原理：當(dāng)壓電材料上的壓力(聲擾動(dòng))發(fā)生變化時(shí)，壓電材料內(nèi)部的電荷分布就會(huì)
成比例地發(fā)生變化并且會(huì)以電壓信號的形式體現(xiàn)出來，因此可通過壓電元件表面上的電
極提取這些電荷，經(jīng)電壓放大器或電荷放大器放大后，由信號處理示波器顯示出能反映
聲波波形的圖像,這樣就以很直接的方法完成了超聲聲場中聲壓的測量。
要求：針式水聽器由于直徑很小因而可檢測測量點(diǎn)的聲壓，實(shí)際上是針式水聽器直
徑尺寸范圍的平均聲壓；原則上針式水聽器的直徑越小越好，至少小于聲場的1 個(gè)波長，
如15MHz 的聲場，則針式水聽器的直徑要小于0.1mm。針式水聽器是測量聲場和聲壓的
換能器（一級標(biāo)準(zhǔn)測量工具），適合連續(xù)波和脈沖波的測量。針式水聽器針尖上有
一層通常為幾個(gè)微米厚的PVDF 薄膜，現(xiàn)在可以做到9－28μm 的膜厚，這層薄膜就相當(dāng)
于一個(gè)高靈敏度的壓電換能器，能將接收到的聲壓信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，目前英
國PA 公司可做到40μm－4mm，在20K－35MHz 頻率范圍針式水聽器具有平坦的測量特性。
針式水聽器及其原理圖如下所示：
(a) 針式水聽器外觀圖(b) 針式水聽器結(jié)構(gòu)圖
事項(xiàng)：由于水聽器針尖的聚偏氟乙烯薄膜非常脆弱，因此使用針式水聽器時(shí)注意不
能用手或任何其他物體碰水聽器針尖。清洗水聽器時(shí)，用蒸餾水輕輕沖洗，特殊情況下
可以用新鮮檸檬汁處理。
優(yōu)點(diǎn)：水聽器體積非常小，不會(huì)對測試聲場造成大的干擾，同時(shí)靈敏度高，使用方
便，價(jià)格也相對便宜。
介紹：通常針式水聽器使用時(shí)需要配以水浸式前置放大器，DC 耦合器以及水聽器輔
助放大器。它們分別介紹如下：

前置放大器（Submersible Preamplifier）的作用是放大水聽器接收到的聲信號。
直流耦合（DC Coupler）的作用是提供直流電壓，驅(qū)動(dòng)前置放大器；以及作為前置
放大器和測量系統(tǒng)之間的聲信號耦合器。
由于水聽器的輸出信號一般非常微弱，因此在將其輸入采集和顯示系統(tǒng)前，通常還
需要經(jīng)過一個(gè)水聽器輔助放大器，進(jìn)一步放大水聽器接收到的聲信號。
使用：PVDF 針式水聽器測試系統(tǒng)如圖所示。用示波器(或高速數(shù)據(jù)采集卡)作為信號
的顯示器和采集器，可以得到聲場中單點(diǎn)的聲壓波形，對于連續(xù)波無需同步信號檢測，
而對脈沖波要用同步觸發(fā)檢測。
如果將水聽器夾持在3 維機(jī)械運(yùn)動(dòng)（如UMS3）裝置上可以重構(gòu)出換能器的3 維的聲
場。其中若采用掃描系統(tǒng)移動(dòng)水聽器進(jìn)行掃描，就可以得到一個(gè)截面上的聲壓分布，再
由一個(gè)個(gè)截面聲壓構(gòu)成3 維聲場分布。
使用了兩個(gè)放大器來放大水聽器的信號，浸入式前置放大器和水聽器輔助放大器，
這是因?yàn)樗犉餍盘柾ǔ：芪⑷酰枰M(jìn)行兩級放大。

3
計(jì)算：水聽器直接輸出的信號是電壓信號，用靈敏度進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，就成為了對應(yīng)的聲壓
信號。得到電壓-時(shí)間波形后，可以計(jì)算聲強(qiáng)和聲功率?？臻g峰值脈沖平均強(qiáng)度ISPPA 的計(jì)
算公式如下所示：

? 為水的密度， 0 c 為水中的聲速，p(t)為時(shí)變的聲壓波形，T 為波形的周期，n為所
選波形的整周期數(shù)， 0 t 為*個(gè)滿幅值周期的延遲時(shí)間，t 為時(shí)間。
總結(jié)：PVDF 針式水聽器體積非常小，不會(huì)對測試聲場造成大的干擾，可以測量連續(xù)波和
脈沖波聲壓，同時(shí)靈敏度高，使用方便；它的缺點(diǎn)是帶寬相對較窄，頻率響應(yīng)較平坦，
能夠測量的聲壓范圍有限。適用于測試低聲壓值的聲場。同時(shí)由于水聽器體積小，移動(dòng)
方便，可以得到聲場的截面圖和3 維聲場分布，也可以應(yīng)用于多種超聲換能器的測試，
如相控陣換能器探頭等。詳細(xì)介紹可以登錄（www.yicemedical。。ｃｏｍ)