現(xiàn)代水聽器的核心敏感材料，大多采用PZT（鋯鈦酸鉛）壓電陶瓷^[1]。

這種材料具有典型的鈣鈦礦晶體結構，在受到機械應力作用時能夠產(chǎn)生電荷響應，同時在電場作用下也會產(chǎn)生形變。

這種現(xiàn)象被稱為壓電效應。

壓電效應包括兩種形式：

當對壓電陶瓷施加電場時，材料會產(chǎn)生微小形變。這一特性使壓電陶瓷既可以用于傳感器，也可以用于驅(qū)動器和換能器。

得益于較高的壓電常數(shù)和機電耦合系數(shù)，PZT陶瓷能夠?qū)崿F(xiàn)高效的機械—電能量轉(zhuǎn)換，因此在聲學換能器、醫(yī)療超聲設備以及精密定位系統(tǒng)中都被廣泛應用。在水聲領域，它幾乎成為最核心的基礎材料之一。

壓電陶瓷水聽器的工作原理其實非常直觀。

當水中的聲波傳播到水聽器表面時，會形成微小的聲壓變化。這種聲壓作用在壓電陶瓷上，會使其產(chǎn)生微小形變，從而在電極兩端產(chǎn)生電荷信號。隨后，這些電荷信號通過前置放大電路被轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電壓輸出。

簡單來說就是：

水聲壓力→陶瓷形變→電荷信號→電壓輸出

這就是壓電水聽器的基本信號鏈路。

由于壓電陶瓷本身屬于高阻抗元件，實際工程中通常會在水聽器內(nèi)部加入前置放大器，完成阻抗轉(zhuǎn)換并提高信號穩(wěn)定性。

經(jīng)過這一系列處理后，原本微弱的水聲信號就可以被電子系統(tǒng)穩(wěn)定采集。

工程實踐中，壓電水聽器的結構設計非常多樣，但其基本構成通常包括以下幾個部分：

• 壓電敏感元件 

• 前置放大電路 

• 水密結構 

• 透聲保護層 

• 水密連接器 

以典型的圓柱形壓電陶瓷水聽器^[2]為例，其敏感元件通常由多個壓電陶瓷管組成，并通過串并聯(lián)方式連接，以提高靈敏度并降低阻抗。

陶瓷元件之間通常使用絕緣墊圈進行固定，使其能夠自由振動，同時減少聲耦合干擾。

外部結構則通過透聲橡膠或聚氨酯進行整體封裝，以保證水密性并允許聲波進入。

如果只是在淺海環(huán)境工作，水聽器結構設計相對簡單。但當設備進入深海環(huán)境時，情況就不同。

例如在6000m水深，外部靜水壓力可達到60MPa。在這種壓力條件下，如果結構設計不合理，壓電陶瓷元件可能直接被壓碎，從而導致整個水聲系統(tǒng)失效。

因此，深海水聽器通常需要采用壓力平衡結構^[3]。

一種常見設計方式是：

油填充+壓力補償結構

通過在水聽器內(nèi)部填充硅油，并設計柔性壓力補償結構，使內(nèi)外壓力保持平衡，從而避免陶瓷元件承受過大的壓差。

這種設計可以顯著提升水聽器的耐壓能力，使設備能夠在全海深環(huán)境中穩(wěn)定工作。

在許多海洋研究任務中，僅僅“聽到聲音”還不夠。

科研人員往往需要對海洋聲音進行長期連續(xù)記錄，用于研究：

• 海洋背景噪聲 

• 聲傳播特性 

• 海洋生態(tài)聲學 

• 深海聲學環(huán)境變化 

因此出現(xiàn)了自容式水聽器^[4]。

所謂“自容式”，指的是設備內(nèi)部集成：

• 聲學傳感器 

• 信號放大 

• 數(shù)據(jù)采集 

• 存儲系統(tǒng) 

• 電源系統(tǒng) 

整個設備可以在海底獨立工作數(shù)月甚至更長時間。

典型的自容式水聽器通常具備以下特點：

• 寬頻響應 

• 高動態(tài)范圍 

• 低噪聲設計 

• 超低功耗 

• 大容量數(shù)據(jù)存儲 

從材料科學到工程設備，壓電陶瓷水聽器的發(fā)展實際上經(jīng)歷了三個階段：

如今的水聲設備，已經(jīng)不僅僅是一個傳感器，而是一個完整的海洋數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。

在水聲觀測設備工程化領域，國內(nèi)企業(yè)也在不斷推進技術進步。

偶信科技推出的自容式水聽器，采用壓電陶瓷換能結構作為核心傳感單元，并結合低噪聲前置放大與高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對海洋聲音信號的穩(wěn)定記錄。

設備具有以下特點：

• 高靈敏度壓電陶瓷傳感器 

• 低噪聲模擬前端設計 

• 高精度數(shù)字采集系統(tǒng) 

• 大容量數(shù)據(jù)存儲 

• 長期海洋觀測能力 

該類設備廣泛應用于：

• 海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測 

• 聲傳播特性研究 

• 海洋調(diào)查與生態(tài)監(jiān)測 

• 水下目標聲學特征研究 

通過長期穩(wěn)定的水聲數(shù)據(jù)記錄，科研人員能夠更深入地理解海洋這一復雜而廣闊的聲學環(huán)境。

海洋并不是安靜的，風浪、船舶、生物、地質(zhì)活動……

整個海洋其實是一個巨大的聲音世界。

而壓電陶瓷水聽器，就是人類用來傾聽海洋的耳朵。

從材料科學到工程設備，從實驗室到深海觀測，水聽器技術的發(fā)展，正不斷推動人類對海洋聲學環(huán)境的理解。

當我們能夠更清晰地聽見海洋時，也離理解海洋更近了一步。

參考文獻

[1]胡飛,陳魚,張珍宣,等.PZT壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀與發(fā)展：技術革新與應用突破[J].中國陶瓷工業(yè),2025,32(06）.

[2]魏兵,杜宏亮,王麗坤.圓柱形壓電陶瓷水聽器[C]//中國儀器儀表學會青年工作委員會.中國儀器儀表學會第九屆青年學術會議論文集.北京信息工程學院;北京信息工程學院;北京信息工程學院;,2007:14-17.

[3]馬鑫,郭喬鶴.一種深海耐壓水聽器[C]//中國聲學學會水聲學分會.中國聲學學會水聲學分會2019年學術會議論文集.沈陽遼海裝備有限責任公司;,2019:541-543.

[4]黃裕嘉,孫好廣,于永潑.低噪聲低功耗自容式水聽器設計[J].聲學與電子工程,2024,(01):19-23.