許欣然,周利生,鄭震宇,胡 青

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所聲納技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310023)

平面型水聽器與傳統(tǒng)點(diǎn)元水聽器相比,易于實(shí)現(xiàn)大面積布陣,因而具有接收孔徑大、流噪聲抑制能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。若在此基礎(chǔ)上提高水聽器的透聲性能,將有效降低其對(duì)后方發(fā)射基陣的不利影響,提高可布陣空間寬容度,并在總體上提高接收基陣和發(fā)射基陣的綜合探測(cè)性能[1-2]。

聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜作為一種高分子傳感材料,在水聲探測(cè)、聲學(xué)成像、聲學(xué)材料測(cè)量、觸覺(jué)感知、醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用[3-10]。與壓電陶瓷材料相比,PVDF壓電薄膜的特性阻抗與水介質(zhì)接近,適合作為透聲水聽器的敏感材料[11-12]。同時(shí),PVDF的靜水壓壓電系數(shù)高且擁有良好的耐壓和抗沖擊性能,適合長(zhǎng)期在高靜水壓下保持良好的接收性能。此外,PVDF易于加工成型為大面積薄膜,成熟的高分子加工工藝保證了材料性能的穩(wěn)定性和一致性,從而在大孔徑水聽器應(yīng)用方面具有較大優(yōu)勢(shì)[13]。因此,基于PVDF壓電薄膜的平面型水聽器,具有兼顧高靈敏度和高透聲性的潛力,有望在提高聲納接收基陣的探測(cè)性能方面發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

平面型PVDF水聽器一般需采用剛性背襯[14]結(jié)構(gòu)以提高靈敏度、拓展工作頻帶,而這往往是以犧牲透聲性能為代價(jià)。可見,水聽器的接收性能和透聲性能相互制約,而且兩者與其結(jié)構(gòu)形式、尺寸參數(shù)和材料參數(shù)等因素均相關(guān)。本文提出了一種平面型透聲PVDF水聽器結(jié)構(gòu),從其工作機(jī)理出發(fā),采用理論建模和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)水聽器接收性能和透聲性能的理論預(yù)報(bào)與優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上研制了平面型透聲水聽器樣品并開展實(shí)驗(yàn)測(cè)試,驗(yàn)證了理論模型的有效性。

1 水聽器的結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理

典型的平面型PVDF水聽器主要由PVDF壓電薄膜、剛性背襯以及水密包覆層構(gòu)成,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中剛性背襯通常采用具有一定厚度的金屬板狀結(jié)構(gòu),也可以由高分子材料構(gòu)成。PVDF壓電薄膜是水聽器的敏感元件,在聲波作用下產(chǎn)生電信號(hào)輸出,兩張壓電薄膜粘貼在背襯結(jié)構(gòu)兩側(cè),電路上可以串聯(lián)或并聯(lián)以適應(yīng)前放工作要求。外層為水密包覆層,一般由聚氨酯或橡膠等高分子材料組成,滿足水聽器長(zhǎng)期水下工作的水密要求。

圖1 平面型PVDF水聽器結(jié)構(gòu)示意圖

PVDF壓電薄膜與壓電陶瓷的典型參數(shù)對(duì)比如表1所示,由于PVDF壓電薄膜具有較高的靜水壓壓電系數(shù):

g3h=g31+g32+g33

(1)

平面型PVDF水聽器可以選擇在靜水壓模式下工作,免去了空氣背襯結(jié)構(gòu)等壓力釋放機(jī)制。盡管如此,根據(jù)平面型水聽器的應(yīng)用特點(diǎn),厚度振動(dòng)模式產(chǎn)生的電荷在水聽器輸出中占主要成分。

表1 壓電材料壓電電壓常數(shù)比較[15-16]

影響平面型PVDF水聽器接收性能的不利因素主要來(lái)自于橫向效應(yīng),它的作用主要包括降低靈敏度和增加起伏兩個(gè)方面。在低頻時(shí),水聽器尺寸遠(yuǎn)小于聲波波長(zhǎng),3個(gè)方向聲壓相同,31方向和32方向?qū)λ犉?3方向的輸出有抵消作用,會(huì)導(dǎo)致靈敏度降低。在中高頻時(shí),由于橫向拉伸模式對(duì)應(yīng)的諧振頻率遠(yuǎn)低于厚度模式,如果落在水聽器工作頻帶內(nèi),將造成水聽器接收響應(yīng)有較大起伏。因此,在平面型PVDF水聽器設(shè)計(jì)中必須引入具有一定剛度的背襯結(jié)構(gòu),在低頻時(shí)抑制PVDF壓電薄膜的橫向拉伸,提高水聽器低頻段接收靈敏度;另一方面,提高水聽器振動(dòng)結(jié)構(gòu)的整體剛度,使得橫向拉伸模態(tài)的諧振頻率遠(yuǎn)高于上限工作頻率,以確保在工作頻帶內(nèi)水聽器輸出響應(yīng)的平坦性。

水聽器的透聲性能主要取決于水聽器的特性阻抗,特性阻抗與水介質(zhì)越接近,透聲性能越高。在水聽器主要材料的特性阻抗中,PVDF為2.19 Mrayl,水密層橡膠為1.6 Mrayl,都與水介質(zhì)的1.5 Mrayl比較接近。只有背襯材料的特性阻抗相對(duì)較大,一般常用的銅背襯為29.8 Mrayl。因此,如何有效降低平面型PVDF水聽器背襯結(jié)構(gòu)的等效特性阻抗成為提升水聽器透聲性能的關(guān)鍵。

然而,一般情況下增加背襯結(jié)構(gòu)的等效剛度和降低其等效特性阻抗是相互制約的。為此,本文提出一種新型背襯結(jié)構(gòu),以穿孔銅板為背襯基板,在孔中用柔性膠進(jìn)行填充,其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種背襯結(jié)構(gòu)利用銅作為骨架,保持了在板平面內(nèi)具有一定的等效剛度,可起到抑制橫向拉伸振動(dòng)和提高拉伸模態(tài)諧振頻率的作用。同時(shí),填充的柔性膠能夠降低整個(gè)背襯結(jié)構(gòu)的等效特性阻抗,提高水聽器的透聲性能。水聽器結(jié)構(gòu)任保持傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,采用整張PVDF壓電薄膜粘附在該新背襯結(jié)構(gòu)兩側(cè),外層用聚氨酯進(jìn)行水密封裝。

圖2 新型背襯結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 水聽器透聲性能模型示意圖

2 PVDF水聽器透聲性能建模

水聽器透聲性能主要由每層結(jié)構(gòu)的材料屬性和厚度尺寸所決定,考慮到水聽器結(jié)構(gòu)中聚氨酯和PVDF的特性阻抗與水接近,其透聲性能主要取決于水聽器背襯的結(jié)構(gòu)與材料特性。而背襯結(jié)構(gòu)的諧振頻率遠(yuǎn)離工作頻帶,其透聲性能與橫向維參數(shù)相關(guān)性不大,因此可以建立二維平面應(yīng)變模型進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。又考慮到該水聽器模塊在結(jié)構(gòu)上的周期特性,可只建立周期單元模型[17],利用周期邊界條件推演無(wú)限大平面水聽器模塊的反聲與透聲性能。PML區(qū)域可對(duì)聲波進(jìn)行衰減,避免了邊界上聲波反射對(duì)求解域的“污染”,實(shí)現(xiàn)無(wú)限大流場(chǎng)中聲學(xué)性能的模擬,圖3是幾何模型示意圖。

計(jì)算中采用幅值1 Pa聲壓的平面波垂直入射到水聽器表面,比較水聽器前后聲場(chǎng)的聲壓分布可以分析水聽器的透聲性能。圖4中水聽器上方包含了入射波和反射波合成的總聲場(chǎng),下方是透射聲場(chǎng)。

圖4 平面波正入射下水聽器模塊前后聲場(chǎng)分布

通過(guò)計(jì)算水聽器下表面平均聲壓幅值與入射波聲壓幅值的比值關(guān)系,可以得到水聽器的插入損失。圖5計(jì)算了背襯厚度為5 mm時(shí),不同孔隙占比的背襯結(jié)構(gòu)條件下水聽器的插入損失,正入射時(shí)水聽器的插入損失隨頻率上升而上升,背襯結(jié)構(gòu)孔隙占比越高,水聽器的插入損失越小。

圖5 不同孔隙占比背襯的水聽器插入損失

圖6 不同厚度背襯的水聽器插入損失

圖6是計(jì)算了孔隙占比為25%時(shí),不同厚度背襯條件下水聽器的插入損失,背襯結(jié)構(gòu)越厚水聽器插入損失越高。相比而言,水聽器插入損失對(duì)背襯結(jié)構(gòu)厚度更為敏感,綜合考慮透聲性能以及尺寸重量等因素,背襯厚度在5 mm以下為宜。在此情況下,孔隙占比為40%時(shí)頻帶內(nèi)水聽器插入損失小于1 dB。

3 PVDF水聽器接收性能建模

自由場(chǎng)電壓靈敏度是評(píng)價(jià)水聽器自身接收性能的重要指標(biāo),它是指水聽器在平面波自由聲場(chǎng)中輸出開路電壓與放入水聽器前其聲中心處自由場(chǎng)聲壓的比值。對(duì)PVDF水聽器而言,其輸出端可近似為開路狀態(tài),這時(shí)PVDF薄膜處于恒D狀態(tài),其中D為電位移矢量?？紤]厚度為t,沿厚度方向極化的PVDF壓電薄膜,不妨假設(shè)其是橫向截止的,有S3≠0,S1=S2=S4=S5=S6=0。由于電場(chǎng)方向沿3方向,故可認(rèn)為D3≠0,D1=D2=0,這種情況下選用h型壓電方程較為方便,方程簡(jiǎn)化為:

(2)

則厚度為t的壓電膜振動(dòng)輸出電壓為:

(3)

考慮到開路狀態(tài)下,D3=0,則:

(4)

即水聽器開路輸出電壓與壓電電壓常數(shù)分量g33和應(yīng)力分量T3成正比。對(duì)于平面波pi入射情況下,應(yīng)力分量T3與入射聲壓pi相等,得到壓電薄膜水聽器厚度模式工作時(shí)的自由場(chǎng)電壓靈敏度級(jí)為:

M33=20lg(V/pi)-120=20lg(g33t)-120

(5)

這種解析法的優(yōu)點(diǎn)是非常直觀,顯而易見,水聽器靈敏度與PVDF的g33和厚度成正比。但是,由于在求解過(guò)程中采用一些假設(shè)與簡(jiǎn)化,不可避免與真實(shí)情況存在一定差距。相比而言,基于有限元法的水聽器接收性能建模方法更能夠準(zhǔn)確描述水聽器工作的物理過(guò)程與邊界條件,因而能夠較為真實(shí)地模擬水聽器接收性能。

在求解水聽器自由場(chǎng)電壓靈敏度的過(guò)程中,需建立自由場(chǎng)條件,考慮到有限元法求解域是有限區(qū)域,因而要求邊界滿足聲波無(wú)反射條件。另一方面,水聽器自身結(jié)構(gòu)在入射聲場(chǎng)中引入的散射聲場(chǎng)對(duì)其接收響應(yīng)也有一定影響,因而在求解中要考慮水聽器結(jié)構(gòu)的散射效應(yīng)?？紤]到水聽器通常在線性范圍內(nèi)工作,依據(jù)線性疊加原理可以建立基于散射場(chǎng)的波動(dòng)方程,結(jié)合完美匹配層作為邊界吸收處理方法,通過(guò)求解水聽器在平面波激勵(lì)下的電學(xué)響應(yīng)來(lái)計(jì)算得到其自由場(chǎng)靈敏度響應(yīng)。圖7是流體中水聽器的有限元模型,流體外層為完美匹配層實(shí)現(xiàn)對(duì)反射聲波的吸收。

圖7 PVDF水聽器的有限元模型

通過(guò)提取PVDF電極表面開路電壓V和施加的入射平面波聲壓pi可以得到水聽器自由場(chǎng)電壓靈敏度級(jí):

Mp=20lg(V/pi)-120

(6)

我們先計(jì)算了不含背襯結(jié)構(gòu)、單層0.5 mm厚的PVDF壓電薄膜水聽器的自由場(chǎng)電壓靈敏度,圖8是靈敏度頻響曲線。由于不含背襯結(jié)構(gòu),壓電膜各個(gè)方向均受到聲壓作用,水聽器工作在靜水壓模式。在式(5)中取g33=g3h,計(jì)算得到水聽器靈敏度為-206.1 dB,這與有限元結(jié)果中低頻處的-206.1 dB完全一致,因而驗(yàn)證了有限元模型的有效性。在2.5 kHz以上,水聽器靈敏度出現(xiàn)較大起伏,對(duì)照PVDF壓電薄膜的振型分布(圖9)可以看到,這主要是橫向模態(tài)引起的。

圖8 PVDF水聽器靈敏度頻響曲線

圖9 PVDF壓電薄膜振型分布

圖10 帶整體背襯的PVDF壓電薄膜振型分布

為改善水聽器低頻靈敏度響應(yīng),我們引入了如圖2所示的背襯結(jié)構(gòu),其厚度為5 mm,在其兩側(cè)分別粘貼兩張PVDF壓電膜,膜厚0.5 mm,兩張膜在電路上采用并聯(lián)方式。計(jì)算得到水聽器靈敏度頻響曲線如圖8所示,低頻處?kù)`敏度為-202.9 dB較無(wú)背襯時(shí)增加3.2 dB,橫向模態(tài)諧振頻率也向高頻遷移,而且工作頻帶內(nèi)靈敏度起伏也大大降低。這表明該背襯結(jié)構(gòu)在一定程度上抑制了PVDF膜橫向效應(yīng),起到了提升水聽器低頻靈敏度和改善帶內(nèi)靈敏度平坦性的作用。然而,從圖10中壓電膜的振型分布我們可以看到,橫向效應(yīng)依然存在,這也導(dǎo)致水聽器靈敏度仍然有一定起伏。

為充分抑制橫向模態(tài)對(duì)水聽器靈敏度的影響,通過(guò)減小背襯結(jié)構(gòu)橫向尺寸,提高其等效剛度,可將橫向模態(tài)對(duì)應(yīng)的諧振頻率向更高頻率遷移。圖11是將原始背襯結(jié)構(gòu)分為兩塊,中間用去耦材料相連接形成的分體背襯結(jié)構(gòu)。從圖8中計(jì)算得到靈敏度響應(yīng)曲線可以看到,低頻端水聽器靈敏度為-202.8 dB基本保持不變,而且工作頻帶內(nèi)水聽器靈敏度響應(yīng)較為平坦。

圖11 分體背襯結(jié)構(gòu)

4 樣品研制與性能測(cè)試

在理論研究的基礎(chǔ)上,研制了平面型透聲水聽器樣品。圖12是填充柔性膠的新型金屬背襯結(jié)構(gòu),以及裝配灌注后的水聽器樣品。其中水聽器背襯采用了5 mm銅骨架,空隙占比為40%。

圖12 新型背襯結(jié)構(gòu)及水聽器樣品

首先,在直徑Φ57 mm的聲管中利用脈沖法對(duì)水聽器的插入損失進(jìn)行了測(cè)試,為適應(yīng)聲管尺寸,制作了與水聽器分層結(jié)構(gòu)相同的測(cè)試樣品。測(cè)試結(jié)果如圖13所示,水聽器工作頻帶內(nèi)插入損失均小于1.1 dB,且隨著頻率上升而增加。實(shí)測(cè)結(jié)果在規(guī)律上與理論模型基本符合,只是在數(shù)值上比理論結(jié)果高0.15 dB～0.40 dB。分析來(lái)看,這主要是由于在模型中未考慮聚氨酯包覆層對(duì)聲波的吸收作用所造成的。

圖13 水聽器插入損失測(cè)試曲線

然后,在消聲水池中對(duì)水聽器接收性能進(jìn)行了測(cè)試,圖14為實(shí)測(cè)的自由場(chǎng)靈敏度頻率響應(yīng)曲線,測(cè)試結(jié)果在數(shù)值上與理論模型基本一致,而頻帶內(nèi)靈敏度起伏較小,這應(yīng)該是實(shí)際中聚氨酯包覆層以及膠層的阻尼特性對(duì)PVDF橫向效應(yīng)起到了一定的抑制作用,而在模型忽略了這一因素的影響。同時(shí),我們對(duì)新型背襯結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)背襯結(jié)構(gòu)水聽器的靈敏度進(jìn)行了比較,在工作頻帶內(nèi)新型背襯結(jié)構(gòu)水聽器靈敏度平均降低1 dB以內(nèi),但考慮到該水聽器具有較好的透聲性能,因此在綜合性能方面更具優(yōu)勢(shì)。

圖14 水聽器靈敏度測(cè)試曲線

5 結(jié)論

本文提出了一種基于穿孔金屬骨架與柔性膠填充相結(jié)合的新型PVDF水聽器背襯結(jié)構(gòu),利用有限元法對(duì)水聽器透聲性能和接收性能進(jìn)行了理論分析,并開展了樣品研制和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作,得到了以下結(jié)論:①該背襯結(jié)構(gòu)空隙占比越高,厚度越薄,水聽器插入損失越低;②該背襯結(jié)構(gòu)可以有效抑制平面型PVDF水聽器橫向效應(yīng),起到提升低頻靈敏度和改善頻帶內(nèi)靈敏度起伏的作用;③通過(guò)將相同厚度背襯結(jié)構(gòu)分割并在界面上去耦處理,可以提高背襯結(jié)構(gòu)的等效剛度,從而改善水聽器靈敏度的起伏特性;④實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用該背襯結(jié)構(gòu)的平面型PVDF水聽器能夠兼顧透聲性能和接收性能,本文提出的理論模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其透聲性能和接收性能的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。