高性能大深度水听器技术研究

　　深海蕴藏着丰富的石油、矿产资源，等待人们去开发。海洋开发需要海洋仪器，如声学地貌仪、地震远程感知网络、多波束回声探测仪、鱼探仪等都离不开水声换能器，深海使用的资源勘探仪器都需要深水换能器。

　　在水声领域，通常利用水听器将海洋中的声信号转化为电信号，然后采集到计算系统中分析处理。水听器形状、大小、结构方式等决定其声性能及环境使用要求。圆管形水听器具有结构简单、工作性能稳定的特点，更重要的是它的接收灵敏度高，制作成本相对低廉，广泛应用于各种水声设备中;圆管形水听器还可以方便制作成深水使用的水听器，工作深度最深可达10000m，这是其它形状的水听器所无法比拟的。

　　普通水听器要得到灵敏度的宽带平坦性，需要将影响带宽的结构模态屏蔽掉，即所谓的去耦，一般的去耦材料只能承担几兆帕的压力，超出承受的压力去耦性能逐渐降低，直至材料损坏。深水换能器的设计显然不能采用去耦材料，各种结构件只能硬接触，这样其灵敏度带宽要比普通水听器的窄，因为其上限频率容易受到结构第一阶模态频率的影响。

　　1 压电陶瓷圆管应力与灵敏度计算

　　1.1 应力计算

　　深水圆管形水听器由压电陶瓷圆管与端盖构成，外面硫化一层透声橡胶，端盖为金属材料或陶瓷材料，与压电元件硬连接，在连接处附近，应力与变形比较复杂，在远离连接处可以认为应力和变形沿轴线无变化，即它们与坐标z无关，下面只研究离连接处较远处的应力与应变。

　　当圆筒的厚度与半径属于同一量级称为厚壁圆筒。根据材料力学的厚度圆筒应力关系式，陶瓷管径向应力Tr和切向应力Tθ表示如下：

　　式中，p1、p2分别为内外表面的静水压，a、b分别为圆管内外半径。对于圆管水听器，显然p1=0，则上式变为：

　　当考虑端盖上作用力时，则轴向应力为：

　　1.2 疲劳分析

　　水听器受到静水压力及声压的作用，由于声压与静水压相比可以忽略不计，水听器的疲劳主要指最大应力不能超过许用应力[σ]，根据最大剪应力理论(形状改变比能理论、第三强度理论)，塑性条件和强度条件分别为：

　　式中，sσ为压电元件的屈服极限，亦即最大抗压强度。举例：压电元件尺寸为φ18mm×φ12mm，压电材料P4的抗压屈服极限(静态额定抗压强度)为sσ=345MPa(有资料称此值大于483MPa)，显然在圆管的内侧面处，r=a，应力达到极大值。则有：