標準水聽器溫度穩(wěn)定性實驗研究

方玲

（第七一五研究所，杭州，310023）

標準水聽器溫度穩(wěn)定性實驗研究

方玲

（第七一五研究所，杭州，310023）

對標準水聽器溫度穩(wěn)定性進行實驗研究，對影響溫度穩(wěn)定性的因素逐個進行實驗，確定其影響大小，為設計和制作標準噪聲水聽器提供一定的指導。

水聲計量；標準水聽器；溫度穩(wěn)定性；實驗研究

標準水聽器作為水聲計量測試中的傳遞標準，在水聲聲壓量值傳遞中起到重要的作用。相對于普通測量水聽器，標準水聽器在接收靈敏度、靈敏度起伏、水平垂直指向性等方面都有更嚴格的要求，其中，穩(wěn)定性是非常重要的要求之一，包括溫度穩(wěn)定性、壓力穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性。溫度穩(wěn)定性指標準水聽器接收靈敏度隨溫度變化而變化的特性，溫度穩(wěn)定性越高，則標準水聽器接收靈敏度隨溫度變化越小，表明標準水聽器有更好的溫度適應性。本文對影響標準水聽器溫度穩(wěn)定性的因素進行實驗研究，對水聽器的制作材料進行優(yōu)化，從而提高水聽器的溫度穩(wěn)定性，為完成高穩(wěn)定性標準水聽器的研制提供研究依據(jù)。

1 敏感元件溫度穩(wěn)定性實驗研究

標準水聽器主要由敏感元件、支撐結構、包覆材料、傳輸電纜等組成［1］。敏感元件起到將聲信號轉換為同頻率的電信號的作用，是標準水聽器的核心，敏感元件的溫度穩(wěn)定性對標準水聽器溫度穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用。目前國內(nèi)外標準水聽器敏感元件絕大部分都是PZT（壓電鋯鈦酸鉛固溶體）壓電陶瓷。上世紀50年代初期，人們發(fā)現(xiàn)了具有鋯鈦晶體結構的PZT具備機電耦合系數(shù)高、溫度穩(wěn)定性好、居里溫度較高等優(yōu)越性，因此廣泛應用于水聽器、換能器的制造。我們通過實驗方法，選擇具有溫度穩(wěn)定性好的壓電陶瓷作為敏感元件。

壓電陶瓷是一種具有高介電常數(shù)的多晶介電體，需要高溫燒結，但燒后并不能顯示壓電性能，因為晶體中的電偶極子是無序的，總電極矩為零。為使陶瓷具有壓電特性，必須加以極化。在片狀陶瓷加上幾kV/mm的直流電場，使晶體內(nèi)部的電偶極子沿外場方向排列。由于陶瓷具有強介電性，去掉電場后仍存在剩余極化強度，顯示出強壓電性能。當加上一個頻率與陶瓷固有彈性振動頻率一致的交流信號時（頻率取決于材料形狀），陶瓷就會出現(xiàn)諧振，并在諧振點表現(xiàn)出很強的機電轉換效能，許多應用就利用這一點。在制成某種開關時壓電陶瓷不只有一個諧振點，這取決于振動模式，在這種情況下，要根據(jù)其應用選擇合適的振動模式。

對于壓電陶瓷來說，宏觀測試的主要參數(shù)有介電常數(shù)ε、壓電常數(shù)d，介質損耗tgδ、機械品質因數(shù)（Qm）、機電耦合系數(shù)（K）和頻率常數(shù)（N）等。影響水聽器接收靈敏度的因素有敏感元件的物理尺寸、壓電常數(shù)、介電常數(shù)、諧振頻率等。在溫度較小范圍變化過程中，壓電元件的物理尺寸變化很小，可以忽略。壓電常數(shù)與介電常數(shù)及耦合系數(shù)相關，根據(jù)廠家提供資料，在標準水聽器使用的溫度范圍內(nèi)耦合系數(shù)變化很小，由介電常數(shù)起主導作用，而靜態(tài)電容能直接反應介電常數(shù)的變化。因此，我們選擇測試敏感元件靜態(tài)電容及諧振頻率兩個參數(shù)來評估壓電元件的溫度穩(wěn)定性。試驗裝置如圖1所示。

圖1 壓電元件溫度實驗裝置圖

將待測試的壓電陶瓷樣品置于溫度實驗箱中，通過控制箱體溫度模擬環(huán)境溫度變化，樣品電極通過電纜連接到試驗箱外，方便靜態(tài)電容和諧振頻率測試。實驗中選用三組壓電陶瓷，分別為PZT-42、PZT-54和PZT-82，每組2件樣品。PZT-42現(xiàn)多用于發(fā)射換能器的研制，PZT-54常用于接收水聽器的研制，而PZT-82常用于大功率發(fā)射換能器的研制。溫度變化范圍從20℃～60℃，每10℃測試一次。實驗數(shù)據(jù)記錄于表1。

從表1中可以得出，當溫度從20℃變化到60℃，三組壓電陶瓷材料靜態(tài)電容均隨溫度升高而增大，說明壓電陶瓷介電常數(shù)具有正溫度系數(shù)。其中，PZT-42靜態(tài)電容的平均變化為15.5%，PZT-54靜態(tài)電容的平均變化率為16.1%，PZT-82靜態(tài)電容的平均變化率為13.5%。當溫度從20℃變化到60℃，三種壓電陶瓷材料在空氣中的諧振頻率基本無變化，說明該溫度范圍內(nèi)諧振頻率受溫度的影響較小。綜合上述兩項參數(shù)，PZT-82具有更好的溫度穩(wěn)定性，PZT-42次之，PZT-54溫度穩(wěn)定性稍差。

表1 敏感元件溫度實驗結果

2 水密包覆材料溫度穩(wěn)定性實驗

包覆材料指用于水聽器敏感元件外部，起到水密及透聲作用的聲學材料，最常見的透聲材料為各種橡膠及聚氨酯膠，橡膠材料一般利用模具通過硫化過程實現(xiàn)與敏感元件的粘接，聚氨酯膠通過灌注工藝實現(xiàn)膠層與敏感元件的粘接。透聲材料直接與敏感元件接觸，其溫度穩(wěn)定性對水聽器溫度穩(wěn)定性有一定影響。根據(jù)壓電元件的溫度穩(wěn)定性結果，選擇了穩(wěn)定性更好的PZT-82壓電陶瓷敏感元件，分別采用氯丁橡膠和聚按酯灌注，同樣在圖1的裝置中測試，結果見表2。從表2中可以得出，當溫度從20℃變化到60℃，氯丁橡膠硫化樣品靜態(tài)電容的平均變化為18.7%，聚氨酯灌注樣品靜態(tài)電容的平均變化率18.3%，均大于未包覆透聲時的樣品，二者靜態(tài)電容變化率比較接近。當溫度從20℃變化到60℃，諧振頻率均略有下降，橡膠硫化樣品下降稍大于聚氨酯灌樣品。

表2 不同水密包覆材料樣品溫度實驗結果

3 接收靈敏度溫度穩(wěn)定性測試

為進一步掌握標準水聽器接收靈敏度隨溫度變化情況，根據(jù)1、2的實驗結果，制作了兩種標準水聽器：一種為PZT-54壓電圓管，元件表面利用氯丁橡膠硫化透聲層；另一種為PZT-82壓電圓管，元件表面灌注聚氨酯膠。標準水聽器制作完成后在振動液柱中進行聲壓靈敏度測試，振動液柱法是一種通過校準管中振動加速度的測量來求標準水聽器聲壓靈敏度的方法，適合于在低頻率下使用的絕對方法。頻率范圍20～1 000 Hz，在某一溫度測試完成后，改變振動液柱中液體的溫度，溫度穩(wěn)定后再進行聲壓靈敏度測試，從而完成不同溫度下聲壓靈敏度測試，溫度實驗從10℃～35℃，其試驗結果如表3所示。分析水聽器靈敏度與23℃時的靈敏度偏差結果如表4所示。從表中可以得出，3#水聽器隨溫度變化的最大偏差為0.025dB/℃，4#水聽器靈敏度隨溫度變化的最大偏差為0.017 dB/℃，小于0.03 dB/℃，略低于3#水聽器最大偏差，兩只標準水聽器均滿足國家標準對溫度穩(wěn)定性的要求。

表3 兩只標準水聽器接收靈敏度溫度試驗結果