Page 111 - 《应用声学》2020年第2期

第 39 卷 第 2 期 王文龙等： 基于球形压电陶瓷的耐压水听器 269

比值，其分贝形式为自由场接收灵敏度。所以空气
0 引言
背衬压电球壳的低频开路接收电压灵敏度M e 为 [6]
进入 21世纪以来，深海的研究和开发获得了越 V 1 ∫ b
M e = = E r dr
来越多的关注，已经成为各国竞争的热点领域，而耐 p 0 p 0 a
[ ( 2 2 )
压水听器则是深海开发不可缺少的设备。此外，随 −2b + ab + a
= b g 33 2 2
着各国军事技术的快速发展，各种水下装备如潜艇、 2 (b + ab + a )
( 2 2 )]
−(4b + ab + a )
鱼水雷、水下无人机 (UUV)、水下滑翔机 (UUG)、水 + g 31 , (1)
2
2
2 (b + ab + a )
下机器人 (ROV)、潜标等的工作深度越来越大，这
些深水装备通常需要配备能够满足其工作深度的 其中，g 33 和 g 31 分别为压电陶瓷材料径向和切向的
耐压水听器。 压电系数。由公式 (1) 可见，对于材料一定的空气
为了承受高静水压力的作用，耐压水听器通常 背衬压电球壳，其灵敏度只与球壳的内半径 a 和外
采用特殊的耐压结构或内外压力平衡设计，如释压 半径b 有关。引入参数t = (b − a)/2b，则式(1) 可化
或压力补偿结构、充油式、溢流式结构等。充油式 为 [6]
{ ( )
和溢流式结构理论上可承受全海深的静态压力，是 t(2t − 3)
M e = b g 33 2
目前耐压水听器最常采用的耐压结构 [1−3] 。这两种 3 − 6t + 4t
( 2 )}
结构的耐压水听器一般都采用压电陶瓷圆管作为 −(3 − 3t + 2t )
+ g 31 2 . (2)
接收换能器，这种压电陶瓷圆管水听器具有结构工 3 − 6t + 4t
艺简单的优点，但也具有低频开路电压灵敏度低的 易知 t ∈ (0, 0.5) 是球壳厚度与外直径之比，t
缺点 [4] 。文献 [5] 在径向极化压电圆管上开缝以提 越小球壳越薄。若代入本文所用压电材料的压
高接收灵敏度，但也使其工作频带大大变窄，只有 电系数 g 33 = 25.6 × 10 −3 V·m/N、g 31 = −9.6 ×
10∼200 Hz。如果使压电陶瓷圆管水听器的接收频 10 −3 V·m/N，可得出 |M e /b| 与 t 的关系曲线如图 1
段处于其谐振频率附近，虽然能够提高灵敏度，但其 所示。
工作频带会严重受限，且灵敏度曲线平坦性会丧失。
⊲
除了压电圆管换能器外，压电球壳换能器也是
声压水听器常用的接收换能器。压电球壳换能器具 ⊲
有结构工艺简单、灵敏度高、全向性好、工作频带宽 ⊲
等诸多优点，更重要的是材料和结构的特性决定了 M e⊳b
⊲
压电陶瓷球壳本身便具有较高的耐压能力，这在充
油式或溢流式结构之外为耐压水听器设计提供了 ⊲
另一种可能，即采用空气背衬压电球壳作为耐压水

听器的接收换能器。  ⊲ ⊲ t ⊲ ⊲ ⊲

图 1 |M e/b| 与 t 的关系
1 压电球壳换能器的声学接收特性
Fig. 1 Relationship between |M e/b| and t
1.1 低频接收灵敏度
由图 1 可知，在压电材料为本文所用材料的前
受形状及加工工艺限制，压电陶瓷球壳通常只 提下，当 t 一定，b 越大，即压电球壳外径越大，灵敏
有径向极化一种极化方式，其正负电极分别在球壳
度越高；当b 一定，t ≈ 0.36 时，灵敏度最小，设计时
的内外表面上。根据文献 [6]，对于内半径为 a、外半
应避开该点；当b 一定，t < 0.36时，t越小，即压电球
径为 b 的压电球壳换能器，当受到频率远低于其本
壳厚度越薄，灵敏度越高。
征频率的声压p 0 的作用时，压电球壳内外电极间会
产生电位差V 。水听器的接收灵敏度一般用自由场 1.2 谐振频率
接收灵敏度 M e 来表示，M e 定义为水听器输出端的 根据文献 [7]，对于较薄的压电球壳换能器，其
开路电压与声场中在水听器位置的自由场声压的 在空气中的谐振频率为