行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
■ 成 果 報 告
□期中進度報告
PVDF 壓電式水中聽音器的研究發展與應用
Development and Application of PVDF Piezoelectric
Hydrophone
計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫
計畫編號：
NSC 93 – 2611 – E – 006 - 022
執行期間：
93 年 8 月 01 日至 95 年 7 月 31 日
計畫主持人：李永春 國立成功大學機械工程學系 副教授
計畫參與人員：
黃祥紋、邱巨霖
國立成功大學機械系
研究生
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
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■涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢
執行單位：
中 華 民 國 年 月 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
PVDF 壓電式水中聽音器的研究發展與應用
Development and Application of PVDF Piezoelectric Hydrophone
計畫編號：NSC 93-2611-E-006-022
執行期限：93 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日
主持人：李永春
國立成功大學機械系副教授
計畫參與人員：黃祥紋、邱巨霖 國立成功大學機械系研究生
中文摘要
本計畫之研究重點是PVDF 高分子壓電薄膜為研究主體，探討其在水中聲波感測器上 的應用潛力。目前正在進行中之計畫偏重水中聽音器的設計製作與實驗測試，而本計畫之 研究重點則是：理論分析、程式模擬、標準校正、系統組裝、與實際應用，以建立以PVDF 為主的水中聽音器(hydrophone)與相關技術，並且針對種不同頻率範圍的工程應用，發展數 種不同類型的水中聽音器，同時以現有之學術界與實務上經常使用之標準化水中聽音器為 比較對象，進行實驗測試與校正研究；除了藉以了較自製之PVDF 水中聽音器的功能特性， 並將建立國內水中聽音器的標準校正技術與能力。最後，配合其它子計畫的研究進度與成 果，發展水中聽音器的各項應用，將所發展之PVDF 中聽音器置於實際的狀況中進行測試， 以驗證其應應用價值。具體之應用研究包括：水下通訊、水中聲源偵測與定位、船體聲紋 與空蝕信號量測、陣列式高頻超音波感測、與超音波探頭校正。 水中聽音器的應用範圍相當廣泛，除了海洋工程與水下聲學的應用外，並可擴及於工 業感測器、醫用超音波、非破壞性檢測等等。傳統的水中聽音器以壓電晶體與壓電陶瓷為 主，近幾年來，新興的技術則包括高分子壓電薄膜(例如 PVDF)與光纖式二種。針對水中聽 音器而言，高分子壓電薄膜具有以下優點：與水的聲學阻抗接近、非常好的橈性與可變形 性、非常高的機械韌性、與傳統之壓電元件的感測原理與電路相同、材料之多樣性與取得 容易、加工容易且利於製作陣列式感測器等等，因此成為本研究計畫之主題。希望經由本 計畫之執行，建立國內獨立自主的水中聽音器研發實力與能量，並以所發展的成品與技術， 支援相關的學術研究與工業應用。 關鍵詞：高分子壓電材料、聲波感測、水中聽音器、校正，超音波Abstract
We will continuously investigate the potential of piezoelectric polymer materials, such as PVDF, as a sensing element for under water acoustic wave measurements. The undergoing project focuses on the design, fabrication, and experimental testing of the PVDF hydrophone transducers. The main subjected of this continuing investigation will be theoretical analysis and modeling, computer software simulation, standard calibration, and system integration. To solidify this research work, a number of PVDF hydrophones for different frequency range and various application areas will be designed and fabricated. A comparison will be made between the laboratory-developed PVDF hydrophones and their commercialized counterparts that are widely accepted and used in academia and industries. A series of experimental testing will be carried to understand the performance of the PVDF hydrophones. Standard calibration procedures and systems will be established, and will be applied to the developed PVDF hydrophone. Finally, the PVDF hydrophone will be integrated with the hardware systems developed by other component projects for field tests in several applications, including underwater communication, acoustic source detection and location, acoustic radiation pattern from a vessel, air bubble cavitation phenomena, array ultrasound measurement, and ultrasound transducer calibration.
The significance of this research work resides in the importance of hydrophones for all kinds of researches and engineering applications. Besides ocean engineering and under water acoustics, there are many other research applications such as marine biology, industrial sensing and inspection, non-destructive evaluation, medical and therapy application, ultrasound field sensing and transducer calibration, etc. And hydrophone is the key element to all these studies. It is the goal of this 3-year research project to lay down a solid foundation for underwater acoustic sensing technology based on piezoelectric polymer materials, and to acquire comprehensive knowledge on PVDF hydrophones.
Key Word: Piezoelectric Polymer, PVDF, Underwater, Acoustic Sensing, Hydrophone, Sensor Calibration
目錄
摘要... Ⅰ Abstract... Ⅱ 目錄... Ⅲ 一、 導論... 1 1.1 背景與目的... 1 1.2 文獻探討... 1 二、 理論與模擬分析... 2 2.1 PVDF 水聽器的模擬分析... 2 2.2 方向性理論與模擬... 3 2.2.1 針尖式水聽器方向性... 3 2.2.2 球型針尖式水聽器方向性... 4 三、 設計與製程... 5 3.1 儀器設備... 5 3.2 鼓膜式水聽器... 5 3.3 類針尖式水聽器... 6 3.4 針尖式水聽器... 6 3.5 球型針尖式水聽器... 7 3.6 放大電路設計... 7 3.6.1 電壓放大器(Voltage Amplifier)... 7 3.6.2 電荷放大器(Charge Amplifier)... 7 四、 實驗方法與實驗架構... 8 4.1 水聽器靈敏度量測... 8 4.2 水聽器方向性量測... 11 五、 實驗結果與討論... 13 六、 參考文獻... 13一、導論 1.1 背景與目的 水中聽音器(hydrophone)是水下聲學 與相關研究與應用中最重要的工具，例如 水下通訊、水中定位與偵測、水下形貌與 地質探勘、船體聲紋、空蝕信號量測、魚 探機、海洋動物研究等等，除此之外，在 許多的研究與應用上，例如超音波工程、 生物與醫學工程、非破壞性檢測、感測器 與換能器校正等等，都扮演重要的角色。 掌握水中聽音器的相關技術與自主研發的 能力，對水下聲學研究與其他相關研究與 應用具有舉足輕重的關鍵地位。 大部分的水中聽音器是以壓電材料為 感測元件的，特別是壓電晶體與壓電陶 瓷 ， 例 如 Quartz, Lithium Sulfate, ADP, Barium Titanate, PZT 等等，於二次大戰期 間與之後的一段期間蓬勃發展，已經有數 十年的發展歷史。壓電晶體與壓電陶瓷的 水中聽音器，由於涉及商業與軍事機密， 學術界中公開的文獻資料相當有限，同時 經由多年的發展，技術已經相當成熟，並 且有商品化與標準化的產品，例如B&K 公 司的 8103~8106 系列的水中聽音器，因此 在學術研究上有許多限制。 除了壓電晶體與壓電陶瓷外，近十年 來，高分子壓電薄膜(例如 PVDF)也漸漸應 用於各種超音波探頭與聲波感測器，尤其 在醫療用超音波、超音波探頭校正、陣列 式微型聲波感測方面最為成功，主要之工 作頻率在 1~15 MHz 之間，另外也有較低 頻(1kHz~1MHz)的設計與應用出現，例如 水中氣泡的空蝕現象研究。作為水中聽音 器的感測元件，高分子壓電薄膜具有以下 優點： 1. 與水的聲學阻抗(acoustic impedance)接 近，因此具有良好的阻抗匹配，可以減 少聲波的反射，增加聲波入射之能量； 2. 具有非常好的橈性與可變形性，因此可 以形成各種曲面或球面，增加設計上的 彈性； 3. 具有非常高的機械韌性與強度，因此不 容易損壞，同時可以承受非常高的壓 力，例如震波； 4. 與傳統壓電元件的感測原理相同，因此 可以重複使用類似而且成熟的放大電 路與信號處理； 5. 材料之多樣性且取得容易；目前已經有 多家公司提供各式各樣與不同厚度與 尺寸的PVDF 材料，因此可以針對特別 的需求，採用合適的壓電薄膜； 6. PVDF 的加工容易，如果配合微製程的 加 工 方 式 ， 例 如 準 分 子 雷 射(excimer laser)微細加工技術，可以製作微小化或 陣列式的感測器。 基於以上之優點與特性，本子計畫將 以高分子壓電薄膜 PVDF 為研究對象，發 展相關的水下聲學感測器與應用技術，包 括設計、分析、製造、測試、校正、與應 用等等，以了解其功能特性、應用潛力、 與可能發生的困難與問題。 本計畫之目的是建立國內獨立自主的 水下聲波感測器與相關技術、研究對象為 PVDF 高分子壓電材料，研究載具為 PVDF 水中聽音器。由於水下聲學感測器的應用 範圍很廣，依照不同的應用，會有各種不 同型式的水中聽音器與特殊的特性要求， 因此是一個非常廣泛的研究主題，但是壓 電聲波感測的原理是一樣的，而水中聽音 器的基本重要規格要求，仍然不外乎：敏 感度(voltage-to-pressure sensitivity)、頻率範 圍 (frequency bandwidth) 、 方 向 性 (directivity)、訊噪比(signal/noise ratio)等基 本要求；因此本計畫將鎖定若干特定型式 與頻率的水中聽音器；計畫強調的重點， 在於水中聽音器的設計分析、製作技術、 信號調制、實體測試、標準校正、系統整 合與實際應用測試，希望經由此一完整的 規劃，培養國內兼具理論、實作與應用的 研究經驗與研究人才，帶動相關領域的研 究，最後配合其他子計畫的執行，建立國 內完整的水中聲波感測器技術與應用。 1.2 文獻探討 壓電晶體與壓電陶瓷的水中聽音器的 蓬勃發展，開始於二次大戰期間與之後，
距今已有數十年的歷史，但是由於涉及商 業與軍事機密，公開的文獻資料並不多； 有關壓傳統式電壓電水中聽音器，比較完 整的資訊，可參考文獻[1]；文獻[1]涵蓋壓 電式水中聽音器的設計原理、校正方法、 應用實務等等，特別對水中聽音器的設計 原理與互換性(reciprocity)校正方法，有非 常詳盡的說明。另外，經過多年的發展， 壓電式水中聽音器的商品化技術與產品已 經相當成熟，例如B&K 公司的 8103~8106 系列的水中聽音器，涵蓋DC~100kHz 的頻 率範圍，原廠並且提供完整的校正資料， 其技術資料[2]具有很高的參考價值，但是 缺乏設計原理與細節。有關壓電式水中聽 音器的材料選擇方面，文獻[3]與[4]有一些 具參考價值的討論。 有關壓電材料的理論模擬，對於壓電 晶體與壓電陶瓷，一般採用Mason Model [5] 與KLM model [6]，其特點是一種等效電路 模擬，因此可以配合 SPICE 的軟體工具， 例如Pspice 與 Ispice，同時可以將壓電材料 以 外 的 前 後 匹 配 介 質 ， 一 併 以 傳 輸 線 (transmission line)的方式模擬，因此可以較 完整地模擬整個壓電換能器的特性行為。 但是對高分子壓電材料而言，因為具有較 高的介電損失與黏彈性，因此必須修正等 效電路的理論模擬，針對 PVDF 的等效電 路模擬，比較完整的等效電路模擬，可以 參見文獻[7-11]，其中，文獻[10]的理論模 型較完整，是本計畫採用的模擬分析模型。 高分子壓電材料自1970 年左右發現以 來，即被視為水中聲波的產生與接收的絕 佳材料，文獻[12]有非常詳盡的回顧，其材 料特性與應用於水中超音波換能器的製 作，可參見文獻[13~17]的討論，由於 PVDF 的可橈曲特性，因此特別合適於製作聚焦 型態的超音波換能器，常見之頻率範圍約 在1~15MHz，經過特殊的設計，可以將頻 率延升到數十MHz 的高頻。 PVDF 高分子壓電材料應用於水中聽 音器是最近十多年的事情，其重點是被動 式的聲波感測、小感測面積、寬頻且頻率 響應曲線在共振點以下非常水平，許多文 獻均有所討論，因此非常適合作為水中聲 波感測之用。常用的水中聽音器有二種型 態：分別為針尖型(needle type)[18,19]與鼓 模式(membrane type)[20,21]，其中，鼓模式 的水中聽音器可以將工作頻率向下延伸到 低頻的 kHz 等級[22,23]，其原理係採用多 層的保護膜匹配，因此本研究將著重於鼓 膜式水中聽音器，以利於發展較低頻水中 通訊與方位偵測之應用，類似文獻[24]將 PVDF 應用於水下聲納；同時，在另一個極 端，則是發展高頻而且陣列式的鼓模式水 中聽音器[25]，可以應用於醫療工程與工業 檢測與校正。PVDF 水中聽音器具有非常多 的應用，文獻[26~30]提供一些例子，包括 震波、海洋降雨量量測、醫療用超音波、 超 音 波 探 頭 校 正 等 等 ， 單 一 的(single element)或陣列的(array)水中聽音器均非常 常見。 有關水中聽音器的測試與校正，一直 是重要的研究課題，英國國家物理實驗室 (National Physical Lab., NPL)有許多重要的 成果[31~34]，因應不同的準確度要求、頻 率範圍、場地與儀器設備的便利性等等， 大致上在較完整而且精確的校正上，IEC 國際標準是常用的規範[35]，使用三個聽音 器的互換性(reciprocity)校正，但是這樣的 校正較繁瑣耗時，在低頻時需要較大的水 槽，因此有許多替代的方法，較成功的是 時域延遲頻譜法(time-delay Spectrometry, TDS)[36~38]，可以在有迴響的水槽中進行 連續頻率的校正。以上的校正方法都需要 一個已校正過的水中聽音器作為參考，因 此將受限於的參考聽音器的準確度與頻率 範圍。 二、理論與模擬分析 2.1 PVDF 水聽器的模擬分析 有關壓電材料的理論模擬，一般採用 Mason model[5]與 KLM model[6]，兩者均 為等效電路模擬，所以可以搭配電腦軟體 工具計算分析，同時可以將壓電材料之外 的前後匹配介質與負載介質，一併以傳輸 線（transmission line）的方式模擬，因此 可以較完整地模擬整個壓電感測器的特性 行為。對於高分子壓電材料而言，因為具
有較高的介電損失（dielectric loss）與黏彈 性（visco-elastic），因此必須修正等效電路 的理論模擬，文獻[10]的理論模型較完整， 是本論文採用的模擬分析模型。此式即為 加上機械損失與介電損失之後的修正型 Mason model 等效電路矩陣，推導過程可參 考文獻[39]。 0 0 * 1 1 2 0 0 * 2 * * * 0 coth csch csch coth (1) 1 e jB l jB l j F v e F jB l jB l j v V e e I j j j A l γ γ ωε γ γ ωε ωε ωε ω ε ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ − ⎥ ⎢ ⎥ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥⎡ ⎤ ⎢ ⎥=⎢ − ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎢ ⎥⎣ ⎦ − − ⎢ ⎛ ⎞⎥ ⎢ ⎜ ⎟⎥ ⎢ ⎝ ⎠⎥ ⎣ ⎦ 圖 1 為利用上述之模型模擬不同厚度 之 PVDF 薄膜的水聽器靈敏度曲線比較 圖，固定背層材料為水。縱軸為靈敏度， 單位為dB re. 1V/µPa；橫軸為頻率，單位 為MHz，鎖定觀察在 1～20 MHz 之內；與 本論文實驗量測頻率範圍相同。圖中可明 顯的觀察出，厚度越大的薄膜，其靈敏度 數值越大，因為在相同的壓力之下，一樣 的材料之應變會相同，而厚度越大的材料 在相同的應變之下，厚度變化量越多，故 輸出電壓也相對比較多，因此靈敏度也就 比較高。除了厚度此參數之外，依此模型 也能處理在不同介質中，水聽器的靈敏度 特性分析模擬。 圖1 模擬不同厚度之 PVDF 水聽器靈敏 度曲線圖 2.2 方向性理論與模擬 PVDF 為一壓電材料，壓電材料只在極 化方向有感測聲壓的能力，所以當聲波以 一入射角度至壓電材料上時，壓電材料對 正向入射的聲波較敏感，也就是壓電材料 厚度極化方向的聲波，因此對於聲波的感 測便有了方向性的問題。另一個導致方向 性的原因是：假設壓電材料受到壓力時會 釋放出正電荷，則受到張力時會放出負電 荷，因此當聲波斜向入射至 PVDF 薄膜的 同時，聲波會在 PVDF 表面某些區域上受 到壓力，而某些區域則受到張力，在整個 感測面積所積分出來的電壓會因破壞性干 涉的影響降低靈敏度，圖 2 為聲波入射至 壓電材料的示意圖。因此，在方向性的影 響下，在接收聲波時，水聽器擺放的角度 以及其感測面積相對於入射波波長的大小 便顯得格外重要。 圖2 聲波入射至水聽器的示意圖 2.2.1 針尖式水聽器方向性 假設入射聲波為平面波U e⋅ j kx( −ωt)、λ為 波長、θ為入射角、A為感測面積、R為壓電 材料感測面積半徑、k為波數、V(t,θ)為壓電 材料某一時間點在入射角度為θ所感測到 的電壓，詳細推導過程可參考文獻[40]，電 壓與入射聲波的關係如下： 2 0 0 2
( , ) R cos cos sin cos (2)
r V t U π r t rd dr φ π θ φ θ ω θ φ λ = = ⎛ ⎞ = ⋅ ⎜ − ⎟⋅ ⋅ ⎝ ⎠ ∫ ∫ 以正向入射的聲波所得到的感測電壓 取峰對峰值為基準，將不同角度的入射波 的峰對峰值感測電壓做正規化，比較在不 同頻率下、不同感測面積的水聽器方向 性，如圖3所示。從以上結果可以得知，水
聽器的方向性在同一頻率下，感測面積越 大方向性越明顯；在同一感測面積下，頻 率越高方向性越明顯，簡言之，波長與感 測面積比值越小，方向性越明顯。 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 D ir e c t iv i t y ( S e n s in g d i a m e t e r = 1 .0 m m ) 1 M H z 5 M H z 1 0 M H z 2 0 M H z A n g le , ( d e g r e e ) 圖3 感測面積直徑 1.0 mm 下對不同頻率 的方向性曲線比較圖 2.2.2 球型針尖式水聽器方向性 由於 PVDF 水聽器的靈敏度容易受到 方向性的影響，以感測面積直徑1 mm 的水 聽器為例，在頻率為 5 MHz 的入射聲波 下，其入射角為10 度時，感測電壓約為聲 波正向入射的70％，而在 10 MHz 的聲源 下，聲波入射角只要到 5 度，感測電壓便 下降到聲波正向入射時的 70％。為了改善 水聽器的方向性，考慮將水聽器變為一球 型結構，當聲波入射至 PVDF 水聽器時， 不管聲波從那個方位入射，聲波所看到的 感測面積是相同的，理論上所得到的感測 電壓亦是相同的，因此便沒有方向性的問 題。所以若是將針尖式水聽器前端的感測 面積改為一球面結構，則方向性的問題將 可望能得到相當的改善。 設計一半球型針尖式水聽器，亦即其 感測之壓電薄膜是覆蓋在一部份球面上， 由於感測面積為一球面，以入射波至球型 感測面積為中心點，會在球面上產生一圈 一圈感測電壓相同的情況，假設入射波為 平面波U e⋅ j k r(K K⋅ −ωt)，波長 λ，方向向量 k K 且落 在y-z 平面上，eJJKk為其單位向量，入射角θ， 感測面積曲率半徑為 R，全張角 2α，dl 為 y-z 平面上感測面積上一微小區域，rK為其 位置向量， eJKr為其單位向量，所感測到的 聲壓為Re[U e⋅ j k r(K K⋅ −ωt)] cos⋅ γ= ⋅U cos(k rK K⋅ −ωt) cos⋅ γ， 詳細推導過程可參考文獻[40]，因此積分整 個感測面積後可得到感測電壓如下：
2
( , ) cos( ) cos( ) 2 sin( ) (3) V tθ = ⋅U ∫φ θθ= −π k r⋅ −ωt ⋅ θ φ− ⋅ πR θ φ− ⋅dl K K 其中 2 (0, sin , cos ) k k k e π θ θ λ = ⋅ = ⋅ − − K K JJK (0,sin ,cos ) r r R e= ⋅ = ⋅R φ φ K JK dl=Rdφ 但此環形積分在某些部分並不是一個 完整的圓，假設在當角度為φ時，弧佔整個 圓的百分比為 f(φ)，f(φ)可參考文獻[40]。 因此重寫整理後可得： 2 2 2
( , ) 2 cos( Rcos( ) ) cos( ) sin( ) ( )
V tθ = πR U⋅ ⋅∫φ θθ= −π − πλ θ φ ω− − t⋅ θ φ− ⋅ θ φ− ⋅fφ φd
2 2
2
( , ) cos( Rcos( ) ) sin(2 2 ) ( ) (4)
V tθ πR U φ θθ= −π πλ θ φ ωt θ φ f φ φd ⇒ = ⋅ ⋅∫ − + ⋅ − ⋅ 同樣以正向入射的聲波所得到的感測 電壓為基準，將不同角度入射波的感測電 壓做正規化後，對不同頻率下、不同開口 感測面積以及在曲率半徑為1 mm 下球型 水聽器之模擬結果做比較，如圖4 所示。 從以上結果可以很明顯看出方向性確實得 到了改善，但在高頻時方向性曲線的震盪 會比較嚴重，這是因為高頻時聲波波長 小，干涉的情況相對變大，所以才會有震 盪的現象。 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 D ir e c t i o n a lit y ( S e n s i n g d i a m e t e r = 2 . 0 m m ) 1 M H z 5 M H z 1 0 M H z 2 0 M H z A n g le , ( d e g r e e ) 圖4 球型開口感測面積直徑 2.0 mm 下不 同頻率的方向性曲線比較圖
三、設計與製程
常 用 的 PVDF 水 聽 器 分 為 針 尖 式 (needle type)[18,19]與鼓膜式 (membrane type)[20,21]水聽器，如圖 5 所示。在針尖 式水聽器架構中，PVDF 壓電薄膜一面黏 附在當作背層材料的細金屬圓棒上，另一 面則裸露在液體中用以接收聲波訊號。鼓 膜式水聽器則是兩面均裸露在液體中，以 框架固定之，其感測面積為上下電極所重 疊的區域。 圖5 水下聽音器示意圖 3.1 儀器設備
本論文使用Exitech Ltd.（Oxford, UK, www.exitech.co.uk）生產的 PS-2000 型 KrF 準分子雷射微細加工機做為觸發雷射超音 波的光源，波長248 nm；產生的雷射脈衝 為30 ns，最高能量每脈衝 380 mJ，最高擊 發頻率100 Hz。準分子雷射微細加工機主 要 是 搭 配 光 罩 加 工 PVDF 壓 電 薄 膜 與 Goodfellow Co.所生產的高分子材料（23 µm, 單面鋁電極, ES301923），製作水聽器 之電極。 3.2 鼓膜式水聽器 為了讓壓電薄膜能處於拉緊的狀態下 進行組合，使得薄膜表面不會產生縐折； 因為這些不必要的縐折會影響水聽器的特 性；所以通常會選擇容易拉緊且不易破損 的薄膜，依照此觀念選擇厚度 25 µm 的 PVDF 壓電薄膜。接著說明鼓膜式水聽器的 製作過程： (1) 首先以鋁材製作上蓋，塑膠鋼製作下 蓋，圖6 為上下蓋外觀圖。上蓋切除部 分材料用以在後續組合時，放置同軸電 纜與壓電薄膜接合的部分。此處主要的 尺寸為鼓膜式水聽器之開口大小； (2) 以準分子雷射加工 PVDF 薄膜之兩面 電極，如圖 7（a）所示，實線部分為 正面電極刻除的部分，而虛線部分為背 面電極的刻除部分；圖四（b）為實際 加工後的PVDF 薄膜。此處的加工參數 為上下電極的重合面積，即此水聽器的 感測面積； (3) 將同軸電纜之心線與地線分別接至 PVDF 薄膜上下電極； (4) 將壓電薄膜拉緊並以上下蓋夾緊，組 合方式如圖8 所示。 (5) 在薄膜表面噴上一層保護膠；此為一 般電路板防水用之保護膠，在此處用以 避 免 表 面 電 極 剝 落 並 延 長 水 聽 器 壽 命。圖 9 為鼓膜式水聽器完成品外觀 圖。 圖6 鼓膜式水聽器上下蓋外觀圖 （a） （b） 圖7 PVDF 薄膜（a）準分子雷射加工區示 意圖（b）加工後之外觀圖 圖8 鼓膜式水聽器組合示意圖
圖9 鼓膜式水聽器外觀圖 3.3 類針尖式水聽器 類針尖式水聽器，主要參考圖 5 針尖 式水聽器的設計並加以改良：將 PVDF 黏 著在PCB 電路板上，電路板上的銅金屬可 視為背層材料；此外，也將同一種壓電薄 膜厚度的水聽器感測區製作在同一塊電路 板上，為陣列式的感測器。接下來說明製 作步驟，各部分製作及組合情況如圖10 所 示： (1) 首先於電路板上方雕刻出需要之電極 圖樣，此為下電極。電路板上方最外 層銅箔與電路板下方接通，圖10 中虛 線連接處即為導通，因此整個外部及 電路板下方電極均為接地，有遮蔽 （shielding）減少電磁干擾（EMI）的 作用。 (2) 以準分子雷射加工高分子材料，此為 上電極。 (3) 以酒精去除壓電薄膜之雙面銀電極。 (4) 將壓電薄膜以（1）與（2）中的上下 電極夾合，用 AB 膠黏著，再將前面 提到之高分子材料電極朝向內，貼在 最外層與電路板外部接地之電極接觸 用以遮蔽。 (5) 將同軸電纜之心線與地線分別銲接至 電路板上面。 (6) 最後再以防水膠將此感測器作防水的 工作即完成製作。圖11 為針尖式水聽 器完成品外觀圖。 將同一種厚度之水聽器感測區製作在 同一個電路板上，是為了確保同一水聽器 上之黏貼條件相同，即黏膠厚度相同，可 避免因黏膠厚度不均而造成之實驗量測誤 差。 圖10 針尖式水聽器組合示意圖 圖11 陣列式針尖式水聽器外觀圖 3.4 針尖式水聽器 首先將同軸電纜之心線焊接在一細金 屬圓棒上並將金屬圓棒外圍絕緣，但底部 不絕緣，目的在於只留下底部電極做為感 測面積，再將25 µm 的 PVDF 以鋁蝕刻液 去除單面電極，並以加工後的金屬圓棒黏 附在沒有電極的一面做為 PVDF 的上電 極，再塞入一金屬圓管內，使 PVDF 有電 極的一面與金屬圓管接觸並以 A/B 膠固定 之，之後再將同軸電纜的地線與金屬圓管 相接觸，因為有良好的電磁遮蔽，所以比 較不容易受到外界雜訊的干擾，組合方式 如圖 12 所示，圖 13 則為針尖式水聽器實 體圖與前端細部結構圖。本研究所設計的 針尖式水聽器，感測面積直徑有1 mm、2 mm 兩種。
圖12 針尖式水聽器組合示意圖 圖13 針尖式水聽器實體圖 3.5 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 R1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+ R3/ R2)，頻寬約為 27.4MHz。C1～C4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，Cs是壓電薄膜之等效電容，而RL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 RL上，信號放大器之電壓值越接近VS，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=CsVs) 轉 移 至 電 容 Cf 上 ， 因 此 得 到 輸 出 電 壓 Vout=Q/Cf=CsVs/Cf，其中 Cs/Cf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Cf為15pF，得到放 大倍率為 26 dB，而截止頻率與設計電容 Cf，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 mm2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 mm2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 S e n s iti v ity , ( d B re . 1 V / μ Pa ) 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 mm2、2 mm2。 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 . 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 o n a lit y ( f r e q u e n c y = 1 0 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 im 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 n e t A n g le , ( d e g r e e ) 圖34 10 MHz 下針尖式水聽器實驗與模 擬方向性曲線比較圖 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 X 1 m m m e m b r a n e s i m u l a t e 2 m m X 2 m m m e m b r a n e s i m u l a t e 1 m m X 1 m m m e m b r a n e e x p e r im e n t 2 m m X 2 m m m e m b r a n e e x p e r im e n t A n g le , ( d e g r e e s ) 圖35 5 MHz 下鼓膜式水聽器實驗與模擬 方向性曲線比較圖 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 = 1 0 M H z ) 1 m m X 1 m m m e m b r a n e s i m u l a t e 2 m m X 2 m m m e m b r a n e s i m u l a t e 1 m m X 1 m m m e m b r a n e e x p e r im e n t 2 m m X 2 m m m e m b r a n e e x p e r im e n t A n g le , ( d e g r e e s ) 圖36 10 MHz 下鼓膜式水聽器實驗與模 擬方向性曲線比較圖 圖 37～39 分別為 2 MHz、5 MHz 與 10 MHz 下球型針尖式水聽器方向性理論 模擬與實驗比較圖。從圖上可以看出模擬 與實驗的趨勢大致相同，但仍然有差異之 處，原因是方向性模擬是簡略模擬，亦即 假設水聽器所接收的能量等於入射波的能 量，忽略反射波與穿射波的影響。另外， 實際上水聽器的球面並不是一個理想的球 面，而模擬時所考慮的是一個理想的球 面，因此只是近似的模擬結果，所以實驗 與模擬上會有些微的誤差。 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 D ir e c t i v it y ( F r e q u e n c y = 2 M H z ) b a l l- s h a p e h y d r o p h o n e s i m u l a t e b a l l- s h a p e h y d r o p h o n e e x p e r im e n t A n g le , ( d e g r e e ) 圖37 2 MHz 下球型針尖式水聽器實驗與 模擬方向性比較圖 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 1 .4 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 D ire c ti v ity (F re q u e n c y = 5 M H z ) b a ll-s h a p e h yd r o p h o n e s im u la te b a ll-s h a p e h yd r o p h o n e e x p e r im e n t A n g le , ( d e g re e ) 圖38 5 MHz 下球型針尖式水聽器實驗與 模擬方向性比較圖
0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 1 .4 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 D ir e c tiv ity (F re q u e n c y = 1 0 M H z ) b a ll- s h a p e h y d r o p h o n e s im u la te b a ll- s h a p e h y d r o p h o n e e x p e r im e n t A n g le , ( d e g re e ) 圖39 10 MHz 下球型針尖式水聽器實驗 與模擬方向性比較圖 五、實驗結果與討論 本計畫至此已能成功設計並製作出各 種自製水聽器並建立了一套水聽器校正與 特 性 量 測 系 統 ， 且 可 以 經 由 修 正 後 的 Mason model 與方向性理論模擬 PVDF 水 聽器的靈敏度和方向性特性。而所製作的 球型針尖式水聽器成功改善了一般壓電式 水聽器所遇到的方向性問題，未來將可根 據實際的情況設計出最佳的水聽器以應付 各種不同的環境，進行多方面的應用。 另外在實驗上得到了以下幾項結論： (1) 由實驗中可發現，水聽器感測面積越大 則靈敏度越高。且由針尖式水聽器所有 的實驗量測結果圖中可以觀察出，靈敏 度曲線圖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。 (2) 由於壓電式水聽器的感測電壓是積分 整個感測面積後所得到的感測電壓，當 聲波斜向入射至PVDF 薄膜的同時，聲 波會在 PVDF 表面某些區域上受到壓 力，而某些區域則受到張力，在整個感 測面積所積分出來的電壓會因破壞性 干涉的影響降低靈敏度。 (3) 水聽器的方向性在同一頻率下，感測面 積越大方向性越明顯；在同一感測面積 下，頻率越高方向性越明顯，簡言之， 波長與感測面積比值越小，方向性越明 顯。 (4) 球型針尖式水聽器成功改善了針尖式 水聽器的方向性，但其方向性在高頻時 方向性曲線的震盪會比較嚴重，因為高 頻時波長小，干涉的情況相對變大，所 以才會有震盪的現象。此現象可以由改 變曲率半徑來減少震盪的現象，未來可 根據實際情況設計出最佳化的水聽器 以應付各種不同的環境。 六、參考文獻 [1] R.J. Bobber, Underwater Electroacoustic Measurements,
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