新型壓電材料在低頻水聽器中的應(yīng)用

1、新型壓電材料在低頻水聽器中的應(yīng)用 摘要：海嘯是一種不可控制的自然災(zāi)害，研究發(fā)現(xiàn)，次聲波信號是伴隨海嘯同時產(chǎn)生的，利用次聲波信號在海水中的高速傳播這一特性，可提前預(yù)知海嘯的到來和相關(guān)信息，以實現(xiàn)海岸預(yù)警。新型壓電高聚物pvdf，其具有較高的壓電常數(shù)，與水的聲阻抗相近，質(zhì)量輕，柔韌性好，寬頻率等特性，且價格不高，是制造水聽器的理想材料。 關(guān)鍵詞：pvdf；水聽器；低頻；次聲波 1、概述 海嘯39是由海底地震、火山爆發(fā)或海底塌陷、滑坡等造成海底地殼的劇烈變化而造成海水劇烈的起伏，形成巨大的海浪，向前推進(jìn)，襲擊沿海陸地，造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失的一種不可控制的自然災(zāi)害。 雖然海嘯的發(fā)生頻率不高，但

2、是在毫無預(yù)警的情況下，它所帶來的災(zāi)害是幾乎毀滅性的。受海嘯嚴(yán)重危害的國家，乃至全世界都迫切需要可行的預(yù)警系統(tǒng)來減輕海嘯所帶來的危害。 本文在借鑒國內(nèi)外次聲波傳感器及水聽器研究的最新成果，將新型壓電材料pvdf應(yīng)用到低頻水聽器的設(shè)計中，實現(xiàn)對低頻次聲波信號的高精度檢測，進(jìn)而完成海岸預(yù)警，具有很大的現(xiàn)實、經(jīng)濟以及科學(xué)意義。 2、pvdf壓電薄膜及其特性 pvdf壓電薄膜主要有型與型兩種晶體結(jié)構(gòu)。pvdf以熔融狀態(tài)即可得到型晶體，但是型晶體的壓電性很小達(dá)不到要求，一般使用時都是先變換成型晶體。當(dāng)把pvdf壓電薄膜拉伸或使其受外力作用后，薄膜中本身不具有壓電性的型晶體結(jié)構(gòu)就會轉(zhuǎn)變成為型晶體結(jié)構(gòu)，由于來

3、自 cf2的永久雙極子排列的方向相同，所以此種晶體結(jié)構(gòu)是極性微晶。若將pvdf壓電薄膜極化后，整個pvdf壓電薄膜便產(chǎn)生了自發(fā)的極化性，在承受壓力或形變時，其極化面就會產(chǎn)生一定的電荷。pvdf壓電薄膜的兩種晶體結(jié)構(gòu)如圖所示： 在pvdf壓電薄膜晶體結(jié)構(gòu)中，因為cf2偶極子的朝向方向相同，分子的分子鏈在b軸方向呈平行排列，所以晶體結(jié)構(gòu)具有很大的自發(fā)極化性，其單體的偶極矩是，自發(fā)極化性強度ps是7.010-30cm-2。因此pvdf壓電薄膜晶體結(jié)構(gòu)為極性晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)它受到極化作用后，晶體結(jié)構(gòu)晶粒的b軸方向?qū)貥O化方向取向，從而使得pvdf壓電薄膜具有很強的壓電性35。而一般情況下，pvdf是晶體

4、與非晶體的混合物，而且結(jié)晶度一般在50%左右。因為型晶體結(jié)構(gòu)的能量最低，穩(wěn)定性最好，所以型晶體結(jié)構(gòu)是各類晶體結(jié)構(gòu)中最好的結(jié)構(gòu)。當(dāng)pvdf材料由液態(tài)冷卻形成pvdf薄膜時，pvdf壓電薄膜的晶體結(jié)構(gòu)都為型晶體結(jié)構(gòu)。由于型晶體結(jié)構(gòu)能量最低以及它的內(nèi)部各相間能量相差很小，所以在適當(dāng)?shù)臈l件下，型晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部各相間可以相互轉(zhuǎn)變。型晶體經(jīng)單軸拉伸可以轉(zhuǎn)變?yōu)樾途w后，pvdf材料就會有更強的壓電性。 壓電聚合物可應(yīng)用與多個領(lǐng)域，但是在水聲換能器方面的應(yīng)用最先實現(xiàn)，效果明顯，形式多樣，今后仍有很廣闊的前景。其優(yōu)越性能概括如下：成型能力好，強度高，柔性好，可彎曲成不同形狀的器件；薄膜的機械強度高，振動模式簡單，

5、易加工成大面積的樣品；薄膜具有韌性，既耐沖擊，又不易振裂；性能穩(wěn)定，壓電薄膜的性能不受濕度的影響；薄膜的特性阻抗比較低，薄膜的密度為1.78103kg/m3，重量輕，有利于器件小型化，又便于布置；壓電電壓常數(shù)（g常數(shù)）高，接受靈敏度較高；應(yīng)用頻率寬，在室溫從準(zhǔn)直流（0.03hz）至500mhz都可應(yīng)用且頻響平坦，易制成寬帶音頻、超聲、水聲接收換能器。 3、pvdf壓電薄膜水聽器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)對次聲波信號的分析，為了使水聽器具有很好的指向性，同時減少材料邊緣衍射波和水面反射波的干擾，可以對水聽器的結(jié)構(gòu)做加大處理，而這樣由使得聲波在水聽器和材料板之間發(fā)生了多次的反射。為了防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)計

6、出的水聽器要大面積型，且要有很好的透聲性。 在pvdf壓電薄膜水聽器的設(shè)計應(yīng)用中， pvdf壓電薄膜較為柔軟，剛度達(dá)不到要求，為了增加剛度，一般將薄膜粘接在背襯上；另外加上密封層是為了對薄膜其保護(hù)作用，多層的組合加工成換能器。故通常設(shè)計出的pvdf壓電薄膜水聽器是多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。 圖3中的pvdf薄膜層是由兩片pvdf薄膜粘貼而成的，兩片pvdf薄膜的拉伸方向根據(jù)需要可互相垂直，或互相平行。拉伸方向互相垂直的復(fù)合板近似橫向各向同性，且有最小的壓電耦合，可減小橫向模，使端射的影響降低。當(dāng)兩片拉伸方向互相平行時，與拉伸方向垂直的方向有低的靈敏度，流噪聲場沿該方向?qū)⒌玫揭种疲沟玫皖l響應(yīng)更為平坦。根據(jù)

7、本設(shè)計的要求，優(yōu)先選擇兩片pvdf薄膜拉伸方向互相平行。 在pvdf壓電薄膜兩邊加上合適的彈性層。內(nèi)彈性層一般是用金屬板、塑料板或纖維加強的復(fù)合板作為勁度層，用來改變整體結(jié)構(gòu)的橫向勁度，通過不同的材料和尺寸的選取，希望將橫向設(shè)計在感興趣的頻段以外。外彈性層一般是作為透聲層并保證水密，并盡可能的在阻抗上與水的阻抗相匹配，這樣可使水聽器的接收電壓響應(yīng)變得平坦，同時也是pvdf壓電薄膜的有效保護(hù)。故本文在設(shè)計中選取較為適宜的彈性層，使水聽器在工作頻率內(nèi)，輸出接近純厚度的振動模式和相對平坦的接收電壓靈敏度響應(yīng)。 4、總結(jié) pvdf壓電薄膜作為一種新型的高分子壓電材料，因具有高壓電性，寬頻段，性能穩(wěn)定，

8、低阻抗，特別是和水的阻抗很接近，而且可設(shè)計成任何形狀便于加工等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于聲納系統(tǒng)的換能器元件。低頻水聽器正是充分運用了pvdf壓電薄膜的這些特性，實現(xiàn)了低頻水聽器的高性能和高精度。 參考文獻(xiàn) 1 路德明.水聲換能器原理.山東：青島海洋大學(xué)出版社，2001. 2 李鄧化.新型壓電復(fù)合換能器及其應(yīng)用.北京： 科學(xué)出版社，2007. 3 欒桂冬.壓電高聚合物pvdf及其在水聲換能器中的應(yīng)用.工程聲學(xué)文集，北京大學(xué)出版社，1992. 4 bacon， david r. characteristics of a pvdf membrane hydrophone for use in the range 1-100 mhz，sonics and ultrasonics， ieee transactions on，volume： 29， issue： 1，jan. 1982，page（s）：18 - 25. 5 yiquan， yuan，a new multilayer planar pvdf standard hydrophone and its applications，ultrasonics， ferroelectrics and frequency control， ieee transactions on，volume：42