标准水听器温度稳定性实验研究

方玲

（第七一五研究所，杭州，310023）

标准水听器温度稳定性实验研究

方玲

（第七一五研究所，杭州，310023）

对标准水听器温度稳定性进行实验研究，对影响温度稳定性的因素逐个进行实验，确定其影响大小，为设计和制作标准噪声水听器提供一定的指导。

水声计量；标准水听器；温度稳定性；实验研究

标准水听器作为水声计量测试中的传递标准，在水声声压量值传递中起到重要的作用。相对于普通测量水听器，标准水听器在接收灵敏度、灵敏度起伏、水平垂直指向性等方面都有更严格的要求，其中，稳定性是非常重要的要求之一，包括温度稳定性、压力稳定性和时间稳定性。温度稳定性指标准水听器接收灵敏度随温度变化而变化的特性，温度稳定性越高，则标准水听器接收灵敏度随温度变化越小，表明标准水听器有更好的温度适应性。本文对影响标准水听器温度稳定性的因素进行实验研究，对水听器的制作材料进行优化，从而提高水听器的温度稳定性，为完成高稳定性标准水听器的研制提供研究依据。

1 敏感元件温度稳定性实验研究

标准水听器主要由敏感元件、支撑结构、包覆材料、传输电缆等组成［1］。敏感元件起到将声信号转换为同频率的电信号的作用，是标准水听器的核心，敏感元件的温度稳定性对标准水听器温度稳定性起到决定性作用。目前国内外标准水听器敏感元件绝大部分都是PZT（压电锆钛酸铅固溶体）压电陶瓷。上世纪50年代初期，人们发现了具有锆钛晶体结构的PZT具备机电耦合系数高、温度稳定性好、居里温度较高等优越性，因此广泛应用于水听器、换能器的制造。我们通过实验方法，选择具有温度稳定性好的压电陶瓷作为敏感元件。

压电陶瓷是一种具有高介电常数的多晶介电体，需要高温烧结，但烧后并不能显示压电性能，因为晶体中的电偶极子是无序的，总电极矩为零。为使陶瓷具有压电特性，必须加以极化。在片状陶瓷加上几kV/mm的直流电场，使晶体内部的电偶极子沿外场方向排列。由于陶瓷具有强介电性，去掉电场后仍存在剩余极化强度，显示出强压电性能。当加上一个频率与陶瓷固有弹性振动频率一致的交流信号时（频率取决于材料形状），陶瓷就会出现谐振，并在谐振点表现出很强的机电转换效能，许多应用就利用这一点。在制成某种开关时压电陶瓷不只有一个谐振点，这取决于振动模式，在这种情况下，要根据其应用选择合适的振动模式。

对于压电陶瓷来说，宏观测试的主要参数有介电常数ε、压电常数d，介质损耗tgδ、机械品质因数（Qm）、机电耦合系数（K）和频率常数（N）等。影响水听器接收灵敏度的因素有敏感元件的物理尺寸、压电常数、介电常数、谐振频率等。在温度较小范围变化过程中，压电元件的物理尺寸变化很小，可以忽略。压电常数与介电常数及耦合系数相关，根据厂家提供资料，在标准水听器使用的温度范围内耦合系数变化很小，由介电常数起主导作用，而静态电容能直接反应介电常数的变化。因此，我们选择测试敏感元件静态电容及谐振频率两个参数来评估压电元件的温度稳定性。试验装置如图1所示。

图1 压电元件温度实验装置图

将待测试的压电陶瓷样品置于温度实验箱中，通过控制箱体温度模拟环境温度变化，样品电极通过电缆连接到试验箱外，方便静态电容和谐振频率测试。实验中选用三组压电陶瓷，分别为PZT-42、PZT-54和PZT-82，每组2件样品。PZT-42现多用于发射换能器的研制，PZT-54常用于接收水听器的研制，而PZT-82常用于大功率发射换能器的研制。温度变化范围从20℃～60℃，每10℃测试一次。实验数据记录于表1。

从表1中可以得出，当温度从20℃变化到60℃，三组压电陶瓷材料静态电容均随温度升高而增大，说明压电陶瓷介电常数具有正温度系数。其中，PZT-42静态电容的平均变化为15.5%，PZT-54静态电容的平均变化率为16.1%，PZT-82静态电容的平均变化率为13.5%。当温度从20℃变化到60℃，三种压电陶瓷材料在空气中的谐振频率基本无变化，说明该温度范围内谐振频率受温度的影响较小。综合上述两项参数，PZT-82具有更好的温度稳定性，PZT-42次之，PZT-54温度稳定性稍差。

表1 敏感元件温度实验结果

2 水密包覆材料温度稳定性实验

包覆材料指用于水听器敏感元件外部，起到水密及透声作用的声学材料，最常见的透声材料为各种橡胶及聚氨酯胶，橡胶材料一般利用模具通过硫化过程实现与敏感元件的粘接，聚氨酯胶通过灌注工艺实现胶层与敏感元件的粘接。透声材料直接与敏感元件接触，其温度稳定性对水听器温度稳定性有一定影响。根据压电元件的温度稳定性结果，选择了稳定性更好的PZT-82压电陶瓷敏感元件，分别采用氯丁橡胶和聚按酯灌注，同样在图1的装置中测试，结果见表2。从表2中可以得出，当温度从20℃变化到60℃，氯丁橡胶硫化样品静态电容的平均变化为18.7%，聚氨酯灌注样品静态电容的平均变化率18.3%，均大于未包覆透声时的样品，二者静态电容变化率比较接近。当温度从20℃变化到60℃，谐振频率均略有下降，橡胶硫化样品下降稍大于聚氨酯灌样品。

表2 不同水密包覆材料样品温度实验结果

3 接收灵敏度温度稳定性测试

为进一步掌握标准水听器接收灵敏度随温度变化情况，根据1、2的实验结果，制作了两种标准水听器：一种为PZT-54压电圆管，元件表面利用氯丁橡胶硫化透声层；另一种为PZT-82压电圆管，元件表面灌注聚氨酯胶。标准水听器制作完成后在振动液柱中进行声压灵敏度测试，振动液柱法是一种通过校准管中振动加速度的测量来求标准水听器声压灵敏度的方法，适合于在低频率下使用的绝对方法。频率范围20～1 000 Hz，在某一温度测试完成后，改变振动液柱中液体的温度，温度稳定后再进行声压灵敏度测试，从而完成不同温度下声压灵敏度测试，温度实验从10℃～35℃，其试验结果如表3所示。分析水听器灵敏度与23℃时的灵敏度偏差结果如表4所示。从表中可以得出，3#水听器随温度变化的最大偏差为0.025dB/℃，4#水听器灵敏度随温度变化的最大偏差为0.017 dB/℃，小于0.03 dB/℃，略低于3#水听器最大偏差，两只标准水听器均满足国家标准对温度稳定性的要求。

表3 两只标准水听器接收灵敏度温度试验结果