球型針尖式水聽器

球型針尖式水聽器與針尖式水聽器的 製作方式相似，不同的地方在於金屬棒前 端改為球面結構，另外為了防止擠壓PVDF 時所產生的皺折，在設計時縮小金屬圓管 前端的開口孔徑，當擠壓 PVDF 時，利用 金屬棒前端與金屬圓管對 PVDF 產生的張 力消除皺折現象，圖14 為球型針尖式水聽 器組合示意圖，圖15 為其實體圖與前端細 部結構圖。本研究所使用的 PVDF 厚度為 25 µm，設計的球面曲率半徑為 0.63 mm，

感測面積開口直徑為1.13 mm。

圖14 球型針尖式水聽器組合示意圖

圖15 球型針尖式水聽器實體圖

3.6 放大電路設計

3.6.1 電壓放大器(Voltage Amplifier)

以 OPA657 製作電壓放大器，此信號 放大器為一個負回授正向放大器，圖16 為 電路示意圖。設計輸入阻抗 R

1

為 10MΩ，

可大幅增加時間常數，達到降低截止頻率 的效果，依此設計之放大倍率為35.3dB(1+

R

3

/ R

2

)，頻寬約為 27.4MHz。C

1

～C

4

主要 目的是將輸入直流電壓源濾波及穩壓。圖 17 為電壓放大器實體圖。

圖16 電壓放大電路示意圖

圖17 電壓放大器實體圖

3.6.2 電荷放大器(Charge Amplifier)

PVDF 壓電薄膜可等效成一電壓產生

器串聯一個電容，如圖18 中以虛線框起部 分，C

s

是壓電薄膜之等效電容，而R

L

為信 號放大器之輸入阻抗，此等效電路即為一 RC 電路，因此當頻率越大時，電壓加載在 R

L

上，信號放大器之電壓值越接近V

S

，反 之，頻率越低，加載在信號放大器的信號 越小，甚至無信號，而截止頻率與 PVDF

壓電薄膜有關。為了解決此一問題，本節 以 AD745 製 作 一 電 荷 放 大 器 (charge amplifier)，電路示意圖如圖 19 所示，圖 20 為電荷放大器實體圖。電荷放大器原理是 將PVDF 壓電薄膜產生的電荷 Q (Q=C

s

V

s

) 轉 移 至 電 容 C

f

上 ， 因 此 得 到 輸 出 電 壓 V

out

=Q/C

f

=C

s

V

s

/C

f

，其中 C

s

/C

f

即為放大倍 率，將1mm 直徑的 PVDF 感測面積等效為 電容300pF，設計電容C

f

為15pF，得到放 大倍率為 26 dB，而截止頻率與設計電容 C

f

，與 PVDF 壓電薄膜無關。圖 21 是以 Mulitsim 模擬所得到的結果。經過實驗證 實在低頻時，電荷放大器量測的到訊號，

而電壓放大器是量測不到的，如圖22。

圖18 等效電路示意圖

圖19 電荷放大器之電路示意圖

圖20 電荷放大器實體圖

圖21 電荷放大器頻率響應圖

圖22 低頻量測結果 四、實驗方法與實驗架構

4.1 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

之針尖式水聽器靈敏 度曲線圖

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

之鼓膜式水聽器靈敏 度曲線圖

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

4.2 水聽器方向性量測

用水聽器量測時，若水聽器放置位置 與入射聲波並非正向入射時，會因為方向 性的關係，導致所量測到的靈敏度偏低，

影響到實驗量測的準確性，因此本小節的 研究重點在於以實驗量測水聽器的方向 性，並與水聽器方向性模擬結果做比較。

方向性實驗架構與靈敏度量測系統相似，

不同的是將針尖式水聽器固定於一可以調 整角度的載台上，如圖 31 所示，圖 32 為 方向性實驗裝置圖。之後調整針尖式水聽 器的角度，每 2 度記錄一次波形。量測聲 源頻率為5 MHz、10 MHz。圖 33、圖 34 分別為不同頻率下，針尖式水聽器方向性 理論模擬與實驗量測結果的比較。

從圖上可以看出方向性理論模擬的曲 線與實驗趨勢一致。圖35、圖 36 分別為不 同頻率下，鼓膜式水聽器方向性理論模擬 與實驗量測結果的比較，所測試的鼓膜式 水聽器感測面積有1 mm

²

、2 mm

²

。

圖31 方向性實驗架構圖

圖32 方向性實驗裝置圖

0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0

D ir e c t i v it y ( f r e q u e n c y = 5 M H z )

1 m m n e e d l e s i m u l a t e 2 m m n e e d l e s i m u l a t e 1 m m n e e d l e e x p e r im e n t 2 m m n e e d l e e x p e r im e n t

A n g le , ( d e g r e e )

圖33 5 MHz 下針尖式水聽器實驗與模擬 方向性曲線比較圖

0

0

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在文檔中 水下聲響感測器實作應用整合型研究-子計畫二：PVDF壓電式水中聽音器的研究發展與應用(II) (頁 11-0)