Page 133 - 《应用声学》2019年第6期

第 38 卷 第 6 期 何涛： 圆柱形超高静水压水听器设计与测试 1035

1.2 元件耐压及灵敏度计算 1.3 水听器结构设计
压电陶瓷在高静压下会发生退极化，根据相 根据 1.1 节的实验结果，水听器敏感元件采
关资料，退极化静压在 100 MPa 以上 [5] ，因此在最 用厚壁 PZT-4 压电陶瓷圆管，两个陶瓷元件串联。
高 50 MPa 时不会引起材料退极化。从机械强度考 高静水压水听器结构设计需要解决 3 个关键技术。
虑，压电圆管在外压作用下，压力过高会发生周向 (1) 盖板及支撑杆等结构强度设计。本文采用强度
弹性和塑形失效，其结构会受到破坏，从而引起水 较高的无极性陶瓷作为盖板，强度较高的钛合金作
听器失效。对于本文选用的压电陶瓷圆管，规格为 为支撑结构，并增加材料厚度以提高抗压强度，以
Φ25 mm×Φ19 mm×12 mm，其最大许用外压可表 满足 50 MPa 高静水压下使用安全。(2) 高静压去
示为 [6] 耦材料合理选用。软木橡胶、硬质聚氨酯泡沫等常
( ) 规去耦材料，最大耐静水压力一般不大于 10 MPa，
3/
p cr δ e
p = = KE m, (1) 超过最大工作深度，性能急剧变差，本文选用高强
m D 0
度复合泡沫作为元件间的去耦，该材料密度仅为
式(1)中，p为圆管许用外压；m为安全系数，通常取
3
0.7 g/cm ，压缩强度大于90 MPa，是一种理想的高
3；K 为圆管特征系数，取2.2；E 为材料弹性模量；δ e
静压去耦材料。(3) 水听器结构与高静水压测量设
为圆管厚度；D 0 为圆管外径。
备的配合。水听器制作完成后，其高静水压下的低
经 计 算 该 规 格 元 件 能 承 受 最 高 静 水 压 为
频接收灵敏度需在腔体内测试，本文水听器支撑结
96.9 MPa，因此在最高 50 MPa 条件下使用具有
构直径与测量腔体开孔尺寸相同，采用两道径向密
较高的安全性。
封圈实现密封，便于水听器性能测试，设计完成的水
对压电圆管的振动模态分析，已经有较多科研
听器剖面结构示意图如图1所示。
人员进行了研究 [7] 。为保证接收灵敏度平坦，水听
器工作频率范围应远离谐振频率，一般使用频率上 7 4 1 2 3 5
6
8
限小于谐振频率的 0.7 倍。对于本文选用的压电陶
瓷圆管，因圆管高度小于圆管直径，其径向谐振频率
可以用公式(2)进行近似计算：
√ 1. ԍႃᬝၬړኮὙ2. ᰴूएܭՌจ෭Ὑ3. ႃᤌଌ٨Ὑ4. Ғᄦ౜Ὑ
1 1
f s = , (2) 5. ஃ୞ፇ౞Ὑ6. ᩚጋᛃඇὙ7. ᤩܦൃᑛὙ8. Ꮽᰴ᭢ԍႃ፶
2πa s E × ρ
11
图 1 水听器结构示意图
式(2) 中，a 为圆管的平均半径，s 为压电陶瓷的柔
E
11 Fig. 1 Diagram of hydrophone structure
顺常数，ρ为压电陶瓷密度。
经计算，压电陶瓷圆管空气中谐振频率为 2 水听器性能测试
47.2 kHz。利用3532-50 LCR测试仪对压电圆管G-
B 进行测试，实测谐振频率为 48.75 kHz，远高于最 2.1 水听器常压下测试结果
高使用频率20 kHz。 制作完成的水听器，在振动液柱及中低频消声
对于径向极化的压电陶瓷圆管，其低频接收灵 水池中进行测试，测试频率范围20 Hz ∼ 20 kHz，测
敏度可用公式(3)进行计算 [8] ： 试参数为常压下接收灵敏度，测试结果见图2。
( )
1 − r 1 /r 2 -190
m = r 2 · g 31 + × g 33 , (3)
1 + r 1 /r 2 M/dB -195
-200
式 (3) 中，r 2 为圆管外半径，r 1 为圆管内半径，g 31 、 -205
-210
g 33 为压电陶瓷压电电压常数。 0.01 0.1 1 10 100
f/kHz
经计算并采用分贝表示，水听器低频接收灵敏
度约为 −200.6 dB，两个圆管串联，理论接收灵敏度 图 2 接收灵敏度曲线
−194.6 dB。 Fig. 2 Receiving sensitivity frequency response