解廣亞 徐宏水 王佳榮

（1.聲納技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 第七一五研究所，杭州，310023；2.91114部隊(duì)，上海，200434）

近年來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)低噪聲水下目標(biāo)遠(yuǎn)距離探測(cè)的目的，要求水聲換能器能夠有效提升探測(cè)弱信號(hào)和低頻信號(hào)的能力。矢量水聽(tīng)器作為一種組合型傳感器，能夠同時(shí)拾取水下聲場(chǎng)的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速信息，可以共點(diǎn)、同步、獨(dú)立測(cè)量聲場(chǎng)的聲壓標(biāo)量和質(zhì)點(diǎn)振速矢量的各正交分量，單個(gè)矢量水聽(tīng)器在小尺度情況下具有良好的與頻率無(wú)關(guān)的偶極子指向性[1]。由于矢量通道靈敏度隨著頻率的降低具有6 dB/OCT衰減的規(guī)律，嚴(yán)重制約了矢量水聽(tīng)器的低頻探測(cè)下限。為此作者開(kāi)展了多種結(jié)構(gòu)形式及不同有源材料的新型矢量水聽(tīng)器研究，其中采用高性能弛豫鐵電單晶材料作為水聽(tīng)器的敏感元器件是提高矢量水聽(tīng)器靈敏度的有效技術(shù)途徑之一[2]。

壓電加速度計(jì)是質(zhì)點(diǎn)加速度矢量水聽(tīng)器的核心器件，常用加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式主要分為三種：彎曲梁結(jié)構(gòu)、剪切結(jié)構(gòu)和中心壓縮結(jié)構(gòu)。其中，彎曲梁結(jié)構(gòu)是低頻加速度計(jì)常用的結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、能夠有效利用壓電材料優(yōu)異的橫向壓電性能等特點(diǎn)[3]。由于常用壓電陶瓷材料在橫向長(zhǎng)度方向上的壓電系數(shù)d31均不高于 274 pC/N[4]，極大地限制了壓電陶瓷材料在低頻加速度計(jì)上的應(yīng)用和性能提升。而對(duì)于沿[011]c方向上極化的二元系PZN-PT單晶材料，其橫向長(zhǎng)度方向上的壓電系數(shù)d32可達(dá)到-1900 pC/N以上，頻率常數(shù)低于500 Hz·m[5]，更適用于低頻、高靈敏度彎曲模式工作的壓電加速度計(jì)。

因此，為了進(jìn)一步提高矢量水聽(tīng)器的接收性能，本文選取了沿[011]c方向極化的PZN-0.05PT單晶元件作為矢量水聽(tīng)器的核心敏感元器件，結(jié)合矢量水聽(tīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)研制了一種基于單晶材料彎曲模式工作的高性能矢量水聽(tīng)器，以充分發(fā)揮弛豫鐵電單晶材料的性能優(yōu)勢(shì)。

1 弛豫鐵電單晶材料特性

弛豫鐵電單晶的微觀對(duì)稱(chēng)性是由其相結(jié)構(gòu)決定的，與極化無(wú)關(guān)。由于單晶元件沿著不同方向極化時(shí)，單晶所形成的電疇結(jié)構(gòu)不同，因此單晶的宏觀對(duì)稱(chēng)性是由極化方向來(lái)確定。單晶材料具有各向異性的特性，為了使單晶元件在橫向長(zhǎng)度方向上具有較高的壓電性能，一般選擇沿[011]c方向上進(jìn)行極化，此時(shí)單晶在宏觀上表現(xiàn)為mm2點(diǎn)群對(duì)稱(chēng)性。單晶材料和壓電陶瓷材料的主要性能參數(shù)如表1所示[4,5]，通過(guò)對(duì)比PZN-0.05PT單晶和PZT-5A壓電陶瓷可以看出，PZN-0.05PT單晶在橫向長(zhǎng)度方向上的壓電系數(shù)d32達(dá)到-1965 pC/N，遠(yuǎn)高于PZT-5A，并且在該方向上的頻率常數(shù)N2僅為458 Hz·m，約為其N(xiāo)1的一半，將加速度計(jì)彎曲梁的長(zhǎng)度方向與d32保持一致，能夠有效抑制d31的干擾，更適用于工作在低頻段的矢量水聽(tīng)器。

表1 PZN-0.05PT單晶和PZT-5A壓電陶瓷的性能對(duì)比

2 矢量水聽(tīng)器的理論解析

根據(jù)單晶材料的性能特點(diǎn)，首先分析矢量水聽(tīng)器矢量通道的接收性能，通過(guò)理論解析可知，彎曲梁結(jié)構(gòu)矢量水聽(tīng)器的聲壓靈敏度為[3]

式中，ω為角頻率，d32、g32為壓電元件的壓電系數(shù)和壓電電壓系數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，c0為聲速，ρ0為水的密度，ρs為水聽(tīng)器的密度，ρ為彎曲梁的密度，l、h、t分別為彎曲梁的長(zhǎng)度、彎曲梁的厚度和壓電元件的厚度?？梢钥闯?，矢量水聽(tīng)器的聲壓靈敏度主要與壓電元件的壓電電壓系數(shù)g32、彎曲梁的長(zhǎng)度l、壓電元件和水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)成正相關(guān)。

矢量水聽(tīng)器的聲壓通道主要由單個(gè)壓電陶瓷薄壁圓管組成，采用空氣背襯結(jié)構(gòu)，管端為戴帽端。通過(guò)彈性靜力學(xué)的方法求解薄壁圓管內(nèi)部應(yīng)力分布，按照壓電方程求出開(kāi)路輸出電壓，從而得到圓管的開(kāi)路接收電壓靈敏度為[4]

式中，b為圓管的外半徑，ρ=a/b，a為圓管內(nèi)半徑，g31、g33為壓電元件壓電電壓系數(shù)。對(duì)于薄壁圓管，ρ接近于 1，因此圓管的開(kāi)路電壓靈敏度主要與圓管外半徑b和g31呈正相關(guān)。

3 矢量水聽(tīng)器的仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)矢量水聽(tīng)器矢量通道和聲壓通道的理論解析結(jié)果，開(kāi)展矢量水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)的仿真建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了提高矢量水聽(tīng)器矢量通道的接收性能，分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)敏感方向相互垂直的彎曲梁振子組成二維矢量通道，每個(gè)通道包含兩個(gè)彎曲梁結(jié)構(gòu)，二者串聯(lián)連接，每個(gè)彎曲梁的兩個(gè)面上分別安裝單晶元件，元件極化方向與彎曲梁的平面垂直，長(zhǎng)度方向（d32）與彎曲梁的長(zhǎng)度方向保持一致，并且通過(guò)彎曲梁串聯(lián)起來(lái)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效提高水聽(tīng)器矢量通道的靈敏度，同時(shí)為了兼顧水聽(tīng)器的工作帶寬，調(diào)整單晶元件在彎曲梁上的位置，將單晶元件的一端與彎曲梁的安裝基座保持緊密接觸。然后將單晶加速度計(jì)封裝到金屬外殼里，具體如圖2所示，矢量水聽(tīng)器的聲壓通道主要由壓電陶瓷圓管和軟性墊片組成，最后將單晶加速度計(jì)和陶瓷圓管放入兩塊浮力外殼結(jié)構(gòu)中。

圖1 單晶加速度計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖2 矢量水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)有限元仿真軟件對(duì)矢量水聽(tīng)器各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)聲場(chǎng)傳播方向與水聽(tīng)器矢量通道的敏感方向一致時(shí)，另一矢量通道不敏感，得到水聽(tīng)器的接收靈敏度曲線(xiàn)如圖3所示?？梢钥闯觯噶客ǖ赖穆晧红`敏度達(dá)到-192 dB@200 Hz，諧振頻率在1.2 kHz左右，由圖4中指向性曲線(xiàn)可以看出，兩個(gè)矢量通道均表現(xiàn)出良好的偶極子指向性，且二者相互垂直；水聽(tīng)器聲壓通道的靈敏度為-187 dB，無(wú)指向性。

圖3 矢量水聽(tīng)器矢量通道和聲壓通道的接收靈敏度仿真結(jié)果

圖4 矢量水聽(tīng)器的指向性仿真結(jié)果

4 矢量水聽(tīng)器的研制和測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)上述對(duì)矢量水聽(tīng)器仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果，單晶加速度計(jì)的基座選用聚碳酸酯材料，彎曲梁使用黃銅材料，金屬外殼采用鋁金屬材料，墊片采用硬質(zhì)泡沫材料，浮力外殼采用玻璃微珠材料。通過(guò)對(duì)水聽(tīng)器各組件的結(jié)構(gòu)加工、裝配工藝設(shè)計(jì)、定位及灌注夾具的設(shè)計(jì)加工，完成矢量水聽(tīng)器的裝配，并使用聚氨酯一體灌注，最終研制的矢量水聽(tīng)器外徑為95 mm，高度為180 mm。

采用振動(dòng)液柱法測(cè)試了10 Hz～2 kHz頻段內(nèi)水聽(tīng)器的靈敏度響應(yīng)特性，如圖5～6所示，可以看出，水聽(tīng)器兩個(gè)矢量通道的接收靈敏度均達(dá)到-193 dB@200 Hz，表現(xiàn)出良好的一致性，且與仿真計(jì)算結(jié)果基本相符，水聽(tīng)器諧振頻率在1 kHz附近，略低于仿真結(jié)果，可能與水聽(tīng)器的結(jié)構(gòu)剛度偏低有關(guān)。水聽(tīng)器兩個(gè)矢量通道的指向性曲線(xiàn)相互垂直，表現(xiàn)出良好的“8”字形，指向性凹點(diǎn)深度均優(yōu)于30 dB，其聲壓通道接收靈敏度的平均值為-188 dB，無(wú)指向性。

圖5 矢量水聽(tīng)器的靈敏度響應(yīng)曲線(xiàn)

圖6 矢量水聽(tīng)器的指向性曲線(xiàn)

5 總結(jié)

本文對(duì)弛豫鐵電單晶材料的高壓電特性進(jìn)行了分析，并與壓電陶瓷材料做了對(duì)比，明確了單晶材料在橫向長(zhǎng)度方向上的性能優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)彎曲梁結(jié)構(gòu)矢量水聽(tīng)器的理論解析和仿真建模，掌握了矢量通道接收靈敏度與單晶材料長(zhǎng)度方向上的壓電電壓系數(shù)、彎曲梁長(zhǎng)度、水聽(tīng)器組件尺寸呈正相關(guān)，并且單晶材料的介電常數(shù)比陶瓷材料高一倍，能夠有效降低水聽(tīng)器的自噪聲。本文對(duì)彎曲梁結(jié)構(gòu)矢量水聽(tīng)器的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證結(jié)果，可為弛豫鐵電單晶材料在矢量水聽(tīng)器中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。