100kHz～500kHz压电复合材料标准水听器

　　1 引言

　　标准水听器是在水声校准中作为标准使用的水听器，它是水声声压量值传递的传递标准之一 。在国际和国家水听器标准中都对标准水听器的接收灵敏度、灵敏度响应、指向性等进行了严格的规定，特别是对水听器的时间、温度稳定性有很高的要求[1]。在较低频率应用的标准水听器，基本都以压电陶瓷材料元件作为灵敏元件，元件的形态以球形和圆柱形为主。在兆赫以上的高频段，一般使用PVDF压电薄膜作为敏感元件，接收灵敏度较低。从国外一些研究资料来看[2]，100kHz～500kHz频段标准水听器制作较为困难。采用球形和圆管形状，元件的尺寸很小，工艺实现困难。而选用PVDF压电薄膜，由于灵敏度较低，在某些情况下无法满足使用需要。压电复合材料是20世纪70年代发展起来的一种新型功能复合压电材料，具有强压电性、低脆性、低密度等优点[3,4]，经过多年的发展，其制作工艺已趋于成熟，为此频段标准水听器的研制提供了一种新的选择。

　　2 标准水听器的设计

　　标准水听器的主要性能参数，如接收灵敏度、指向性、使用频率范围都是相互制约的，设计中需要权衡考虑。

　　2.1 敏感元件选择及设计

　　1-3型压电复合材料(3方向极化)[5]是由一维压电陶瓷平行地排列于聚合物当中而形成的。由于聚合物柔性远比压电陶瓷好，因此当1-3压电陶瓷/聚合物复合材料受到机械力作用时，作用于聚合物相的应力将传递到压电陶瓷相，造成压电陶瓷相应力放大;同时由于聚合物的介电常数低，使得整个压电复合材料的介电常数大幅度地下降，综合以上两个原因，使得压电复合材料压电电压常数较大幅度的提高，其静水压灵敏度高，柔顺性也得到明显改善，从而使整个压电复合材料的综合性能得到很大提高。另外由于压电陶瓷被切割成细陶瓷柱，其横向效应被大大抑制，因此在较宽频段灵敏度响应比较平坦。水听器敏感元件最终选用稳定性较好的接收型压电陶瓷PZT5作基础。

　　为使水听器灵敏度响应平坦，元件的谐振频率应远高于使用频率上限，因此本文将敏感元件的谐振频率设计为高于1MHz。元件选用圆片，1-3型材料径向耦合很小，主要考虑厚度振动，谐振频率可用公式(1)近似计算：

　　式中，c复合材料中的声速，本文选用的压电复合材料声速约为2800m/s，t为厚度。选用圆片厚度为 1.2mm，其谐振频率约为1.1MHz。元件的直径设计主要是能满足指向性要求。平面圆形活塞的波束宽度计算公式为：

　　式中，λ为波长，r为圆片半径。频率为500kHz时，λ=3mm，为使波束宽度大于15°，r须小于5.54mm，取r=5mm。综合以上计算，选用直径为10mm，厚度为1.2mm的元件。图1为敏感元件阻抗频率曲线，从图中看出，元件谐振频率为1125kHz，高于使用频率上限，在10kHz～500kHz，无明显谐振模态，保证灵敏度响应平坦。