水声换能器是将电信号转换为水声信号或将水声信号转换为电信号的器件，是海洋声学探测仪器中非常重要的组成部分。
本文主要针对水听器（接收换能器）的频率范围进行简单介绍，供各位用户认识和选择合适的水听器及频率范围。
压电材料的第一个实际应用是水下声纳，该系统于第一次世界大战期间设计，并于 1917 年部署以应对新的威胁：德国U型潜艇。
换能器的设计很简单，两块金属板之间夹着一层薄薄的石英，然后安装于一个防水的外壳中，该装置于1917年获得专利。
图1-由Constantin Chilowsky和Paul Langevin在1917年申请的早期声纳专利图像
从那时起，设计发生了变化，材料也得到了改进。（现代PZT性能远远超过了一开始声呐中使用的石英）。但是，这种单共振回声探测器概念仍然是许多现代水下设计的基础，换能器以其最有效的共振频率传输，当回声返回时，这个换能器也是一个有效的接收器。然而，这种常见的设计却忽略了压电接收器的一个主要优点：宽带宽。事实上，这种应用也可能造成发射器的可用频率范围与接收器的可用频率范围的混淆。
宽带水听器响应
发射带宽和接收带宽之间的差异可以简单的解释，发射是一个共振函数：最大输出是发生在共振时，当通常一个较差的偏共振。另一方面，接收是一种非共振的应用，水听器在低于共振点的整个频率内都可以良好地工作，这种特性在 1979 年美国海军研究实验室 (NRL) 的论文“NRL-USRD 系列 F42 全向标准传感器”中得到了清晰的说明。本文对F42系列参考球面传感器在发射和接收两种模式下进行了特性分析和比较。
F42 系列传感器按直径从最大的A 到 D 的递减顺序标记。图2显示了这组传感器的传输电压响应（TVR）曲线。每个单元的性能在共振频率处达到峰值，并随着发射频率远离共振频率而迅速下降，发射性能高度高度共振，可用频率范围越窄。这些曲线是压电发射器的典型特征。
图2-F42 系列球形传感器的发射电压响应 (TVR)
换能器F42A最大，它的共振频率最低，其峰值在30-49kHz范围，（共振频率主要由传感器大小决定，传感器越大，频率越低）。传感器B到D的直径越来越小，因此峰值发射频率会越来越高。这些较高的频率水平移动发射曲线，但不改变曲线的形状。所有的换能器显示出相同的性能：共振时峰值传输和一个相对较窄的可用频带。
如下图3所示，开路电压响应（OCV，也称为自由场电压灵敏度）具有非常不同的形状。就像TVR曲线一样，有一个明显的峰值。可以说这是在谐振频率下发生的最大接收灵敏度（下面将详细介绍）。然而，在低于共振点的频率下，性能不会像发 射响应那样下降。共振以下的接收响应曲线不是陡峭的，而是相当平坦的。当换能器接收响应低于共振频率时，传感器的响应即一致又可用，一直到 ~0 Hz。
图 3 – F42 系列球形传感器的自由场电压灵敏度
事实上，当水听器连接到前置放大器、数字采集卡、记录设备或其他电子设备时，系统可用频率范围的低频率一端通常受到电子设备的限制，而不是水听器。
因此，与发射器一样，水听器可以在其共振频率附近的区域内发挥作用。 然而，与发射器不同的是，水听器不仅仅在这个小频段内工作。它们在低于其第一个谐振点的整个频带上表现良好。水听器是一种非共振设备。水听器的可用频率范围跨越数十万赫兹的情况并不少见。
| 低于峰值下降
一个典型的 OCV 图，如图 3 所示，峰值之前区域的接收灵敏度下降。这种下降是由衍射效应引起的。
在低频下，声信号的波长很长，它比水听器本身大得多，因此水听器在压力场中产生的干扰可以忽略不计。
在较高频率下，波长变短。随着波长接近水听器的大小，水听器本身开始对压力场产生影响。具体来说，它会衍射一些传入的压力波。随着部分能量被衍射走，水听器的输出减少。这在 OCV 图上显示为灵敏度下降。
| 峰值接收响应
关于峰值接收灵敏度下降的位置仍然存在一些分歧。一些教科书和制造商声明它发生在水听器的共振频率上。其他人声称它发生在反共振时。（反共振发生的频率比共振略高。）经验证据只会使问题复杂化。它通常介于这两点之间。
然而从实践的角度来看，这个争论并不重要。使用水听器的校准数据，您可以调整您的测量值，以考虑共振周围发生的接收灵敏度的变化，更好的是，通过在远低于共振的区域中使用水听器，您可以确保在整个工作频带上保持一致的响应。
上面图 3 所示的典型水听器接收响应有助于了解水听器制造商指定带宽的不同方式。
图 4 – 显示 -3 dB 点的典型水听器 OCV 图
水听器的可用频率范围定义为灵敏度下降 3 dB 的点，通常称为 -3 dB 点。（一些制造商引用 -6 dB 点）参见上面的图 4。这种方法具有较宽的带宽，但会因共振周围发生的接收响应不一致而受到影响。虽然水听器在这个频段上都可以正常工作，但它并不完全一致。
为避免灵敏度响应不一致的情况，他们把水听器的可用带宽定义为出现在其他共振以下区域的平坦部分。“平坦部分”通常被限制在3 dB的变化范围内，如图5所示，这种保守的方法提供了更一致的接收响应。然而，它显着降低了水听器的定义带宽。
图 5 – 显示 3 dB 可用频带的典型 OCV 图
我们还可以找到这两种方法的混合版本：通过将灵敏度范围以上限和下限来指定可用频率范围。例如，图5所示的 3 dB 范围可以表示为 +1.5 /-1.5 dB。这种情况下，可用频率范围的上限和下限不一定要对称。
此外，一些制造商使用不对称或更保守的限值 +1/-1.5 dB 来定义可用范围。或者，如 +3.5/-12.5 dB，包括 Fr 附近的不一致响应区域，它可能要宽松得多。
最后，一些制造商回避定义可用频率范围，他们没有使用上述任何方法，而是简单的描述了水听器的共振频率，在这种情况下，用户就必须确定它是否满足其应用需求。
一般来讲，水听器制造商会明确使用哪种方法来定义水听器的使用范围。如往常一样，如果您有问题，只需与供应商或制造商联系。
