第章水聽器測(cè)聲場(chǎng)聲功率-陸明珠方莉

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1、第1章水聽器測(cè)量超聲換能器輻射聲壓、聲功率1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)PVDF（聚偏氟乙烯）針式水聽器（PVDFNeedleHydrophone）、膜式水聽器（MembraneHydrophone）、光導(dǎo)纖維水聽器（FOPH,FiberOpticProbeHydrophone）的聲壓測(cè)試原理和輻射力天平測(cè)量聲功率的測(cè)試原理，將其用于測(cè)量超聲換能器輻射聲壓和聲功率。2、用PVDF針式水聽器、膜式水聽器HMA-0200、光導(dǎo)纖維水聽器FOPH2000測(cè)量單陣元聚焦超聲換能器的輻射聲壓，掌握實(shí)驗(yàn)步驟和過程。3、比較三種水聽器的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。1.2數(shù)學(xué)物理原理1.2.

2、1PVDF針式水聽器（PVDFNeedleHydrophone）[1]水聽器是把水下聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器。當(dāng)壓電材料上的壓力(聲擾動(dòng))發(fā)生變化時(shí)，壓電材料內(nèi)部的電荷分布就會(huì)成比例地發(fā)生變化并且會(huì)以電壓信號(hào)的形式體現(xiàn)出來，因此可通過壓電元件表面上的電極提取這些電荷，經(jīng)電壓放大器或電荷放大器放大后，由信號(hào)處理示波器顯示出能反映聲波波形的圖像,這樣就以很直接的方法完成了超聲聲場(chǎng)中聲壓的測(cè)量。目前所采用的水聽器主要有PVDF（PolyvinylideneFluoride）針式水聽器，PVDF膜式水聽器以及光導(dǎo)纖維水聽器FOPH。PVDF材料由于靈敏度高和聲阻

3、抗優(yōu)在電聲換能器得到廣泛應(yīng)用。下面首先介紹PVDF針式水聽器。顧名思義，PVDF針式水聽器是針形的。針式水聽器由于直徑很小因而可檢測(cè)測(cè)量點(diǎn)的聲壓，實(shí)際上是針式水聽器直徑尺寸范圍的平均聲壓；原則上針式水聽器的直徑越小越好，至少小于聲場(chǎng)的1個(gè)波長(zhǎng)，如15MHz的聲場(chǎng)，則針式水聽器的直徑要小于0.1mm。針式水聽器是測(cè)量聲場(chǎng)和聲壓的首選換能器（一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量工具），適合連續(xù)波和脈沖波的測(cè)量。針式水聽器針尖上有一層通常為幾個(gè)微米厚的PVDF薄膜，現(xiàn)在可以做到9－28μm的膜厚，這層薄膜就相當(dāng)于一個(gè)高靈敏度的壓電換能器，能將接收到的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，目前換能

4、器直徑可做到40μm－1mm，在1－35MHz頻率范圍針式水聽器具有平坦的測(cè)量特性。針式水聽器及其原理圖如下所示：(a)針式水聽器外觀圖(b)針式水聽器原理結(jié)構(gòu)圖圖1.1針式水聽器結(jié)構(gòu)及外形[1]由于水聽器針尖的聚偏氟乙烯薄膜非常脆弱，因此使用針式水聽器時(shí)注意不能用手或任何其他物體碰水聽器針尖。清洗水聽器時(shí)，用蒸餾水輕輕沖洗。14針式水聽器最大的優(yōu)點(diǎn)是：水聽器體積非常小，不會(huì)對(duì)測(cè)試聲場(chǎng)造成大的干擾，同時(shí)靈敏度高，使用方便，價(jià)錢相對(duì)于膜式水聽器和FOPH水聽器來說便宜。通常針式水聽器使用時(shí)需要配以水浸式前置放大器，DC耦合器以及水聽器輔助放大器。它們分別介紹如

5、下：圖1.2針式水聽器前置放大器前置放大器（SubmersiblePreamplifier）的作用是放大水聽器接收到的聲信號(hào)。直流耦合（DCCoupler）的作用是提供直流電壓，驅(qū)動(dòng)前置放大器；以及作為前置放大器和測(cè)量系統(tǒng)之間的聲信號(hào)耦合器。由于水聽器的輸出信號(hào)一般非常微弱，因此在將其輸入采集和顯示系統(tǒng)前，通常還需要經(jīng)過一個(gè)水聽器輔助放大器，進(jìn)一步放大水聽器接收到的聲信號(hào)。1.2.2PVDF膜式水聽器（PVDFMembraneHydrophone）[1]PVDF膜式水聽器主要為測(cè)量脈沖波聲場(chǎng)而設(shè)計(jì)的，所以這里注意適合寬帶的脈沖聲場(chǎng)不適合連續(xù)波，是二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量

6、工具。PVDF膜式水聽器是寬頻換能器可用于脈沖、諧波等非線性分析。PVDF膜式水聽器的帶寬為0.5-45MHz.PVDF膜式水聽器的原理與針式水聽器類似，都是通過PVDF薄膜感受壓力的變化，從而將聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。但它們的構(gòu)造不同。針式水聽器是針尖狀的，只有針尖覆蓋有一層幾微米厚的薄膜。而膜式水聽器構(gòu)造如下圖所示：14圖1.3PVDF膜式水聽器外觀圖膜式水聽器由單層或多層、幾個(gè)到十幾個(gè)微米厚的PVDF薄膜張開在一個(gè)一定直徑的圓形支架上，采用真空沉積技術(shù)在薄膜兩側(cè)各鍍上一層金屬作為傳導(dǎo)電極，它們的重疊部分即為對(duì)聲敏感的感應(yīng)單元。感應(yīng)單元的幾何尺寸就是膜式

7、水聽器的有效孔徑尺寸。膜式水聽器通過感應(yīng)單元來感應(yīng)聲壓的變化，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，而兩個(gè)電極可以將電壓信號(hào)傳遞出去。一般膜式水聽器通過孔徑尺寸來進(jìn)行命名，如HMA-0200指的是ONDA公司生產(chǎn)的HMA系列孔徑為0.2mm的膜式水聽器。膜式水聽器適合于測(cè)試脈沖超聲場(chǎng)，因?yàn)榇藭r(shí)需要換能器頻帶寬，且響應(yīng)均勻，而膜式水聽器的靈敏度在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)基本上保持一致，因而能很好地重現(xiàn)聲波的形狀。它的優(yōu)點(diǎn)有：靈敏度高、寬帶寬、密封設(shè)計(jì)、內(nèi)置前置放大器和孔徑可選。它的一個(gè)缺點(diǎn)是體積大，對(duì)測(cè)試聲場(chǎng)可能會(huì)造成干擾；因?yàn)橛捎陧憫?yīng)面積大，由此導(dǎo)致的空間平均效應(yīng)也會(huì)使得測(cè)試結(jié)果

8、不準(zhǔn)確。同時(shí)測(cè)試的聲壓幅值也不能過大，否則會(huì)損壞PV