新型压电材料在低频水听器中的应用
1、概述
海啸[39]是由海底地震、火山爆发或海底塌陷、滑坡等造成海底地壳的剧烈变化而造成海水剧烈的起伏，形成巨大的海浪，向前推进，袭击沿海陆地，造成巨大的人员伤亡和财产损失的一种不可控制的自然灾害。
虽然海啸的发生频率不高，但是在毫无预警的情况下，它所带来的灾害是几乎毁灭性的。受海啸严重危害的国家，乃至全世界都迫切需要可行的预警系统来减轻海啸所带来的危害。
本文在借鉴国内外次声波传感器及水听器研究的最新成果，将新型压电材料PVDF应用到低频水听器的设计中，实现对低频次声波信号的高精度检测，进而完成海岸预警，具有很大的现实、经济以及科学意义。
2、PVDF压电薄膜及其特性
PVDF压电薄膜主要有α型与β型两种晶体结构。PVDF以熔融状态即可得到α型晶体，但是α型晶体的压电性很小达不到要求，一般使用时都是先变换成β型晶体。当把PVDF压电薄膜拉伸或使其受外力作用后，薄膜中本身不具有压电性的α型晶体结构就会转变成为β型晶体结构，由于来自 CF2的永久双极子排列的方向相同，所以此种晶体结构是极性微晶。若将PVDF压电薄膜极化后，整个PVDF压电薄膜便产生了自发的极化性，在承受压力或形变时，其极化面就会产生一定的电荷。PVDF压电薄膜的两种晶体结构如图所示：
在PVDF压电薄膜β晶体结构中，因为CF2偶极子的朝向方向相同，分子的分子链在b轴方向呈平行排列，所以β晶体结构具有很大的自发极化性，其单体的偶极矩是，自发极化性强度Ps是7.0×10-30Cm-2。因此PVDF压电薄膜β晶体结构为极性晶体结构，当它受到极化作用后，β晶体结构晶粒的b轴方向将会沿极化方向取向，从而使得PVDF压电薄膜具有很强的压电性[35]。而一般情况下，PVDF是晶体与非晶体的混合物，而且结晶度一般在50%左右。因为α型晶体结构的能量最低，稳定性最好，所以型晶体结构是各类晶体结构中最好的结构。当PVDF材料由液态冷却形成PVDF薄膜时，PVDF压电薄膜的晶体结构都为α型晶体结构。由于α型晶体结构能量最低以及它的内部各相间能量相差很小，所以在适当的条件下，型晶体结构内部各相间可以相互转变。α型晶体经单轴拉伸可以转变为β型晶体后，PVDF材料就会有更强的压电性。
压电聚合物可应用与多个领域，但是在水声换能器方面的应用最先实现，效果明显，形式多样，今后仍有很广阔的前景。其优越性能概括如下：成型能力好，强度高，柔性好，可弯曲成不同形状的器件；薄膜的机械强度高，振动模式简单，易加工成大面积的样品；薄膜具有韧性，既耐冲击，又不易振裂；性能稳定，压电薄膜的性能不受湿度的影响；薄膜的特性阻抗比较低，薄膜的密度为1.78×103kg/m3，重量轻，有利于器件小型化，又便于布置；压电电压常数（g常数）高，接受灵敏度较高；应用频率宽，在室温从准直流（0.03Hz）至500MHz都可应用且频响平坦，易制成宽带音频、超声、水声接收换能器。
3、PVDF压电薄膜水听器的结构设计
根据对次声波信号的分析，为了使水听器具有很好的指向性，同时减少材料边缘衍射波和水面反射波的干扰，可以对水听器的结构做加大处理，而这样由使得声波在水听器和材料板之间发生了多次的反射。为了防止上述现象的发生，设计出的水听器要大面积型，且要有很好的透声性。
在PVDF压电薄膜水听器的设计应用中， PVDF压电薄膜较为柔软，刚度达不到要求，为了增加刚度，一般将薄膜粘接在背衬上；另外加上密封层是为了对薄膜其保护作用，多层的组合加工成换能器。故通常设计出的PVDF压电薄膜水听器是多层复合结构。
图3中的PVDF薄膜层是由两片PVDF薄膜粘贴而成的，两片PVDF薄膜的拉伸方向根据需要可互相垂直，或互相平行。拉伸方向互相垂直的复合板近似横向各向同性，且有最小的压电耦合，可减小横向模，使端射的影响降低。当两片拉伸方向互相平行时，与拉伸方向垂直的方向有低的灵敏度，流噪声场沿该方向将得到抑制，使得低频响应更为平坦。根据本设计的要求，优先选择两片PVDF薄膜拉伸方向互相平行。
在PVDF压电薄膜两边加上合适的弹性层。内弹性层一般是用金属板、塑料板或纤维加强的复合板作为劲度层，用来改变整体结构的横向劲度，通过不同的材料和尺寸的选取，希望将横向设计在感兴趣的频段以外。外弹性层一般是作为透声层并保证水密，并尽可能的在阻抗上与水的阻抗相匹配，这样可使水听器的接收电压响应变得平坦，同时也是PVDF压电薄膜的有效保护。故本文在设计中选取较为适宜的弹性层，使水听器在工作频率内，输出接近纯厚度的振动模式和相对平坦的接收电压灵敏度响应。
4、总结
PVDF压电薄膜作为一种新型的高分子压电材料，因具有高压电性，宽频段，性能稳定，低阻抗，特别是和水的阻抗很接近，而且可设计成任何形状便于加工等优点被广泛应用于声纳系统的换能器元件。低频水听器正是充分运用了PVDF压电薄膜的这些特性，实现了低频水听器的高性能和高精度。
