２）在声压Ｐ＝Ｐ００∞舛作用下，振膜在所受的周期性
外力乃＝（ｎＲ２）Ｐｏ哪“下作受迫振动．
３）设振膜单位面积的质量ｄ，ｋｇ／ｍ２。则振膜质量为 ｍ＝丌铲ｄ，根据牛顿定律得膜振动的微分方程
图５传感器阵列理论模型
根据ＰＶＤＦ薄膜与其他压电材料的对比研究，得知柔 软塑性的ＰＶＤＦ薄膜具有过去用的脆性而昂贵的晶体所不 能实现的新用途，对湿度、温度和化学物质高度稳定，机械 强度也较好，作为声定向传感器具有结构简单、重量轻、失 真小、稳定性高等优点，是比较理想的选择．
膜面的纵向振动，这种效应主要用于超声波的发生和接 收。用如来表示其厚度方向上的压电效应．ＰＶＤＦ的换能 模型如图２所示，由于两极问具有极高的绝缘电阻，因此。
由㈦０ ０三０ 由＝Ｉ Ｌ也ｌ
Hale Waihona Puke ０。０］ ０００Ｉ
如 ０ ０ ＯＪ
（），
ｃ２０
ＰＶＤＦ压电薄膜传感器可看成一个电荷发生器，或者一个
电容器，其电容值为
果在压电薄膜的２个电极上加以适当的交变电场，就会在 认为ＰＶＤＦ仅在拉伸和极化方向具有压电效应，其他方向
薄膜上同时产生２种振动形式．一种是与膜面平行的伸缩 振动，这种效应主要用于可听音域中的声波发生和接收。
都等于０，ｄ１５＝妇＊Ｏ．而如与如１、如相比也小一个数量
通常用如、如来表示它的横向压电效应．另一种是垂直于
２参量阵发射原理
参量阵［２］是在空气中再现声音的革命性的方法．它使 用超声频率来产生在空气中可听见的声束，当这些超声频 率在空气中传播时，将会发生一种非线性作用．这种非线 性作用产生了原先超声频率的和频率以及差频率．和频率 位于人类可听见的频率范围之外，而差频率是在空气中自 发产生的，并继承了超声波的高指向性．因此，这些可听见 频率就像光束一样在空气中传播．
０
０
０ ｄＬｓ
Ｄ＝嘞＝ｌ ０ ０ ０屯０ ０ ｌ
（１）
Ｌ如ｌ如如０ ０ ＯＪ
表Ｉ Ｉ曩Ｋ）Ｆ与其他几种压电材粹的性能比较
４ ＰＶＤＦ薄膜做声传感器的理论模型
在一般的应用中，使用的都是没有被激活的压电薄 膜，为了使其在超声波传感器中发挥作用，ＰＶＤＦ压电薄膜
必须被极化或激活．当在薄膜的两电极上加一交变电场
ｃ＝字
其中：Ａ为薄膜上镀铝电极面积；．ＩＩ为薄膜厚度；￡ｏ为真空 中的电容率；ｅ，为薄膜的相对电容率．
图２ ＰＶＤＦ换能模型
图３ ＰＶＤＦ微单元压电特性
ＰＶＤＦ经拉伸极化后的一个微单元，其压电特性如图
Ｖ
３，分析３个方向的面产生的电荷，对应力矢量Ｆ＝
＜ｄｌ盯２盯３ｒｌＴ２Ｔ３，，则其压电常数矩阵为
ｒ ｏｉ ０
ＩＩ
被拉伸，张紧截面．如图４所示．
舯出譬【（小∽２＋４榭】’专加蝴为
金属盘ＰＶＤＦ膜
产生谐振时振幅Ａ应为最大，令＿ｄＡ＝０得到谐振频率
魄＝￣／ｉ丽，当阻尼．｜｝：ｏ时，畔：ｄａ咖● ，这时振幅Ａ趋于
无穷大；即
图４圃膜结构振动
．
振膜的边缘被固定在刚性的圆环上，当膜静止时，膜
各处的张力均为ｒ，单位为Ｎ／ｍ；当膜振动时，中心处振幅
在媒质中，由声源发射２个频率分别为．＾和．尼，共轴
图１参量阵发射原理
３ ＰＶＤＦ做声定向压电薄膜的优越性
３．１ ＰＶＤＦ膜的压电特性 自从１９６９年Ｋａｗａｉ发现其具有很强的压电性以后，几
十年来，人们对ＰＶＤＦ薄膜的应用研究一直没有中断．而且 ＰＶＤＦ与微电子技术相结合，能制成多功能传感元件．ＰＶＤＦ 材料可用热成形法加工成膜状、管状和粒状，其中以薄膜
·收稿日期：２００８—０８—０７ 作者简介：李荣祥（１９８３一），男，河北沧州人（满族），硕士研究生，主要从事声音定向技术研究．
万方数据
李荣祥，等：一种新型声传感器在声定向技术中的理论８３ ＿＿●—●＿——＿＿＿—●—＿—●—●———＿－—＿＿●＿—＿——＿—＿＿—●●＿＿＿＿●－＿＿＿●—●＿＿＿＿＿－＿—＿—●＿●●＿———●—＿＿●●－＿●—＿●——●＿●——●●●——＿—●＿●—＿—＿————一Ｉ●＿—●—＿－＿＿一
谐振频率，理论上分析了其作为声定向传感器阵列的可实施性及优越性，为进一步设计传感器提供理沦基础．
关键词：ＰＶＤＦ薄膜；传感器；声定向；参量阵
中图分类号：ＴＰ２１２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６—０７０７（２００Ｓ）０６—００８２—０３
１声定向技术
声频定向技术是一种可以使声音沿指定方向、指定角 度范围传播的装置，没有传统的机壳．相对而言，由于声频 定向是用完全不同的手段在空气中间接创造声波，此技术 近年来得到了越来越多的关注．自１９７５年以来，超声波传 感器在声定向系统中的应用就已得到关注，近十年来国际 上声定向系统的研制正在由初级阶段向成品化转化【ｌ】１．美 国ＡＴＣ公司已经利用这种技术研制了声定向扬声器ＨＳＳ， 并投向市场，但是由于传感器真空的泄露，导致放大器谐 振频率与传感器频率不匹配而使系统失去定向性．同一时 期，美国麻省理工学院的Ｐｏｍｐｅｉ也在进行相关研究，他的 研究对传感器作了更进一步优化，提高了放大器的性能和 效率．ＰＶＤＦ又名聚偏氟乙烯（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄ ｐｏｌｙｍｅｒ） 是一种新型的高分子聚合物型传感材料．这种高分子压电 薄膜的机电耦合系数虽然不高，但它具有明显的薄而柔软 与不易破碎，以及与空气的声阻抗可配性，进而获得了人 们的关注与广泛的应用．
最大，越远离中心，振幅渐小，到了边缘，振幅为零，整个膜
片像一高度不断变化的“球冠”．
４．１简化模型
此处所讲的膜的振动。其振幅非常小，膜边缘出的张
力仍为静态时的张力．所以将膜简化成一个整体，由此作
用在它边缘的合力，。可表示为某点竖直分力与膜周长的 乘积．
Ｆｌ。２ｎＲＴｈ＝２ｎＲＴｓｉｎａ
（３）
设膜中心离开平衡位置的位移为“，在振幅微小时，ｓｉｎａ—
得到膜的谐振频率为
５结束语
结合给出的理论模型的微分方程及谐振频率，可以设 计如图５所示的声定向传感器阵列，为进一步设计实物奠 定了理论基础．
负号表示局始终与珏的方向相反．Ｆｔ就是振膜作为一个 整体振动时的恢复力．设振幅是沿半径ｒ方向的函数口（ｒ）， 则整个振膜振幅的平均值为
Ａ：【ｒ８（ｒ）ｄｒ】／霆
参考文献(4条)
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3.赵东升 PVDF压电薄膜传感器的研制[期刊论文]-物理测试 2007(01) 4.欧阳毅;郑虎鸣 微小振幅的圆形振膜的受迫振动[期刊论文]-电声技术 2004(01)
时，被极化的压电膜沿一条轴改变长度进行伸纠４｜，由此
建立一个薄膜模型，假设一张圆形的压电膜自然固定在一 个金属托盘上，在膜的两面加电压后，膜被极化产生振动
万方数据
８４
Ｉ———·ｌ＿——－———四·川 ——兵 ｌ—工 —Ｉ学 Ｉ＿ 报 ———－！，！—————·———＿—－————Ｉ＿－—Ｉ—！，■！
第 ＿＿＿·２—·９—卷＿—＿第 ＿‘·６—期 ——＿—＿—－＿——·＿＿—＿—－———＿＿—＿·——··四 ———川 ＿＿＿·兵 ＿——工 ——·学 ＿——报 －＿——＿—·＿———————·＿—————＿——＿＿·２一０Ｉ０Ｉ—８—年Ｉ一１—２—月Ｉ Ｉ
【兵器与装备】
一种新型声传感器在声定向技术中的理论。
（５）
作为一种近似，可将振膜简化成一同样半径的刚性薄板，
薄板边缘受的恢复力即式（４）中的＾．圆膜半径张力的微 小变化属膜的内力，只对球冠形状有影响，与膜的整体振
动无关．膜的简化模型的振幅就是式（５）中的Ａ． ４．２圆膜的振动微分方程及谐振频率
１）振膜振动受到的空气阻力为
ｊ一
，２＝一（丌砰）刁号兰
（６）
本文读者也读过(10条) 1. 樊斌.章东.颜永生.王焕磊.龚秀芬 非线性声参量阵成像系统设计[期刊论文]-仪表技术与传感器2002(10) 2. 张德银.ZHANG Deyin 参量扬声器DSB法的互调失真研究[期刊论文]-声学技术2009,28(4) 3. 叶超.匡正.马登永.杨军 高指向性声频声源的阻抗匹配[会议论文]-2007 4. 郭晓科.朱国军.汤泽军.GUO Xiao-ke.ZHU Guo-jun.TANG Ze-jun 基于声学参量阵一种机场驱鸟新方法的探究 [期刊论文]-电脑知识与技术2010,06(15) 5. 聂新华.潘衡岳.潘仲明.郭伟.NIE Xinhua.PAN Hengyue.PAN Zhongming.GUO Wei 基于LabVIEW的参量阵测试系 统设计[期刊论文]-现代电子技术2009,32(13) 6. 张维.匡正.叶超.吴鸣.杨军 高指向性声频声源中PVDF膜换能器的阻抗匹配[会议论文]-2009 7. 叶超.匡正.纪伟.姬培锋.杨军.YE Chao.KUANG Zheng.JI Wei.JI Pei-feng.YANG Jun 多通路高指向性声频声源 的实验研究[期刊论文]-声学技术2007,26(5) 8. 聂新华.潘衡岳.Nie Xinhua.Pan Hengyue 声学参量换能器阵及其测试系统设计[期刊论文]-计算机测量与控制 2009,17(12) 9. 叶超.吴鸣.武帅兵.黄晨曦.杨军 参量阵差频声波指向性的研究[会议论文]-2009 10. 吴培荣.李颂文.WU Pei-rong.LI Song-wen 参量阵声纳的新应用分析[期刊论文]-声学技术2010,29(1)
状用得较多．当肿Ｆ聚合物从融熔状态冷却时，主要生成
口相ＰＶＤＦ晶体，无压电效应，但经拉伸和高压极化后。形
成卢相，具有很强的压电效应．Ｊ９晶型结构是极性晶体，当
受外力作用时，薄膜变形。极性晶体发生位移，它在膜的两 极产生的感生电荷不再平衡，即宏观上产生压电效应．如
Ｆ＇ｖ－ＤＦ仅对少数几个方向的力产生压电效应，且ｄ岱＝屯， 其绝对值较西ｌ、如小近２个数量级，所以具体应用时可以