弛豫鐵電單晶矢量水聽器理論設計和實驗研究

解廣亞 徐宏水 王佳榮

（1.聲納技術重點實驗室 第七一五研究所，杭州，310023；2.91114部隊，上海，200434）

近年來，為了實現(xiàn)對低噪聲水下目標遠距離探測的目的，要求水聲換能器能夠有效提升探測弱信號和低頻信號的能力。矢量水聽器作為一種組合型傳感器，能夠同時拾取水下聲場的聲壓和質(zhì)點振速信息，可以共點、同步、獨立測量聲場的聲壓標量和質(zhì)點振速矢量的各正交分量，單個矢量水聽器在小尺度情況下具有良好的與頻率無關的偶極子指向性[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，嚴重制約了矢量水聽器的低頻探測下限。為此作者開展了多種結(jié)構(gòu)形式及不同有源材料的新型矢量水聽器研究，其中采用高性能弛豫鐵電單晶材料作為水聽器的敏感元器件是提高矢量水聽器靈敏度的有效技術途徑之一[2]。

壓電加速度計是質(zhì)點加速度矢量水聽器的核心器件，常用加速度計的結(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)是低頻加速度計常用的結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)簡單、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[3]。由于常用壓電陶瓷材料在橫向長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上的應用和性能提升。而對于沿[011]c方向上極化的二元系PZN-PT單晶材料，其橫向長度方向上的壓電系數(shù)d32可達到-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。

因此，為了進一步提高矢量水聽器的接收性能，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器的核心敏感元器件，結(jié)合矢量水聽器的結(jié)構(gòu)特點和應用場景，設計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器，以充分發(fā)揮弛豫鐵電單晶材料的性能優(yōu)勢。

1 弛豫鐵電單晶材料特性

弛豫鐵電單晶的微觀對稱性是由其相結(jié)構(gòu)決定的，與極化無關。由于單晶元件沿著不同方向極化時，單晶所形成的電疇結(jié)構(gòu)不同，因此單晶的宏觀對稱性是由極化方向來確定。單晶材料具有各向異性的特性，為了使單晶元件在橫向長度方向上具有較高的壓電性能，一般選擇沿[011]c方向上進行極化，此時單晶在宏觀上表現(xiàn)為mm2點群對稱性。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]，通過對比PZN-0.05PT單晶和PZT-5A壓電陶瓷可以看出，PZN-0.05PT單晶在橫向長度方向上的壓電系數(shù)d32達到-1965 pC/N，遠高于PZT-5A，并且在該方向上的頻率常數(shù)N2僅為458 Hz·m，約為其N1的一半，將加速度計彎曲梁的長度方向與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器。

表1 PZN-0.05PT單晶和PZT-5A壓電陶瓷的性能對比

2 矢量水聽器的理論解析

根據(jù)單晶材料的性能特點，首先分析矢量水聽器矢量通道的接收性能，通過理論解析可知，彎曲梁結(jié)構(gòu)矢量水聽器的聲壓靈敏度為[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為水聽器的密度，ρ為彎曲梁的密度，l、h、t分別為彎曲梁的長度、彎曲梁的厚度和壓電元件的厚度?？梢钥闯觯噶克犉鞯穆晧红`敏度主要與壓電元件的壓電電壓系數(shù)g32、彎曲梁的長度l、壓電元件和水聽器結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)成正相關。

矢量水聽器的聲壓通道主要由單個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。通過彈性靜力學的方法求解薄壁圓管內(nèi)部應力分布，按照壓電方程求出開路輸出電壓，從而得到圓管的開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)。對于薄壁圓管，ρ接近于 1，因此圓管的開路電壓靈敏度主要與圓管外半徑b和g31呈正相關。

3 矢量水聽器的仿真設計

根據(jù)上述對矢量水聽器矢量通道和聲壓通道的理論解析結(jié)果，開展矢量水聽器結(jié)構(gòu)的仿真建模和優(yōu)化設計。為了提高矢量水聽器矢量通道的接收性能，分別設計了兩個敏感方向相互垂直的彎曲梁振子組成二維矢量通道，每個通道包含兩個彎曲梁結(jié)構(gòu)，二者串聯(lián)連接，每個彎曲梁的兩個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，長度方向（d32）與彎曲梁的長度方向保持一致，并且通過彎曲梁串聯(lián)起來，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)設計能夠有效提高水聽器矢量通道的靈敏度，同時為了兼顧水聽器的工作帶寬，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封裝到金屬外殼里，具體如圖2所示，矢量水聽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 單晶加速度計結(jié)構(gòu)圖

圖2 矢量水聽器結(jié)構(gòu)圖

通過有限元仿真軟件對矢量水聽器各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設計，當聲場傳播方向與水聽器矢量通道的敏感方向一致時，另一矢量通道不敏感，得到水聽器的接收靈敏度曲線如圖3所示。可以看出，矢量通道的聲壓靈敏度達到-192 dB@200 Hz，諧振頻率在1.2 kHz左右，由圖4中指向性曲線可以看出，兩個矢量通道均表現(xiàn)出良好的偶極子指向性，且二者相互垂直；水聽器聲壓通道的靈敏度為-187 dB，無指向性。

圖3 矢量水聽器矢量通道和聲壓通道的接收靈敏度仿真結(jié)果

圖4 矢量水聽器的指向性仿真結(jié)果

4 矢量水聽器的研制和測試驗證

根據(jù)上述對矢量水聽器仿真設計的結(jié)果，單晶加速度計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。通過對水聽器各組件的結(jié)構(gòu)加工、裝配工藝設計、定位及灌注夾具的設計加工，完成矢量水聽器的裝配，并使用聚氨酯一體灌注，最終研制的矢量水聽器外徑為95 mm，高度為180 mm。

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

圖5 矢量水聽器的靈敏度響應曲線

圖6 矢量水聽器的指向性曲線

5 總結(jié)

本文對弛豫鐵電單晶材料的高壓電特性進行了分析，并與壓電陶瓷材料做了對比，明確了單晶材料在橫向長度方向上的性能優(yōu)勢。通過對彎曲梁結(jié)構(gòu)矢量水聽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度方向上的壓電電壓系數(shù)、彎曲梁長度、水聽器組件尺寸呈正相關，并且單晶材料的介電常數(shù)比陶瓷材料高一倍，能夠有效降低水聽器的自噪聲。本文對彎曲梁結(jié)構(gòu)矢量水聽器的設計和驗證結(jié)果，可為弛豫鐵電單晶材料在矢量水聽器中的應用奠定基礎。