[實用新型]一種高靈敏度的探針水聽器

有效

• 申請號: 201521043745.2
• 申請日: 2015-12-15
• 公開（公告）號: CN205280208U
• 公開（公告）日: 2016-06-01
• 發明（設計）人: 俞曉霞;蔣程含之;王月兵;曹永剛
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: G01H11/08
• 分類號: G01H11/08
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 杜軍

技術領域

本實用新型屬于聲學領域，具體涉及一種高靈敏度且寬頻帶的探針水聽 器。

背景技術

聲壓水聽器是檢測水中聲信號以及噪聲最重要的工具，在諸多水聽器中， 探針水聽器由于其尺寸很小以及對聲場的擾動小，常被用于聲場的高精度測 繪、聲傳感器的檢測標定以及超聲設備的檢測校準和性能評估。水聽器的性 能(靈敏度、頻率響應)會直接影響到結果的準確性和全面性，所以水聽器 的性能好壞在聲學領域的應用中尤為關鍵。

根據所用靈敏材料的不同，探針水聽器可以分為：PVDF探針水聽器、壓 電陶瓷探針水聽器、壓電晶體探針水聽器和壓電復合材料探針水聽器。其中 壓電陶瓷和PVDF探針水聽器是最為常見，已經實現了商業化。靈敏部分直徑 為1mm的壓電陶瓷探針水聽器尾部電纜為1m時，其電纜端開路靈敏度為 0.674μV/Pa，其相對平坦的頻率響應可達6MHz左右。但由于陶瓷圓片的徑向 振動模式的高階諧振和背襯材料中的混響導致其頻響不穩定。此外，大部分 有用的陶瓷水聽器的指向特性常常與理論預測有較明顯的不同。靈敏部分直 徑為1mm的PVDF探針水聽器，尾部電纜為1m時，其電纜端開路靈敏度為0.1～ 0.12μV/Pa，諧振頻率在25MHz以下，指向性特性好，同時探針的頻響特性可 以達到很平滑，起伏在±1.5dB范圍內。

目前美國的ONDA和英國的PrecisionAcoustics是能夠提供探針水聽器 的兩家公司，價格也相對比較昂貴。ONDA公司的HNC系列壓電陶瓷探針水聽 器，具有較高的靈敏度(最高達到-238dB)，但是在不同頻率的響應不穩定； 而HNP系列的壓電聚合物探針水聽器的頻率響應曲線很平坦，但是靈敏度要 比HNC系列的水聽器至少低10dB；英國的PrecisionAcoustics公司則只生 產PVDF探針水聽器，其中PVDF元件直徑1.0mm的探針水聽器靈敏度為-241.4 dB。從中可以看出，壓電陶瓷探針水聽器存在最大的問題是在不同頻率下的 響應不穩定，頻率響應不夠平坦。而PVDF探針水聽器則是靈敏度不夠高。且 PVDF材料因耐熱性的限制，常用的PVDF探針水聽器不能在高溫、高聲壓環境 下工作，其適用溫度通常在50℃以下。

近年來，隨著聲學技術的快速發展，相關研究對聲場的空間和時間特性 進行定量測量的精度要求不斷提高，意味著對探針水聽器各方面的性能(靈 敏度、頻率響應、穩定性等)提出了更高的要求。而在廣泛使用的PVDF和壓 電陶瓷探針水聽器都有著各自的缺點。因此，現階段設計制備一款高靈敏度、 寬頻率響應、性能穩定的探針水聽器顯得十分的必要。

新型材料PMN-PT晶體在PT含量為0.33～0.35時存在一個三方和四方相 共存的準同型相界(MPB)，具有較大的壓電性，壓電電荷系數約為2000～2500 PC/N，機電耦合系數K可以到90％以上，甚至94％，最大形變可以達到1.7 ％。PMN-PT優異的壓電性能保證采用其作為壓電元件制作而成的探針水聽器 得到較高的靈敏度，同時采用前端匹配技術能夠保證寬頻帶的平坦響應以及 穩定的性能。這些優異的性能也將使其可以逐漸替代PZT和PVDF等壓電材料 在醫用超聲探頭、水下聲納、壓電驅動器等聲學領域得到廣泛應用。

發明內容

本實用新型的目的是針對傳統的PVDF和壓電陶瓷探針水聽器的不足，提 供一種高靈敏度、寬頻帶的探針水聽器，作為精密儀器，應用于聲學計量實 驗室的各項工作中以及各類聲學儀器的校準和標定。

本實用新型是通過以下技術方案來實現的：

本實用新型包括前端感應部分、夾持部分和接線電纜部分；所述的前端 感應部分包括第一匹配層、第二匹配層、PMN-PT晶體、漆包線和不銹鋼管套； 所述的漆包線套置在不銹鋼套管中，PMN-PT晶體的正極與漆包線的內芯用導 電膠粘接；所述的第二匹配層粘接到PMN-PT的負極，第一匹配層粘接到第二 匹配層上；不銹鋼管套內壁與漆包線之間注有環氧灌封膠；PMN-PT晶體的負 極與不銹鋼管套通過導電膠點粘；所述的夾持部分套置在前端感應部分的不 銹鋼管套外并進行水密處理；所述的接線電纜部分與漆包線連接，接線電纜 部分的輸出端是BNC接口。

所述的PMN-PT晶體為直徑1mm的圓片；所述的不銹鋼管套的內徑為 1.2mm，長度為50mm；所述漆包線的內芯直徑為1mm。

所述漆包線的內芯為銅絲。