弛豫铁电单晶矢量水听器理论设计和实验研究

解广亚 徐宏水 王佳荣

（1.声纳技术重点实验室 第七一五研究所，杭州，310023；2.91114部队，上海，200434）

近年来，为了实现对低噪声水下目标远距离探测的目的，要求水声换能器能够有效提升探测弱信号和低频信号的能力。矢量水听器作为一种组合型传感器，能够同时拾取水下声场的声压和质点振速信息，可以共点、同步、独立测量声场的声压标量和质点振速矢量的各正交分量，单个矢量水听器在小尺度情况下具有良好的与频率无关的偶极子指向性[1]。由于矢量通道灵敏度随着频率的降低具有6 dB/OCT衰减的规律，严重制约了矢量水听器的低频探测下限。为此作者开展了多种结构形式及不同有源材料的新型矢量水听器研究，其中采用高性能弛豫铁电单晶材料作为水听器的敏感元器件是提高矢量水听器灵敏度的有效技术途径之一[2]。

压电加速度计是质点加速度矢量水听器的核心器件，常用加速度计的结构形式主要分为三种：弯曲梁结构、剪切结构和中心压缩结构。其中，弯曲梁结构是低频加速度计常用的结构形式，具有结构简单、灵敏度高、能够有效利用压电材料优异的横向压电性能等特点[3]。由于常用压电陶瓷材料在横向长度方向上的压电系数d31均不高于 274 pC/N[4]，极大地限制了压电陶瓷材料在低频加速度计上的应用和性能提升。而对于沿[011]c方向上极化的二元系PZN-PT单晶材料，其横向长度方向上的压电系数d32可达到-1900 pC/N以上，频率常数低于500 Hz·m[5]，更适用于低频、高灵敏度弯曲模式工作的压电加速度计。

因此，为了进一步提高矢量水听器的接收性能，本文选取了沿[011]c方向极化的PZN-0.05PT单晶元件作为矢量水听器的核心敏感元器件，结合矢量水听器的结构特点和应用场景，设计研制了一种基于单晶材料弯曲模式工作的高性能矢量水听器，以充分发挥弛豫铁电单晶材料的性能优势。

1 弛豫铁电单晶材料特性

弛豫铁电单晶的微观对称性是由其相结构决定的，与极化无关。由于单晶元件沿着不同方向极化时，单晶所形成的电畴结构不同，因此单晶的宏观对称性是由极化方向来确定。单晶材料具有各向异性的特性，为了使单晶元件在横向长度方向上具有较高的压电性能，一般选择沿[011]c方向上进行极化，此时单晶在宏观上表现为mm2点群对称性。单晶材料和压电陶瓷材料的主要性能参数如表1所示[4,5]，通过对比PZN-0.05PT单晶和PZT-5A压电陶瓷可以看出，PZN-0.05PT单晶在横向长度方向上的压电系数d32达到-1965 pC/N，远高于PZT-5A，并且在该方向上的频率常数N2仅为458 Hz·m，约为其N1的一半，将加速度计弯曲梁的长度方向与d32保持一致，能够有效抑制d31的干扰，更适用于工作在低频段的矢量水听器。

表1 PZN-0.05PT单晶和PZT-5A压电陶瓷的性能对比

2 矢量水听器的理论解析

根据单晶材料的性能特点，首先分析矢量水听器矢量通道的接收性能，通过理论解析可知，弯曲梁结构矢量水听器的声压灵敏度为[3]

式中，ω为角频率，d32、g32为压电元件的压电系数和压电电压系数，ε0为真空介电常数，c0为声速，ρ0为水的密度，ρs为水听器的密度，ρ为弯曲梁的密度，l、h、t分别为弯曲梁的长度、弯曲梁的厚度和压电元件的厚度。可以看出，矢量水听器的声压灵敏度主要与压电元件的压电电压系数g32、弯曲梁的长度l、压电元件和水听器结构的尺寸参数成正相关。

矢量水听器的声压通道主要由单个压电陶瓷薄壁圆管组成，采用空气背衬结构，管端为戴帽端。通过弹性静力学的方法求解薄壁圆管内部应力分布，按照压电方程求出开路输出电压，从而得到圆管的开路接收电压灵敏度为[4]

式中，b为圆管的外半径，ρ=a/b，a为圆管内半径，g31、g33为压电元件压电电压系数。对于薄壁圆管，ρ接近于 1，因此圆管的开路电压灵敏度主要与圆管外半径b和g31呈正相关。

3 矢量水听器的仿真设计

根据上述对矢量水听器矢量通道和声压通道的理论解析结果，开展矢量水听器结构的仿真建模和优化设计。为了提高矢量水听器矢量通道的接收性能，分别设计了两个敏感方向相互垂直的弯曲梁振子组成二维矢量通道，每个通道包含两个弯曲梁结构，二者串联连接，每个弯曲梁的两个面上分别安装单晶元件，元件极化方向与弯曲梁的平面垂直，长度方向（d32）与弯曲梁的长度方向保持一致，并且通过弯曲梁串联起来，具体结构如图1所示。这种结构设计能够有效提高水听器矢量通道的灵敏度，同时为了兼顾水听器的工作带宽，调整单晶元件在弯曲梁上的位置，将单晶元件的一端与弯曲梁的安装基座保持紧密接触。然后将单晶加速度计封装到金属外壳里，具体如图2所示，矢量水听器的声压通道主要由压电陶瓷圆管和软性垫片组成，最后将单晶加速度计和陶瓷圆管放入两块浮力外壳结构中。

图1 单晶加速度计结构图

图2 矢量水听器结构图

通过有限元仿真软件对矢量水听器各部分结构参数进行了优化设计，当声场传播方向与水听器矢量通道的敏感方向一致时，另一矢量通道不敏感，得到水听器的接收灵敏度曲线如图3所示。可以看出，矢量通道的声压灵敏度达到-192 dB@200 Hz，谐振频率在1.2 kHz左右，由图4中指向性曲线可以看出，两个矢量通道均表现出良好的偶极子指向性，且二者相互垂直；水听器声压通道的灵敏度为-187 dB，无指向性。

图3 矢量水听器矢量通道和声压通道的接收灵敏度仿真结果

图4 矢量水听器的指向性仿真结果

4 矢量水听器的研制和测试验证

根据上述对矢量水听器仿真设计的结果，单晶加速度计的基座选用聚碳酸酯材料，弯曲梁使用黄铜材料，金属外壳采用铝金属材料，垫片采用硬质泡沫材料，浮力外壳采用玻璃微珠材料。通过对水听器各组件的结构加工、装配工艺设计、定位及灌注夹具的设计加工，完成矢量水听器的装配，并使用聚氨酯一体灌注，最终研制的矢量水听器外径为95 mm，高度为180 mm。

采用振动液柱法测试了10 Hz～2 kHz频段内水听器的灵敏度响应特性，如图5～6所示，可以看出，水听器两个矢量通道的接收灵敏度均达到-193 dB@200 Hz，表现出良好的一致性，且与仿真计算结果基本相符，水听器谐振频率在1 kHz附近，略低于仿真结果，可能与水听器的结构刚度偏低有关。水听器两个矢量通道的指向性曲线相互垂直，表现出良好的“8”字形，指向性凹点深度均优于30 dB，其声压通道接收灵敏度的平均值为-188 dB，无指向性。

图5 矢量水听器的灵敏度响应曲线

图6 矢量水听器的指向性曲线

5 总结

本文对弛豫铁电单晶材料的高压电特性进行了分析，并与压电陶瓷材料做了对比，明确了单晶材料在横向长度方向上的性能优势。通过对弯曲梁结构矢量水听器的理论解析和仿真建模，掌握了矢量通道接收灵敏度与单晶材料长度方向上的压电电压系数、弯曲梁长度、水听器组件尺寸呈正相关，并且单晶材料的介电常数比陶瓷材料高一倍，能够有效降低水听器的自噪声。本文对弯曲梁结构矢量水听器的设计和验证结果，可为弛豫铁电单晶材料在矢量水听器中的应用奠定基础。