水聽器靈敏度量測

本節研究水聽器的靈敏度對頻率的曲 線圖。實驗量測頻率範圍設定在1～20 MHz 之內，由於當作發射聲源的平面式換能器 頻寬有限，所以主要是使用多個換能器進 行實驗量測；實驗方法為在相同掃描深度 之下，先以Precision Acoustics Ltd.（Dorset, UK, www.acoustics.co.uk）製造且已校正的 商用水聽器SN518進行聲壓量測，再將自製 水聽器置入相同聲壓場中進行量測，以標 準參考用的SN518校正之，此實驗方法稱之 為簡單型替代式實驗，實驗架構如圖23所 示。

圖23 靈敏度量測實驗架構圖

首先對類針尖式水聽器量測其靈敏度 曲線，在同一種厚度的壓電薄膜之下，感 測面積大小對靈敏度的影響繪製成圖 24；

縱軸為靈敏度，橫軸為量測頻率。由圖中 可發現，感測面積越大則靈敏度越高；造 成如此的現象可能是來自於：PVDF 水聽器 的感測區會感測到聲壓而產生微小電流，

此電流會經由電極、放大電路、同軸電纜，

最後流至示波器，因此整體水聽器的電容 就會影響輸出電壓，也就是靈敏度曲線；

不同面積的感測區可視為不同的電容，再 加上後端電路的電容，水聽器整體電容也 會隨之不同，所以造成實驗量測出的靈敏 度趨勢。由於曲線在低頻之處會呈現震盪 的現象，與文獻[41]內所實驗量的曲線趨勢 相近，如圖 25；此一震盪現象是因為當針 尖式水聽器在一個聲壓場中，聲波傳至前 端的感測區邊緣後，會隨著表面波傳，而 這類的波傳會對正射入感測區的波造成干 涉影響，所以實際上量得的壓力為兩者的 總和，如圖26 所示；此壓力會隨著頻率而 震盪，即本論文中所量得的曲線趨勢。

圖 27 則為觀察同一種感測面積下，

PVDF 厚度對靈敏度之影響。根據第 2.1 節 模擬的結果，壓電薄膜厚度越大則靈敏度 越大；而實驗結果也證實了模擬的結果。

由針尖式水聽器所有的結果圖中可以觀察 出，靈敏度曲線圖沒有像SN518 商用水聽 器有如此平坦的區域，且會隨著感測面積 加大或是壓電薄膜厚度加大，而使得曲線 在較高頻的區域會陡降的越快，可能原因 是來自於電路板上的銅箔與 PVDF 之聲學 阻抗相差太大，波傳到兩者介面時，因為 反射信號太強，所以降低 PVDF 感測器之 接收頻寬。因此，後面所介紹的鼓膜式水 聽器實驗量測，因為兩邊介質均為水，所 以靈敏度曲線圖會比針尖式水聽器平坦許 多；值得注意的是，雖然靈敏度曲線不是 很平坦，但是仍和商用水聽器處在同一等 級中，所以只要在針尖式水聽器之設計與 製作上做些改進，相信能得到與商用水聽 器相同的特性。

圖24 PVDF 厚度 28 µm 之針尖式水聽器 靈敏度曲線圖

圖25 針尖式水聽器靈敏度曲線圖[41]（感 測區直徑0.6 mm）

圖26 針尖式水聽器接收壓力示意圖[41]

圖27 感測區 4 mm

²

圖28、圖 29 為鼓膜式水聽器實驗結果 整理圖，縱軸為靈敏度，橫軸為量測頻率。

將在同一種開口大小之下，感測面積大小 對靈敏度的影響繪製成圖 28，由圖中可觀 察得知，實驗結果與針尖式水聽器量測到 的結果相同，感測區面積越大則靈敏度越 高。圖29 為固定同一種感測面積，觀察開 口大小對靈敏度的影響，從實驗得到的曲 線圖可得知，鼓膜開口大小對靈敏度的影 響不大。

圖28 開口 30 mm 之鼓膜式水聽器靈敏度 曲線圖

圖29 感測區 9 mm

²

圖30 為感測面積直徑 1 mm、2 mm 與 球型針尖式水聽器靈敏度對頻率的曲線 圖，從圖上同樣可以看出直徑2 mm 靈敏度 比1 mm 高，曲線也會有震盪現象。而球型 針尖式水聽器在頻率變高時，靈敏度會隨 著降低，這是因為頻率越高波長越小，所 以波長干涉情況會越嚴重，以致於靈敏度 變低。雖然靈敏度在高頻時比針尖式水聽 器低，卻改善了水聽器的方向性。另外，

在低頻 (1~3MHz) 時球型針尖式水聽器靈 敏度比針尖式來的高，原因是頻率越低時 波長越大，波長干涉情況較小，且球型針 尖式水聽器實際感測面積較針尖式來的 大，因此其靈敏度較高。雖然高頻時靈敏 度較低，但只要加大球型針尖式的曲率半 徑便能改善此一現象。因此，可以根據實 際情況設計出合適的水聽器。

-275 -270 -265 -260 -255 -250 -245

0 5 10 15 20

Sensitivity

1 mm hydrophone 2mm hydrophone ball-shape hydrophone

Sensitivity, (dB re. 1 V / μPa)

Frequency, (MHz)

圖30 感測面積直徑 1 mm、2 mm 與球型 針尖式水聽器之靈敏度曲線圖