矢量水听器是一种新型的水声测量传感器,它能够同时共点地测量声场的声压和质点振速信息,具有重要的工程应用价值。目前,矢量水听器的敏感元件多采用PZT压电陶瓷材料,受压电材料性能的限制,在进一步提高灵敏度和信噪比等方面存在较大的难度。本文利用新型弛豫铁电单晶材料开展矢量水听器的研究工作,探索高性能弛豫铁电单晶矢量水听器设计的技术途径,研制高灵敏度、低噪声矢量水听器。　　 首先,利用等效网络方法分析压电式矢量水听器的工作原理,建立矢量水听器及悬挂系统的等效电路,分析其水下振动特性和接收声压灵敏度。研究了压电式矢量水听器的声场互易理论,求解得到其发射响应与接收声压灵敏度之间的声场互易参量,结合有限元方法对矢量水听器进行建模分析,为新型弛豫铁电单晶矢量水听器的研究奠定了基础。　　 其次,对不同切型下弛豫铁电单晶的压电特性进行了深入的研究,解决应用中材料的各向异性带来的诸多问题。从矢量水听器接收声压灵敏度和信噪比的角度,分析不同切型PMNT弛豫铁电单晶的性能优势,探讨弛豫铁电单晶材料在矢量水听器设计中的应用潜力。　　 在此基础上,研制了基于Cymbal结构的弛豫铁电单晶压差水听器,利用新结构和新材料实现压差水听器的小型化和高灵敏度。分析了Cymbal压差水听器的工作原理,并给出了相应的优化设计方案。压差水听器样品的测试结果表明:PMNT弛豫铁电单晶Cymbal压差水听器声压通道和矢量通道的接收电压灵敏度均比同结构同尺寸的PZT-5压电陶瓷压差水听器提高约5dB。　　 在压差水听器的基础上,开展了惯性矢量水听器的研究工作。与压差水听器相比,惯性矢量水听器对自噪声有更高的要求,有利于发挥弛豫铁电单晶高灵敏度和低噪声的应用优势。通过对不同切型豫铁电单晶压电性能的分析,确定了惯性矢量水听器的两个研究方向:[011]切型弛豫铁电单晶矢量水听器和[111]切型弛豫铁电单晶矢量水听器。　　 [011]切型弛豫铁电单晶具有优异的压电性能,但同时也表现出强烈的各向异性。针对弛豫铁电单晶的这一特点,首先对压电敏感单元进行力学建模分析,研究矢量水听器的工作原理,解决敏感结构与单晶材料的匹配问题,实现矢量水听器轴向灵敏度的优化和横向灵敏度的抑制。在此基础上研制了弛豫铁电单晶弯曲梁二维矢量水听器,其外形尺寸为(φ)50mm×65mm。测试结果表明:与同结构同尺寸的PZT-5压电陶瓷矢量水听器相比,弛豫铁电单晶矢量水听器的接收声压灵敏度提高了11dB左右,理想情况下的接收信噪比提高了14dB左右。　　 针对[111]切型弛豫铁电单晶的性能特点,研制了剪切型三维矢量水听器。通过矩阵变换的方法对晶体进行转向处理,解决弛豫铁电单晶矢量水听器设计中的横向灵敏度抑制问题。在此基础上,利用等效网络对矢量水听器进行分析和优化,总结敏感元件设计中的基本规律。设计制作了矢量水听器样品,测试结果表明:与同结构同尺寸的PZT-5压电陶瓷矢量水听器相比,[111]切型PMNT弛豫铁电单晶剪切型矢量水听器的接收声压灵敏度提高了6dB左右,理想情况下的接收信噪比提高了11dB左右。