n s i t i v i t yi s 一17 6 d b ，i t s b a n df l u c t u a t i o n si sl e s st h a n3 d b i nt h el a s ts t e p ，at o n p i l zd e s i g na n dam i n i c a nd e s i g nw e r ep r o d u c e d ，a n d t h e i rr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds e n s i t i v i t yw i l lb em e a s u r e di nt h ew a t e r t h e t e s t ss h o wt h a tt h i st y p eo fh y d r o p h o n eh a v em u c hh i g h e rs e n s i t i v i t y ，t h i st e s t e d r e s u l t si sb a s i c a l l yc o n s i s t e n t 谢t l lt h ec a l c u l a t e dr e s u l t so f a n s y ss o f t w a r e k e yw o r d s ：h i g hs e n s i t i v i t y ；p r e s s u r eh y d r o p h o n e ；t o n p i l z ；m i n i c a n ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d s 1 i i ， r ， t 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 声压水听器概述1 1 3 高灵敏度声压水听器4 1 4 本文研究的主要内容6 第2 章声压水听器基本理论”：7 2 1 压电陶瓷声压水听器的基本理论7 2 1 1 压电陶瓷声压水听器灵敏度的导出7 2 1 2 带盖板的水听器9 2 1 3 影响水听器灵敏度的其它因素1 0 2 2 评价水听器的参数1 2 2 3 互易原理1 4 2 4 本章小结1 5 第3 章高灵敏度声压水听器理论分析1 6 3 1 复合棒式水听器的理论分析1 6 3 1 1 水听器的有限元模型1 7 3 1 2 水听器结构尺寸对反谐振频率的影响1 8 3 1 3 水听器结构尺寸对灵敏度的影响2 2 3 1 4 水听器虚拟样机分析2 7 3 2 迷你罐式水听器的理论分析2 9 3 2 1 水听器的有限元模型3 0 3 2 2 水听器结构尺寸对反谐振频率的影响3 1 3 2 3 水听器结构尺寸对其灵敏度曲线的影响3 3 3 2 4 水听器虚拟样机分析3 7 3 3 本章小结“3 9 第4 章水听器的制作与测量4 l 4 1 水听器的制作”4 l t f 哈尔滨1 二程大学硕+ 学位论文 i i im n 4 1 1 复合棒式水听器的制作4 1 4 1 2 迷你罐式水听器的制作4 1 4 2 水听器的测量系统与测量方法4 3 4 2 1 测量系统4 3 4 2 2 水听器的测量4 3 4 3 误差分析4 9 4 4 本章小结5 0 结 仑：。5 1 参考文献5 3 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果5 7 致谢5 8 毋 ， j 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 声学是物理学中重要的一个分支。声学是研究声音的产生、传播、接收、 作用和处理重现的学科。声音是一种机械扰动在气态、液态和固态物质中传 播的现象，其频域范围为1 0 1 0 1 0h z ”。声音在传播过程中会与传播媒质、 障碍物等相互作用，从而产生各种物理现象，人们可以通过对这些现象的认 识来获得诸多信息。声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的手段。水声 学是声学的一个分支学科，主要研究声波在水下的产生、传播和接收，用以 解决与水下目标探测和信息传输过程有关的问题”。 水声换能器是发射和接收水中声信号的装置，是进行水声学研究的核心 设备”。水声换能器技术是一门综合技术，涉及到声学、电磁学、光学、振 动、材料、化学、流体力学等多种学科，其研究具有很强的理论性和实践性。 换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换成另一种形式的 装置。水声换能器是实现电声能量互换的器件，是实现水中目标探测、跟 踪、识别与定位的最为基础、重要的组成部分“。按其物理效应的不同，又 可以把换能器分为两大类：一类是借助于电场中的电一力效应形成换能的器 件，简称电场性换能器；另一类是借助于磁场中的磁一力效应形成换能的器 件，简称磁场性换能器。按其工作状态的不同，把换能器分为两类：实现电 声能量转换的一类换能器称为发射器，一般意义上的“换能器”均指此类发 射器；实现声一电能量转换的一类换能器称为接收器，一般称为水听器。 1 2 声压水听器概述 声压水昕器探测水下声信号以及噪声声压变化并产生和声压成比例的电 压输出。声压水听器是水声测量中必不可少的设备，是被动声呐系统中的核 心部分。根据所用灵敏材料的不同，声压水听器可以分为：压电陶瓷声压水 听器、p v d f 声压水听器、压电复合材料声压水听器和光纤声压水听器。 压电陶瓷可以制成各种形状，将一块压电陶瓷，焊上合适的电极接上导 线，防水密封以后就是一只水听器。压电陶瓷圆管就是一种常用的水听器灵 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 敏元件，可以通过不同的电极焊接方式和不同的封装方式作各种变化。 径向极化的压电陶瓷圆管具有水平无指向性、接收灵敏度高、结构简单、 工作性能稳定等特点，因此特别适合制作水听器，其中最具代表的就是丹麦 b & k 声振仪器公司生产的8 1 0 1 型、8 1 0 3 型和8 1 0 4 型水听器。图1 1 是8 1 0 4 型水听器的结构图，有4 片径向极化的压电陶瓷圆管并联连接作为接收灵敏 元件。水听器的自由场灵敏度为一2 0 5 d b ( 0 d b = 1 v 妒a ) ；3 d b 带宽为0 1 h z 到8 0 k h z ；水平无指向性。我国国防水声计量一级站研制的r h c 系列的水听 器均采用径向极化的压电陶瓷圆管作为灵敏元件。 图1 18 1 0 4 绝缘套氯丁像殷 压电陶甓 声中心 图1 28 1 0 5 径向极化的球壳是另外一种水听器制作中最常用的灵敏元件，因为灵敏 度高、频带宽、平坦的响应甚至可以超过谐振频率、阻抗低、静压性能很好 并且结构简单。将经过极化的压电陶瓷球壳焊接上电极，灌封后就是一只水 听器，在水平和垂直两个方向上都是无指向性的。b & k 声振仪器公司生产的 8 1 0 5 型水听器和我国国防水声计量一级站研制的r h s 系列水听器的灵敏元 件均为球形压电陶瓷。图1 2 为b & k 公司生产的8 1 0 5 型水听器，性能与8 1 0 4 型水听器相当，具有更好的垂直指向性。 可以将各种形状的压电陶瓷元件焊上电极，灌封后做成各种形式的声压 水听器，以满足各种条件下的需求。比如将一块厚度方向极化的压电陶瓷圆 片灌封后就是一只声压水听器，但是接收灵敏度通常会很低，而且当陶瓷尺 2 r，。，；，w。hr；i士 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 寸较大时，水听器具有一定几何形状的指向性。 1 9 6 9 年，日本的h k a w a i 首次发现“聚偏氟乙烯 ( p v d f ) 有较强的 压电性能。压电聚合物p v d f ( 聚偏二氟乙烯) 薄膜是由p v d f 经拉伸、镀 金属电极再极化而成的。p v d f 具有很强的压电性，压电常数舀，很大，比 p z t 大1 0 余倍，尤其是静水压压电常数瓯比压电陶瓷p z t _ 一5 大很多，用作 水听器具有较高的灵敏度n 引。p v d f 可以制成柔性膜，制作换能器时可以设 计成任意形状，并且材料的声阻抗率低，容易与水等流体介质实现阻抗匹配， 常用来制作高频标准水听器。p v d f 薄膜水听器具有以下特性：易于控制水 听器的静态电容量，并且静态电容量一般较大，可以减少电缆分布电容对水 听器灵敏度的衰减；重量轻；适合做拖缆水听器。p v d f 是一种去耦材料， 横向耦合系数小，水听器重量轻，因此加速度灵敏度明显变小，提高了抗拖 曳干扰的能力。 压电复合材料是指压电陶瓷和聚合物按一定的连通方式、一定的体积或 质量比，以及一定的空间几何分布复合而成的材料。在压电复合材料中， 压电陶瓷作为压电活性材料，一般选择具有高压电性能的压电陶瓷，提供强 压电效应。聚合物一般选择环氧树脂等高分子材料，这类材料声学阻抗低、 柔性好，与压电陶瓷进行复合可降低材料的声阻抗、密度和介电常数，增加 材料的弹性柔顺性。 压电复合材料的声阻抗低，易于与水等传播介质匹配，平面机电耦合系 数较小，而厚度机电耦合系数较大，原因是压电复合材料中，p z t 柱由聚合 物相互耦合在一起，其平面机电耦合系数要小于普通p z t 的平面机电耦合系 数。因此压电复合材料应电压中的低频成分即径向振动模态要弱于普通p z t ， 使能量更集中于厚度振动模态。由于作为填充物的非压电材料由柔性高分子 材料构成，因此压电复合材料相对较柔软，能方便的做成各种形状，另外压 电复合材料的压力和温度稳定性好。由于压电复合材料的巩岛积比p z t 的高 得多，因此非常适合制作水听器。压电陶瓷的抗张强度一般很低，质脆，很 难做成特殊形状的组件和大面积换能器要求的组件。压电复合材料含有高分 子聚合物，弹性柔顺系数较大，容易获得特殊形状的组件和大面积换能器要 求的组件。 光纤水听器是基于光纤、光电子技术的一种新型水听器，具有灵敏度高、 哈尔滨丁稃大学硕+ 学位论文 频带回应宽、抗电磁干扰、耐恶劣坏境、结构轻巧、易于遥测和构成大规模 数组等特点1 。根据对光纤中传输的光信号的不同参量的调制，可以将光纤 水听器分为三类。第一类为光强调制型，也叫强度型；有光纤微弯式、光纤 绞合式、受抑全内反射式、光栅式；第二类为相位调制型，也就是干涉型。 其核心部件是各种干涉仪主要有：迈克尔逊干涉仪、马赫一曾德干涉仪、法 布里一珀罗干涉仪和萨格纳克干涉仪；第三类为波长调制型，主要依赖光栅 实现，所以也可以称为光栅型。三种类型中最有前景的是基于相位调制的干 涉型光纤水听器哺1 。 光纤水听器的声压灵敏度一般较高，但是光纤水听器的声压灵敏度本身 含有放大的成分，因此不宜跟压电类水听器的声压灵敏度进行比较。并且由 于光纤水听器结构上的问题，使得光纤水听器的工作频带相对较窄。 1 3 高灵敏度声压水听器 与压电复合材料、p v d f 薄膜材料、以及光纤水听器相比，传统的压电 陶瓷仍具有很大的优势。压电陶瓷可以方便地制成各种形状，这给水听器的 设计带来很大的方便；压电陶瓷稳定性好，在相当长的一段时间内不会使水 听器性能发生变化；压电陶瓷耐压性能好，本身可以承受很大的应力，因此 用压电陶瓷制作的水听器可以在深水条件下工作；压电陶瓷类水听器灵敏度 响应平坦。 由于压电陶瓷的静水压压电甄常数较小，因此利用压电陶瓷的静压模式 制作的声压水听器的灵敏度通常很小。通过屏蔽除3 方向外的两个方向上的 声压，使得水听器中的压电陶瓷仅工作在3 3 模式下，可以显著地提高水听器 的灵敏度。此类水听器可以分为两种：单面接收式压电陶瓷水听器和双面接 收式压电陶瓷水听器。图1 3 所示为单面接收式水听器的结构示意图，图1 4 所示为双面接收式水听器的结构示意图。 单面接收式压电陶瓷水听器需要一个质量较大的后质量块来保证一端固 定的边界条件，否则水听器的灵敏度将会变小。同时由于后质量块的存在， 水听器会有较高的加速度灵敏度。在单面接收式水听器的接收面上，安装一 块面积比压电陶瓷大的盖板，盖板将使得作用在压电陶瓷上的应力比作用在 盖板上的声压大，因此盖板会产生声压放大作用。在压电陶瓷上加装面积较 4 哈尔滨- t 程大学硕士学何论文 大的前盖板和质量较大的后盖板，即为复合棒式声压水听器。增大前盖板和 压电陶瓷的面积比即可以显著地提高水听器的灵敏度。 薄腰 图1 3 单面水听器图1 4 双面水听器 将两块参数相同的压电陶瓷并联连接，在中间引出一个电极作为水听器 的正极，两个端面连接在一起作为负极，就构成了最简单的双面接收式水听 器。双面接收式水听器由于上下对称，并且不需要质量很大的尾质量块，因 此双面接收式水听器的加速度效应很小。同样在双面接收式水听器两个接收 面上加装面积较大的盖板也可以显著地提高水听器的接收灵敏度。利用此种 结构，加拿大m o n t e r e y 海军研究生院的t h o m a sj h o f l e r 教授提出迷你罐式 水听器设计，和1 9 6 5 年a n a n e v a 描述的一种水听器有些相似。h e l l e n i c 海 军n p s 的学生l ts t a v r o sp o l y d o r o u 和墨西哥海军的l tm i g u e la l v a r a d oj 制作 并测试了迷你罐式水听器。迷你罐式水听器的灵敏元件为两片并联的压电陶 瓷圆片，厚度方向极化。图1 5 所示为迷你罐式水听器的示意图，图1 6 所示 为迷你罐式水听器的实物图。 图1 5 迷你罐式水听器的示意图图1 6 迷你罐式水听器 由于压电陶瓷圆片的面积较小而厚度较大，因此水听器自身的自由电容 量很小，不足以驱动6 m 长的电缆，所以在水听器的内部安装了低噪声的前 5 ， 哈尔滨工程大学硕+ 学何论文 置放大器，前置放大器的增益为2 0 d b 。水听器的灵敏度为18 8 d b ( 不包含放 大器的增益) ，带宽为1 0 0 h z 一2 0 k h z 钔瞳引。 此种水听器有许多优点：水昕器的灵敏元件采用的是压电陶瓷，因此继 承了压电陶瓷类水听器的优点，稳定性好；水听器结构上的设计使得其容易 获得较高的接收灵敏度；与光纤声压水听器相比，还具有带宽上的优势；加 工制作简单，且成本低廉。 1 4 本文研究的主要内容 利用盖板的声压放大作用可以显著地提高声压水听器的灵敏度，利用这 一效应的水听器有两种形式：一种是单面接收式水听器，如复合棒式水听器； 另一种是双面接收式水听器，如迷你罐式水听器。本文对这两种水听器进行 了研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 在理论上给出带盖板式水听器的灵敏度，并分析影响水听器灵敏度 的主要因素，为水听器的设计提供理论支持。 ( 2 ) 使用a n s y s 有限元分析软件，分别对复合棒式水听器和迷你罐式 水听器进行数值仿真，分析水听器的各结构参数对水听器谐振频率和灵敏度 的影响。并对水听器进行优化设计，设计出灵敏度较高的声压水听器。 ( 3 ) 根据a n s y s 软件优化结果，制作水听器，并进行测试，将测试结 果和a n s y s 软件的计算结果比对。 6 哈尔滨u t 程大学硕士学位论文 第2 章声压水听器基本理论 2 1 压电陶瓷声压水听器的基本理论 2 1 1 压电陶瓷声压水听器灵敏度的导出 考虑以图2 1 所示的方式焊电极的压电陶瓷片，在平行于3 方向即z 方 向上建立极轴。恒流源工作状态时，当外力和电场同时作用在压电陶瓷上时， 压电方程为： ， s ) - s o ) t + g ) 7 d ) e = g ) t + 1 37 d ( 2 1 ) 哟 图2 1 在3 方向镀电极的压电陶瓷 电极间电场强度分量为历，用公式( 2 1 ) 给出即为， 弓= 一9 3 i 五一9 3 2 乏一g s ，乃+ 彪d 3 ( 2 - 2 a ) 电场强度e 3 = 刁y 彪，电压 f ，： v = 一i 易出= 一毛f( 2 - 2 b ) 一f ，2 第二个等号是因为毛是常数r 是压电片厚度。开路情况下，d 3 = o 。由公式 ( 2 2 a b ) 可得： v = 9 3 l ，互+ 9 3 2 f 互+ 9 3 3 ，互 ( 2 - 3 a ) 两电极间开路输出电压和两电极间的厚度，、常数9 3 ，、以及应力乃成正比。 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 屏蔽 隔离 a 日 图2 2 a1 ，2 方向屏蔽图2 2 b2 ，3 方向屏蔽 如图2 2 a 所示，1 方向和2 方向的法平面可以自由运动并且通过坚硬结 构和间隙或是压力一释放材料屏蔽掉入射声压，那么互= 互= 0 。因此只有3 方 向的法平面接收声压，因此只有乃不为零并等于入射平面波声压幅值b 。这 种情况下水听器3 3 模式的灵敏度： 坞3 = y b = 9 3 3 f( 2 - 3 b ) 如果只有1 方向法平面接收声压，如图2 2 b 所示，那么五= 正= o ，因此， 3 1 模式接收灵敏度为： + 坞i = 矿b = 9 3 l ， ( 2 3 c ) 对于典型的p z t 材料9 3 l 一，2 ，因此3 1 模式灵敏度只是3 3 模式的一半。 c 图2 2 c3 个方向都不屏蔽 如果1 方向和2 方向的法平面都接收声压而3 方向的法平面屏蔽，那么 m = 岛1 t + 9 3 2 f = 2 9 3 l f ( 对于p z t 材料9 3 l = 9 3 2 ) 。图2 2 c 所示的情况下，所有 的面都接收入射声压，称为静水压灵敏度，由下式给出： 心= ( 9 3 3 + 2 岛l y = 既f ( 2 - 3 d ) 8 哈尔溟t 程大学硕十学位论文 式中，g h = 9 3 3 + 2 9 3 l 是静水压压电g 常数。对于p z t 5 ，g h2 0 0 2 4 8 + 2 x ( - - 0 0 1 1 4 ) = o 0 0 2 v m n 比戤，小一个数量级( 9 3 ，= 0 0 2 4 8 v m n ) 。钛酸铅却 很适合于静水压模式，其秭= o 0 3 3 + 2 x ( - 0 0 0 4 1 ) = 0 0 2 4 8 和岛3 很接近。尽 管这种材料的静水压灵敏度很高，但是其介电常数接近p z t 一1 5 的十分之一， 这样就导致了高阻抗和较低的灵敏优值。 2 1 2 带盖板的水听器 图2 3 所示为无盖板的双面接收式水听器，双面接收式水听器上下两块 压电陶瓷的极化方向相反，结构上为两片陶瓷并联连接。当振幅和相位相同 的声压p 同时作用到两个外表面上时，在元件中引起同样大小的应力，这样 在电端产生的电压为： u = p 9 3 3 d 1 ( 2 - 4 ) d 电极间距离。 水听器的开路电压灵敏度m 为： m = 告= 9 3 3 d l ( 2 5 ) 水听器的电容量由下式给出： c 1 ：2 n _ - 2 r o t r , a 3 ( 2 - 6 )1 4 反 ， l u 。p 9 3 1 一口 i 图2 3 水听器的灵敏元件图2 4 带盖板的水听器 在双面接收式水听器的两端加上面积较大的盖板，就构成了带盖板的水 听器，如图2 4 所示。盖板的声压放大作用，可以使得灵敏度显著地提高。 9 哈尔滨1 = 程大学硕七学位论文 定义“盖板比”来描述盖板对灵敏度的贡献，盖板比丁定义为： 丁= 兰 ( 2 7 ) 此时作用在压电元件上的应力比盖板外表面的声压p 大丁2 倍，开路电压 u 与矽丁2 成比例。 。 u = 馏3 3 以 ( 2 8 ) 式中，d ，为电极间距离，因此带盖板的水听器的灵敏度m ，为： m 2 = t 2 9 3 3 d 2 ( 2 9 ) 比无盖板时的灵敏度大丁2 倍。 水听器机械谐振的基频可由“通必兹方程 来计算： 伽( 引t 文警 - 静 p 埘 式中e 代表盖板厚度，下标m 表示盖板材料。 方程表明，对于给定的谐振频率，单元厚度与盖板厚度互补。由于灵敏 度与压电陶瓷元件厚度成正比，因此压电陶瓷元件的厚度应尽可能大，于是 盖板厚度要相应地薄。然而，薄盖板会在低于谐振频率处发生弯曲谐振。这 种弯曲谐振可能会干扰水听器的频率响应曲线。为了避免这种情况，盖板弯 曲谐振的最低频率至少是水听器谐振频率兀的两倍。 对于单面接收式水听器当其尾质量足够大时，水听器接收灵敏度与双面 接收式水听器的灵敏度相同。 对于双面接收式水听器，在较高的频率上水听器两个接收面间的距离可 与水听器中波长相比较时，作用在两个接收面上的瞬时声压可能不相等，因 此只有当频率较低时双面接收式水听器才能作为一个纯声压传感器。而单面 接收式水听器可以工作在较高的频率。 2 1 3 影响水听器灵敏度的其它因素 加在压电陶瓷上的边界条件可以很大程度地影响灵敏度。对于3 3 模式， 两个受力面均受只的应力，得到灵敏度为m = 岛，f 。图2 5 a 给出了物理条件 敏度仍为m = g ，f 这和图2 5 a 所示情况相同。另一方面，如果让1 面自由， 如图2 5 c 所示，1 端的力r 消失，图2 5 a 所示等效电路图中1 端短路。1 端 短路导致1 端质量m 2 并联到m 6 、产和变压器的副端三者串联电路的二端， 得到图2 5 c 所示等效电路。尽管支路质量抗m 2 在低频时很小，但是两个相 等的m 2 的质量形成分压电路导致等效电路中f 9 2 的力和m 4 的质量串联， 此种情况下低频灵敏度为m = 9 3 ，t 2 。这说明1 端需要足够大的质量来形成 近似于图2 5 b 所示的固定边界条件，以避免图2 5 c 所示的自由边界条件带来 的6 d b 的灵敏度损失。 m 2m ，2 图2 5 a 两个面上声压相等的水听器 m 忽圆m ，2 接收声压另一面固定的水听器 m ，2 宙一 宙f 。瞄丫 图2 5 c 单面接收声压另一面自由的水听器 信号电缆终端的灵敏度和电缆电容和水听器电容的比值有关。如图2 6 图2 6 带电缆电容的水听器等效电路 2 2 评价水听器的参数 描述声压水听器性能的主要参数有：自由场声压灵敏度、自由电容、工 作频率、水听器的自噪声等。这些参数不是相互独立的，参数之间存在着深 层的联系，一个参数的改变会导致其它参数随之变化。设计水听器时应综合 考虑各个参数，这些参数之间的关系在设计水听器时作用显著。 水听器的灵敏优值定义为m 2 l 乙l ，式中乙是水听器的输入阻抗。此阻 抗是很重要的，因为水听器的内部噪声是此阻抗的阻的部分产生的。灵敏优 值和信噪比有关和无源配置无关。将接收单元由并联结构改为级联结构或是 使用变压器来提高灵敏度，如果用匝数比为n 的变压器将输出电压灵敏度m 提高到n m 阻抗将增加到n 2 乙，分子和分母同时增加n 2 倍，结果灵敏优 值不变。 如果，有n 个相同的接收单元，灵敏优值将增大n 倍。例如，n = 4 并 且接收单元接成串并联结构，先并联再串联或是先串联再并联，四个接收单 元的阻抗仍为乙，但是由于串联输出电压增大一倍，灵敏度从m 增大到2 从 灵敏优值现在变为( 2 m ) 2 z h 增大4 倍。因此增加接收单元的数量或者等效 地增加水听器的有效体积，可以提高灵敏优值。而重接给定数量的接收单元 对灵敏优值没有影响。 在远低于谐振频率的低频段，乙= 1 j c o c 并且m 2 乙= m 2 j o c 。因为 水听器的接收灵敏度m 在低频段是一个常数，可以定义一个与频率无关的灵 1 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 敏优值m 2 c ，为了与水听器的灵敏优值m 2 l 乙i 区分开来，将此与频率无关 的灵敏优值m 2 c 称为水听器因子。 水听器因子定义为： h 2 = m 2 c ( 2 1 2 ) 保持常数。c 为水听器的自由电容，也称作静态电容，用下式计算 c ：业 f ( 2 - 1 3 ) 其中，为压电陶瓷材料自由状态介电常数，s 为压电陶瓷材料的面积，为 压电陶瓷材料的厚度。水听器因子将水听器的灵敏度和水听器的自由电容联 系在一起。对于一块体积既定的压电陶瓷，将其根据厚度分割成相同的二块， 将之并联连接，由于每块压电陶瓷的厚度减小了一半，因此整体的电容增大 为原来的四倍，同时灵敏度也降低为原来的一半，但水听器因子序仍保持不 变。 对于一个如图2 1 所示的压电陶瓷水听器低频时自由电容c = 三矿f ， 在1 ，2 方向被屏蔽条件下，可以导出 h 2 = m 2 c = ( 岛3 ) 2 三耽= 9 3 3 吃3 v 0 ( 2 - 1 4 ) 式中是陶瓷的体积，9 3 ，= 蟊，。压电陶瓷的体积越大水听器因子越大。 水听器的等效噪声声压级为： 1 0 l o g ( p , , 2 ) = 一1 9 8 1 0 1 0 9 ( m 2 ) + 1 0 1 0 9 h f ( 2 - 1 5 ) 公式( 2 1 5 ) 说明水听器的自噪声主要取决于水听器的灵敏优值砰j 乙i 。 灵敏度带宽积：慨；石：第一个反谐振频率。通过提高水听器的谐振频 率来增加带宽将导致水听器灵敏度下降。当使用更多的材料来提高灵敏度时， 同时降低了谐振频率，使得水听器的工作频带同时变窄。 增大压电陶瓷材料的体积可以有效地提高水听器的灵敏优值和水听器因 子，但同时会使得水听器的反谐振频率下降，从而降低水听器的工作频率。 因此，在设计水听器时并非压电陶瓷的体积越大越好，同时为了保证水听器 因子不能太小，压电陶瓷的体积亦不能太小。要根据水听器的设计指标综合 考虑。 哈尔滨工程大学硕十学1 1 c 7 ：论文 对于电场型换能器，发射器谐振在短路机械谐振频率，即发射器的在 换能器的谐振频率处出现发送电压响应的峰值。水听器谐振在开路反谐振频 率五，即水听器在反谐振频率处出现接收灵敏度的峰值。如果有效耦合系数 屯很高而，六= ( 1 一屯) u 2 ，那么这两个谐振是不同的，在整个系统设计中必 须考虑。 2 3 互易原理 利用a n s y s 有限元软件分析设计换能器，特别是发射器的技术已经基 本成熟。利用a n s y s 软件可以很容易地计算出换能器的发送电压响应、发 送电流响应以及导纳曲线，但是却无法直接计算得到接收器的灵敏度曲线。 要得到接收器的灵敏度曲线，可以将水听器作为发射器来建模分析，然后利 用互易原理，计算得到水听器的灵敏度曲线。 可逆机电换能器可作为电声辐射换能器；又可以作为电声接收换能器。 线性可逆电声换能器的收发特性的互易关系有下式给出： 筝：以 ( 2 - 1 6 ) ) f ，：互易参量，是一个与电流、电流、电源强度以及声压均无关的量，和辐 射器的形式、辐射波的形式、远场、近场以及辐射波的频率有关，对于不同 的声场取不同的形式。对于球面波场有 以= 二冬 ( 2 一1 7 ) p y 通常，考察点选在距离声中心l m 的地方，于是有 一m o ：三 ( 2 1 8 ) 一= 一 z l 墨p f 、。 表示成接收灵敏度级的形式为： m = s i l + 2 0 1 9 f - 2 9 4 ( d b ) ( 2 - 1 9 ) 式中，s i l 为换能器的发送电流响应。根据( 2 1 9 ) 式，将水听器作为辐射器 来建模分析计算得其发射电流回应级，即可绘出水听器的灵敏度曲线。 1 4 巾 旷 中用于计算灵敏度的表达式。 哈尔滨下程大学硕士学位论文 第3 章高灵敏度声压水听器理论分析 3 1 复合棒式水听器的理论分析 复合棒式水听器为单面接收式水听器。复合棒前盖板面积较大，通过第 二章分析可知，复合棒前该板有声压放大作用，这有利于提高水听器的接收 灵敏度。由公式( 2 3 b c d ) 可知，使压电陶瓷工作在3 3 模式，水听器的灵敏 度最高。复合棒式水听器使用厚度方向极化p z t _ 一5 压电陶瓷圆环，最大程 度地提高了水听器的接收灵敏度。 减小压电陶瓷横截面积和增加压电陶瓷厚度均使得水听器的接收灵敏度 增大，但同时水听器的自由电容变小。由于水听器电缆电容的影响，不能使 水听器的电容量太小。实验室用水听器电缆电容在1 0 0 0 p f 左右。为了能在不 使用前置放大器的情况下对水听器进行测量，水听器自由电容应该大于 5 0 0 p f 。这样为了提高水听器的电容量，本文采用四片压电陶瓷并联连接。由 于前盖板相对较薄，增大前盖板面积带来高灵敏度的同时也导致水听器一阶 反谐振频率下降，这使得水听器工作频带变窄。为了保持水听器结构的牢固 性使用了螺杆，同时由于螺杆的使用降低了接收灵敏度。灵敏度损失量与螺 杆粗细有关。虽然在理论上不容易给出定量关系式，但是应用a n s y s 有限 元软件可以方便地计算出接收灵敏度和灵敏度损失量。综合以上考虑，本文 设计的复合棒式水听器结构如图3 1 所示。 订。盎板 瓜i u 陶瓷 氆累栓 肟蓝饭 图3 1 复合棒式声压水听器的结构示意图 本文中选用的压电陶瓷为内径1 0 m m ，外径1 2 m m ，厚度4 m m ，厚度方 向极化压电陶瓷圆管，单片压电陶瓷圆管电容量的理论值为： 1 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 c 1 = 盥：! 二竺竺竺皇兰! 竺：竺：! 兰尘二型兰竺 d4 x 1 0 q f = = 1 3 0 p f 四片压电陶瓷圆管并联连接后，水听器自由电容量的理论值为： c = 4 x c l = 4 x 1 3 0 p f = 5 2 0 p f 3 1 1 水听器的有限元模型 在a n s y s 中建立复合棒式水听器有限元模型，通过模态分析和谐响应 分析，可以得到水听器尺寸变化对其性能的影响。在水听器各项参数中，较 为关注的是水听器的第一阶反谐振频率和灵敏度。 复合棒式水听器在a n s y s 有限元软件中的模型如图3 2 所示。水听器中 四个压电陶瓷圆环并联连接，中间用不锈钢材质螺栓固定。在a n s y s 分析 中，压电陶瓷采用多物理耦合场单元p l a n e1 3 ，前、后盖板和螺栓结构采 用结构单元p l a n e4 2 t 】。对模型中各个部分赋材料属性及单元类型，然后 划分网格，准备进行各种分析。 r 2 r l 2 1 2 l 刚 - - r - r ：3 图3 2 复合棒水听器的a n s y s 模型图3 3 复合棒水听器的结构参数 将水听器尺寸分为如图3 3 所示结构参数。其中r 1 为螺栓半径，r 2 是 前盖板半径，足3 即后盖板半径，h 1 为前盖板厚度，h 2 是后盖板厚度。 影响复合棒式水听器性能的主要因素是前后盖板的尺寸，因此本文将分 析复合棒前后盖板的尺寸参数对水听器模态以及灵敏度曲线的影响。 1 7 哈尔滨工稗大学硕十学位论文 3 1 2 水听器结构尺寸对反谐振频率的影响 首先给定一组结构参数作为分析的基础，螺栓选用m 3 即r l = 1 5 r n m ， r 2 = 1 3 m m ，r 3 = 1 3 m m ，h 1 = 3 m m ，h 2 = 8 m m 。分析类型选择：m o d a l ，模 态提取方法选择b l o c kl a n c z o s 。水听器中陶瓷组件表面所有节点通过一个耦 合部进行电压自由度耦合处理，对应于换能器正负电极间通过导线直接连起 来，即短路( 恒压) 状态，此为换能器的谐振状态，提取第一阶模态，如图 3 4 所示。 c t o m - 1 ，r i q - z 0 2 o a i 0 2 1 z ，z 曩“- 2 0 6 ，3 0 z l z 9 2 2 3 l 。 4 6 l s 6 9 1 2 9 2 0 9 1 1 5 0 5 1 3 8 0 2 1 6 9 l 。3 9 6 2 0 6 9 3 图3 4 复合棒式水听器的一阶谐振模态 7 i c t o l g t i t - 1 s t m - 1 f p j q - z z l 7 0 u 一0 d i - 7 7 4 h 埘1 1 5 8 0 0 ， l l - x 1 2 2 z z 3 2 6 l 5 1 31 2 4 1 61 7 3 l 9 图3 5 复合棒式水听器的一阶反谐振模态( 1 ) 1 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 换能器中陶瓷组件表面正电极所有节点通过耦合部1 进行电压自由度耦 合处理，换能器中陶瓷组件表面负电极所有节点通过耦合部2 进行电压自由 度耦合处理，对应于换能器正负电极间处于开路( 恒流) 状态，此为换能器 的反谐振状态，提取第一阶模态，如图3 5 所示。 此时的第一阶谐振频率为2 0 2 8 0 h z ，而第一阶反谐振频率则为2 2 1 7 0 h z 。 阶反谐振频率比一阶谐振频率高出了1 8 9 0 h z 。由于水听器工作在开路状 态，因此水听器谐振在反谐振频率上，水听器灵敏度曲线上的谐振峰对应于 阻抗曲线上的峰，而非导纳曲线上的峰。 从图3 5 可以看出：在上述结构参数的条件下，复合棒式水听器_ 阶反 谐振模态是前盖板的弯曲振动。因此在这一组结构参数情况下，前盖板尺寸 是影响水听器谐振频率的主要因素。 ( 1 ) 保持其它参数不变，调节前盖板厚度h 1 ，得到水听器谐振频率和 前盖板厚度的关系，如表3 1 所示。