基于PVDF压电薄膜的矢量水听器研究
摘要
矢量水听器以其工作频率低、指向性良好、灵敏度高等优点，在水声工程各领域
得到了广泛的应用，尤其是矢量水听器自有的8字形指向性，使其在水听器阵列应用中
具有独特优势。但同振式结构在设计中既要求水听器整体平均密度与水介质密度相接
近，又要求其整体几何尺寸远小于上限工作频率对应的波长，因此，其内部核心器件
加速度计的尺寸和重量都要很小以满足设计要求。论文从压电材料入手，对比压电陶
瓷、压电单晶等密度相对较大的材料，选择密度低、质量轻的PVDF压电薄膜作为敏
感材料设计矢量水听器内部核心器件加速度计。
为了充分发挥PVDF压电薄膜材料的高柔顺性及高压电电压常数的优点，论文在
对由PVDF压电薄膜和金属基座组成的传统弯曲式加速度计进行分析的基础上，提出
了采用薄膜材料作基座设计新型膜结构弯曲加速度计的思路。因此，论文以边缘固支
边界条件下薄膜的自由振动理论为基础，利用COMSOLMultiphysics有限元分析软件
的膜物理场+固体力学+静电的多物理场耦合方法对多种薄膜基座结构的膜结构弯曲加
速度计进行了特征频率及灵敏度参数的仿真优化设计，得到了膜物理场下对薄膜基座
施加不同预应力时的仿真结果。仿真结果表明：采用薄膜基座设计PVDF压电加速度
计，不仅可以获得较小的尺度和较轻的质量，而且通过对膜基座施加不同的预应力可
以获得更高的工作频率或灵敏度。
同时，考虑到同振式矢量水听器的外形尺寸设计与工作频率的关系，论文从球形
和柱形矢量水听器在声场中的散射特性分析入手，利用COMSOL有限元分析软件研究
了矢量水听器进入声场后，在不同频率下其自身尺度所引起的声场畸变对矢量水听器8
字形指向性和灵敏度的影响。仿真结果表明：在ka接近1的情况下，矢量水听器仍具
有较好的8字形指向性，而灵敏度变化较大，从而为同振式矢量水听器的外形设计提供
了依据。
论文在理论分析和仿真优化设计的基础上研制了六只新型膜结构弯曲加速度计，
并且用环氧树脂与玻璃微珠的复合材料对矢量水听器进行配比，制作了两只单通道的
同振式矢量水听器。同时，在振动台上和驻波管中分别对加速度计灵敏度和矢量水听
器的灵敏度与指向特性进行了测试。测试结果表明：分别在20~1000Hz和20~500Hz
工作频带内，两只矢量水听器在100Hz处的声压灵敏度分别为-232dB和-226dB（0dB
re1V/μPa），基本符合每倍频程增加6dB的趋势，且具有良好的余弦指向特性。
哈尔滨工程大学硕士学位论文
关键词：同振式；矢量水听器；PVDF压电薄膜；薄膜基座
基于PVDF压电薄膜的矢量水听器研究
ABSTRACT
Vectorhydrophoneshavebeenwidelyusedinvariousfieldsofhydroacousticengineering
fortheiradvantagesoflowoperatingfrequency,gooddirectivityandhighsensitivity,especially
thevectorhydrophonesownfigure-of-eightdirectivity,whichgivesitauniqueadvantagein
hydrophonearrayapplications.However,co-osscillatingstructurerequiresboththeoverall
averagedensityofthehydrophonetobeclosetothedensityofthewatermediuminthedesign
anditsoverallgeometrytobemuchsmallerthanthewavelengthcorrespondingtotheupper