具有中性浮力的水下压电加速度计的研究

    1　引言

   随着海洋资源开发利用领域的拓展,水下振动测量技术面临新的挑战,如海上石油开采平台的稳定性测试,海底地震的研究,水下目标探测、识别、定位等。具有中性浮力的水下压电加速度计由于具有与海水介质接近的密度,所以在水中的振动幅值和相位可与水中质点保持一致,从而可有效地拾取水中质点振速或加速度矢量,有助于水下声应用技术的研究。本文作者研制的加速度计高0.028 m、直径 0.074 m、总质量0.12 kg、密度990 kg/m³,电压灵敏度-24 dB(0 dB=1 V/g),电容量2.4 nF,谐振频率13 kHz,工作频带20～5 000 Hz。

    2　理论依据

    声学理论研究表明^[1],声学刚硬球(或柱)体在水中声波作用下作自由运动时,其振动速度幅值V与声场中球心(或柱体几何中心)处水质点的振动速度幅值V₀的关系为

式中　ρ₀为水介质密度;ρ-为刚硬球(或柱)体的平均密度。

    由式(1)可知,当刚硬球(或柱)体的平均密度等于水介质密度,即具有中性浮力时,则其振动速度幅值V与声场中球心(或柱体几何中心)处水质点的振动速度幅值V0相同,这是具有中性浮力的水下加速度计设计的基本理论依据。

    3　工作原理

   具有中性浮力的水下压电加速度计(见图1),采用沿径向弯曲振动的压电陶瓷圆片作为敏感元件,它由对称粘接在一金属垫片中心上的两片压电陶瓷圆片组成,两片压电陶瓷圆片采用电串联方式连接,当介质运动导致压电圆片弯曲时,其中一片压电片受到张力被拉伸,而另一压电片受到压力被压缩,这样整个压电圆盘产生弯曲。其金属外壳可实现边界支撑并承受水下静压力,外部由低密度复合材料包敷从而呈中性浮力。

    4　设计

    根据式(1)～(3),可采用计算机设计方法实现其结构优化。考虑加速度计谐振频率与工作频带上限频率的关系,假定上限频率5 kHz,则谐振频率10～15 kHz,而该加速度计的下限频率取决于前放的特性。如果选用PZT-5压电陶瓷,并用铜作其垫片,金属外壳采用铝材料,则该加速度计的设计参数可如图2所示曲线确定.

    由图2可看出,加速度计的电压灵敏度Ma随着压电陶瓷圆片和金属垫片半径比(a/b)的增加而下降,但下降的幅度随厚度比(h_b/h)增加而明显减少;开路谐振频率f_0c与压电陶瓷圆片和金属垫片半径比、厚度比之间的关系基本与之相反,因此设计时考虑到加速度计电压灵敏度Ma和开路谐振频率f_0c间的关系及制作工艺,选择压电陶瓷圆片和金属垫片半径比在0.2～0.7之间,而厚度比在0.4～0.8之间为宜。如欲提高其电压灵敏度值,则可适当减少金属垫片厚度,但必须保证金属垫片良好的平行度。