用于矢量水听器的弯曲圆盘型声压水听器

针对在同振型矢量水听器中有效地复合声压通道的问题,提出一种采用压电双迭片结构的弯曲圆盘型声压水听器。压电双迭片由中心开孔的压电圆片和金属背衬组成,采用弯曲振动工作模式。为提高声压水听器的灵敏度,分别通过理论计算和有限元仿真的方法对双迭片结构进行了分析与优化设计,并制作了一只声压水听器样机用于实验验证。测试结果表明,声压水听器的灵敏度为-157 dB(0 dB re 1 V/μPa),在25 Hz~1000 Hz频带内分布平坦,并具有全指向性的特点。综合理论研究与实验室测试结果,这种弯曲圆盘型声压水听器成功满足了低频宽带声信号接收的需要,达到了复合同振型矢量水听器对声压通道的设计要求。     

开缝压电圆环深海水听器

利用能量法得到了开缝压电圆环水中的谐振频率方程与电导纳曲线;通过构建开缝压电圆环低频接收状态等效电路图,推导了开缝压电圆环低频开路电压灵敏度;比较开缝压电圆环和整体圆环低频接收灵敏度,提出了利用开缝压电陶瓷圆环与溢流结构相结合设计深海水听器的思路;通过建立溢流式开缝压电圆环有限元仿真模型,探讨了开缝压电圆环的低频开路电压灵敏度与圆环结构参数的关系。经过仿真优化,研制了水中谐振频率600 Hz的开缝压电圆环深海水听器。水池声学测试与耐压测试结果表明,溢流式开缝压电圆环水听器在100~300 Hz频段内低频开路电压灵敏度最大值为-193.2 dB,最小值-197.9 dB,起伏-4.7 dB,耐静水压30 MPa;与采用相同尺寸压电元件的溢流圆环水听器相比,溢流式开缝压电圆环水听器的低频开路电压灵敏度提高20 dB;验证了本文提出的采用开缝压电圆环构建深海水听器的实用性。      

聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）压电圆管水听器

提出了高灵敏度压电共聚物圆管水听器设计方法,论述了聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)[P (VDF-TrFE)]材料结构与压电特性的关系,利用解析法和有限元法,分析了多振动模式耦合特性对压电共聚物圆管水听器灵敏度响应的影响规律,仿真分析了圆管水听器的耐静水压特性和噪声特性,与相同结构的压电陶瓷和压电均聚物水听器相比,压电共聚物圆管水听器低频段灵敏度分别可提高20 dB和5 dB以上,研制了尺寸为Φ14 mm × 55 mm的压电共聚物圆管水听器样品,经测试,在10 Hz~1 kHz频段内水听器灵敏度响应达到-181.8 dB±1 dB,等效自噪声压低于零级海况海洋环境噪声,与理论模型结果有良好的一致性。结果表明,该设计显著提升了圆管水听器的低频接收灵敏度,并为其耐静水压性能提升提供了思路。      

采用双迭片压电敏感元件的同振柱型矢量水听器

介绍一种采用双选片作为压电敏感元件的同振柱型矢量水听器。描述了该矢量水听器的设计方法，并给出所研制该类型水听器的灵敏度和指向性测试结果。     

用于矢量水听器的低频高灵敏度层合梁加速度传感器

压电加速度传感器是同振型矢量水听器的核心部件。为了满足低频高灵敏度矢量水听器的应用需求,提出并研究一种具有层合梁结构的低频高灵敏度加速度传感器。结合弹性力学和压电方程推导层合梁加速度传感器的加速度灵敏度解析解表达式,通过有限元仿真对层合梁加速度传感器尺寸进行优化,给出优化后的尺寸范围。从优化的尺寸范围中选取两种不同尺寸进行加速度传感器振动特性的仿真分析及实物制作(其中压电材料为PZT-5)与性能测试。仿真与测试结果均表明,相比已有的同尺寸金属梁加速度传感器,层合梁加速度传感器可以有效降低谐振频率并提升加速度灵敏度。当压电层厚度为0.5 mm时,加速度灵敏度最大提升3.9 dB,谐振频率下降23%。测试结果与理论分析相符。      

ZnO薄膜硅微压电矢量水听器

提出了一种基于ZnO压电薄膜的硅微压电矢量水听器,其核心部件是利用微电子机械系统(MEMS)技术制作的悬臂梁结构压电加速度计。由近似解析和有限元分析,得出加速度计的灵敏度和谐振频率,并在此基础上对其进行了优化设计。研制了MEMS压电加速度计,并装配后构成MEMS矢量水听器。测试结果表明:加速度灵敏度在20~1,200 Hz范围内约为0.83 mV/(m/s2)。经过液柱法测量,在1 kHz时,MEMS矢量水听器等效声压灵敏度为-229.5 dB (ref.1V/μPa),比同类型压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17 dB以上。      

MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展*

基于微电子机械系统制造技术的MEMS压电水听器和矢量水听器具有小型化、低功耗、低成本、易成阵、无源、噪音低等优点。对基于ZnO薄膜的MEMS水听器和矢量水听器进行了研究,测试结果表明,硅微压电水听器的灵敏度为-192 d B(ref.1 V/μPa),基本达到实用化的要求。MEMS压电矢量水听器等效声压灵敏度为-229.5 d B(ref.1 V/μPa),比同类型压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17 d B,但还未达到实用化要求。为了进一步提高MEMS矢量水听器的灵敏度,设计了具有U形槽的压电复合悬臂梁结构和电极串联结构,采用具有更高压电系数的掺钒ZnO薄膜作为压电层,并对MEMS制备工艺进行了改进,有望显著提高MEMS矢量水听器的灵敏度。     

新型压电单晶PMNT的生长、性能及应用

通过对PMN -PT二元体系在高温下的相结构、相稳定性以及相图的研究 ,确立了PMNT单晶的生长方法 ,用Bridgman方法生长出了大尺寸高质量的PMNT单晶 .目前制备的PMNT单晶尺寸达到40× 70mm ,晶片尺寸为2 0× 2 0× 1mm ,其主要性能为 :介电常数ε～ 5 0 0 0 ,介电损耗tanδ <0 9%,压电系数d3 3 >15 0 0pC N ,机电耦合系数k3 3～ 94%.在准同型相界附近 ,PMNT单晶的压电活性比较高 ,但其结构比较复杂 ,实际应用时应该考虑单晶的综合性能 ,生长组成略为离开相界的PMNT单晶 .在扫描电声显微镜中 ,我们将PMNT单晶用于其压电换能器 ,明显提高了电声像的分辨率 ,充分显示出PMNT在超声成像、水声换能器以及高应变驱动器中有广泛的应用前景 .     

二维同振柱形组合矢量水听器

介绍一种采用两只压电加速度计作为敏感元件的二维同振型组合矢量水听器。叙述了该矢量 水听器的设计方法,给出了相应的灵敏度和指向性测试结果。     

新型MEMS压电矢量水听器

对一种具有U形槽或双U形槽结构的MEMS压电式矢量水听器进行了仿真分析与优化,采用微机械加工技术研制出水听器芯片,并对芯片进行了封装与性能测试。提出了理论灵敏度和能量综合分析的方法,在考虑杂散电容的情况下,对敏感结构进行了更加精确的优化。从实验结果可以看出,所提出的优化方法比仅考虑理论灵敏度的传统优化方法具有更高的准确度。此外,具有双U形槽结构的矢量水听器的灵敏度比传统的单臂悬臂梁结构的灵敏度高约5.9 dB,并且具有良好的指向性。     

弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究（英文）

A two-dimensional vector hydrophone was developed utilizing the PMN-PT relaxor ferroelectric single crystal,which is composed of a dual-axis piezoelectric composite flexural beam accelerometer and PZT-5 piezoelectric ceramic rings.Based on the principle of elastic mechanics and underwater particle velocity measurement,the receiving voltage sensitivity of the flexural beam vector hydrophone is derived.The influence of stress distribution in the flexural beam on the performance of hydrophones is analyzed,and the match between PMNPT single crystal cells and the structure of flexural beam is studied.The tested results indicate that the PMN-PT hydrophone presents an 11 dB increase in sensitivity and a 3 dB decrease in self-noise than the PZT-5 one.     

Cymbal piezoelectric composite underwater acoustic transducer

The working principle of Cymbal piezoelectric composite underwater acoustic transducer was studied in this paper. PZT-5A piezoelectric ceramic disk was used as piezoelectric phase and brass foil was used as end cap electrode of the Cymbal transducer. The silicon rubber was used as the insulated proof layer of the underwater acoustic transducer. The properties of this transducer used as hydrophone, such as operation frequency, free-field voltage receiving sensitivity and directivity, were investigated. Several kinds of prototype of this transducer were fabricated and the properties of this transducer used as hydrophone were tested. The results show that the properties of this transducer used as hydrophone depend on the dimensions of Cymbal transducer because the piezoelectric properties of this transducer are dependent on the dimensions of Cymbal transducer's end caps. The appropriate dimensions for getting higher free-field voltage receiving sensitivity with -184.7 dB were obtained.     

Slotted piezoelectric ring deep ocean hydrophone

Based on the energy method,the underwater resonance frequency equation and electrical admittance curve of the slotted piezoelectric ring are derived.By establishing the equivalent circuit of slotted piezoelectric ring in low-frequency receiving condition,the lowfrequency open circuit voltage sensitivity of slotted piezoelectric ring is deduced.Compared the low-frequency receiving sensitivity of the slotted piezoelectric ring and the complete ring,the thought to design the deep ocean hydrophone is presented,which combines the slotted piezoelectric ring and the free flooded structure.By establishing finite element simulation model of free flooded slotted piezoelectric ring,the relationship between ring structure parameters and low-frequency open circuit voltage sensitivity are discussed.Through the simulation and optimization,the deep-sea slotted piezoelectric ring hydrophone with the resonance frequency of 600 Hz is fabricated.The acoustic and pressure tests results indicated that the low-frequency open circuit voltage sensitivity of free flooded slotted piezoelectric ring hydrophone in work bandwidth 100-300 Hz is-193.2 dB and the least value is-197.9 dB with the-4.7 dB fluctuation.Hydrostatic pressure resistance of 30 Mpa is obtained.Compared with the same structure size free flooded piezoelectric ring hydrophone,the low-frequency open circuit voltage sensitivity of slotted piezoelectric ring hydrophone raised 20 dB.The results verify the practicability of deep ocean hydrophone presented here with free flooded slotted piezoelectric ring structure.     

光纤矢量水听器指向性测试及锐化技术

光纤矢量水听器是一种新型的水听器,它兼具矢量水听器和光纤水听器的优点。矢量水听器具有自然的偶极子指向性,但是其-3dB带宽为90°,目标分辨能力有限,因此需要对其进行指向性锐化。本文对光纤矢量水听器的自然指向性进行了湖试测定,研究了基于最小方差无失真响应(MVDR)方法的指向性锐化技术,在湖试数据处理中,将其-3dB主波束宽度抑制在20°以内,取得了良好的效果。     

液腔耦合高灵敏度压电陶瓷水听器

提出一种利用液腔模态提高接收灵敏度的压电陶瓷标量水听器,称为液腔耦合水听器。该水听器用径向极化的压电陶瓷圆管作为敏感材料,将圆管的外侧壁和上下端面屏蔽而仅使其内侧壁接收声压信号。用"能量法"对压电圆管的振动做了详细分析并给出了等效电路;利用有限元方法预测了水听器的接收性能,并制作、测试了水听器样机。实测证明,在1~8 kHz频率范围内,液腔耦合水听器比相同尺寸的外壁接收圆管水听器的灵敏度有显著提高,在液腔谐振频率附近接收灵敏度达到-181 dB,比后者高10 dB以上。液腔结构的引入,能在较宽频率范围内显著提高水听器的接收灵敏度。