基于1-1-3型壓電復合材料的直線型換能器陣列研究

陳 靜，仲 超，秦 雷

(北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100192)

0 引言

換能器是影響聲吶系統整體性能的關鍵敏感元件[1]。近年來，無論在軍事還是民用領域，水下小目標精細探測、水下高頻成像的需求日益增加，得到廣大研究者的密切關注[2-3]。若要實現上述目標，則需研制高性能的高頻圖像聲吶。除了在數據處理、算法等方面開展研究外，還可以通過對換能器陣列的性能優化實現高頻圖像聲吶。其中，線陣換能器具有結構簡單，對算法要求低等特點，在廣泛的應用領域有著突出的優勢[4-8]。

通常采用1-3型壓電復合材料制備傳統的高頻換能器陣列。國內已研制成18陣元的1-3型復合材料的水聽器，其中陣寬0.3 m，長1.9 m，工作頻率為60 kHz，接收靈敏度能達到-190 dB且陣元間的起伏小于2 dB[5]。在制備工藝方面，楊鳳霞等采用排列-澆鑄法制備了1-3型細柱環氧樹脂壓電復合材料，當材料厚度為1.0 mm時得到其機電耦合系數為0.7[6]。Mi等分別以壓電陶瓷、環氧樹脂、硅橡膠制備出1-1-3型壓電復合材料，其具備比1-3型材料更好地與水或人體組織聲匹配特性，這一突破性進展為制備高頻寬帶接收型換能器線陣提供了參考思路[9]。此外，傳統陣列通常采用定位工裝對陣元間距進行控制，但是對于工作頻率高于500 kHz、半波長小于1.5 mm的陣列，常規布陣方式無法滿足對定位精度的要求。

針對國內直線型換能器陣列起步晚、需求空間大的現狀[10]，本文基于前期研究的1-1-3型壓電復合材料，提出了一種換能器陣的一體化成型技術，它能同時達到提高陣元間一致性、定位精度以及減小陣元間橫向耦合的效果。本文采用1-1-3型壓電復合材料制備了一種直線型換能器陣列，為對比其性能優勢，同步制備了1-3型壓電復合材料構成的換能器陣列，其壓電陶瓷柱的尺寸、陣元間距與1-1-3型壓電換能器陣列均保持一致。有限元分析及實驗驗證表明，基于1-1-3型壓電復合材料制備的直線型換能器陣列具有靈敏度高及陣元一致性好的特點。

1 新型直線型換能器陣列結構

本文設計的高頻直線型換能器陣列結構如圖1所示。該換能器陣列由多個陣元按相同間距沿水平方向排列構成，其中每一個陣元均由1-1-3型壓電復合材料構成，其結構包含3部分：

1)壓電陶瓷。作為聲電轉換的關鍵材料，其極化方向和電場方向均為壓電陶瓷的厚度方向，且只在該方向連通。

2)硅橡膠。它包裹在壓電陶瓷柱四周，同樣的只在壓電陶瓷的厚度方向上連通，其具有較低的楊氏模量，可以降低對壓電陶瓷柱縱向振動的束縛作用，從而使壓電陶瓷柱更接近自由振動狀態。

3)環氧樹脂框架。它在3個方向上均連通，作為支撐結構以固定陣元的位置，一方面可以保證基元間定位精度，另一方面也可以起到降低基元間振動耦合的效果。

根據連通性概念，第一、二相材料都在一維方向連通，第三相材料在三維方向上連通，所以定義其為1-1-3型壓電復合材料。由于該壓電材料采用厚度振動模式，故厚度尺寸對壓電復合材料的諧振頻率具有決定作用。本文設計制備的單個壓電陶瓷柱的橫截面尺寸為1.6 mm×1.6 mm，厚度為4.8 mm，每個陣元包括3個壓電柱，陣元間距為2.5 mm，整個陣列包含32陣元，整體尺寸為80 mm×7.5 mm。為了對比1-1-3型壓電復合材料構成的換能器陣列性能，本文同步制備了1-3型壓電復合材料構成的換能器陣列，其壓電陶瓷柱的尺寸、陣元間距與1-1-3型壓電換能器陣列均保持一致。

2 直線型換能器陣列的有限元仿真

首先使用ANSYS軟件對1-1-3型線陣壓電復合材料和1-3型線陣壓電復合材料分別進行有限元分析。選用昆山日盛生產的PZT-5A型壓電陶瓷作為主動相材料，其壓電相材料參數如表1所示，硅橡膠和環氧樹脂的性能參數如表2所示。在有限元分析過程中，網格劃分越精密，結果精準度越高，但其相應的數據存儲占內存越大，耗費運行時間越長，對PC端性能要求越高，所以實際操作中要綜合考量。為了分析不同位置對陣元導納的影響因素，本文采用等間隔抽樣方式選取相應陣元并施加位移對稱約束(如圖2所示)，在5個編號位置陣元的上下表面分別添加0 V電壓和1 V的簡諧電壓激勵，仿真求解后，經后處理最終得到陣元導納曲線的仿真結果。

表1 壓電材料性能參數

表2 聚合物相材料性能參數

等間距抽樣5個樣本陣元進行空氣中仿真，電導曲線仿真數據如圖3所示。圖中曲線編號代表圖2所示的陣元編號，相同編號代表陣元在陣列中的同一位置。

對比圖3(a)、(b)可知，1-1-3型直線型換能器陣列的電導曲線基本不受陣元位置的影響，即使在最邊緣位置處的1#和5#，其電導特性曲線和其他位置處的陣元也保持較高的一致性。1-1-3型直線型換能器陣的諧振頻率為300 kHz，陣元間諧振頻率起伏為0，而1-3型直線型換能器陣列的導納峰值比1-1-3型直線型換能器陣列普遍降低25%，這說明1-3型復合材料中環氧樹脂相對壓電柱的振動起到了較大的束縛作用。與此同時，1-3型直線型換能器陣列的諧振頻率隨著位置變化較大，在最邊緣的1#和5#位置處，其諧振頻率與中間位置處的差值較大。因此，在實際應用中,1-3型直線型換能器陣列邊緣位置處的陣元通常只能充當啞元，但這種情況會造成材料的冗余損失和多余的空間占比。1-3型直線型換能器陣的諧振頻率為320 kHz，陣元間諧振頻率起伏為20 kHz。

進一步分析上述情況下相同位置陣元的振動模態，其結果如圖4所示。由圖可以看出，傳統的1-3型直線型換能器陣列1#的振動模態比1-1-3型直線型換能器陣列1#的振動模態幅度低約13%，由此可驗證1-1-3型直線型換能器陣列的厚度振動更單純的結論。

通過平面陣的方式模擬水下情況：設置近水場50 mm，遠水場100 mm，沿著x軸方向振動。遠水場和邊界水采用線距1 mm的方式劃分網格，線陣通過面距1 mm的方式畫網格。由于近場水是不規則形狀，所以通過Free的方式劃分網格。完成關鍵的劃分網格工作后，在線陣的上下兩條邊緣線處施加位移對稱約束，再與近場水接觸的邊緣線處進行耦合，繼而在線陣上下邊線處分別添加0、1 V電壓，最后進入后處理得到處理結果。圖5為水中仿真顯示的聲壓圖。通過在邊界水處的曲線上均勻采樣，選取180個點的聲壓值代入計算，得到水中仿真的指向性曲線圖，如圖6所示。

為了提高水仿精度并更好地把握整體陣列的水中特性，在初始5個采樣陣列相鄰位置分別再抽樣一個點，得到10個抽樣數據，代入下式得到發射電壓響應為

SV=20×log10(p×r)+120

(1)

式中：p為聲壓值；r為邊界水距離半徑。

圖7為發射電壓響應曲線圖。

由圖7可見，1-1-3型直線型換能器陣列300 kHz處的發射電壓響應在154～156 dB變化，比1-3型直線型換能器陣列提高了約4 dB，導致差異的原因在于1-3型直線型換能器陣列存在較明顯的相鄰陣元互耦影響。在只添加硬性聚合物包覆的結構中，硬性聚合物束縛住了壓電相中的電子自由移動，進一步影響了厚度振動，并且在振動時相鄰的兩個壓電相每每互受影響，使得橫向耦合振動明顯，導致陣元之間的電導曲線差別大。由此可見，1-1-3型直線型換能器陣列的電導特性和水下性能的仿真結果符合結構設計的初衷，既提高了發射電壓響應，又改善了陣元間一致性。

3 基于1-1-3型壓電復合材料的直線型換能器陣列工藝

本文基于“一體成型”理念設計了一種直線型換能器陣列的制備工藝，以此克服傳統手工拼接、工裝定位帶來的人為誤差，同時可提高生產效率并保證批量制備的一致性。

1-1-3型壓電復合材料的直線型換能器陣列工藝如圖8所示。換能器陣列由一塊完整的壓電陶瓷(長80 mm，寬7.5 mm，厚5 mm)制備而成，以此保證陣元之間的介電常數、壓電常數等材料屬性的一致性。首先，采用Loadpoint Limited公司的MacAce型切割機將壓電陶瓷(藍色部分)沿長度方向和寬度方向進行切割，切割完成后得到如圖8(c)所示的陶瓷骨架結構。整個過程中通過機器切割的方式保證了陣元之間的定位精度，從而避免了手工拼接造成的位置不齊、高度不一致等操作誤差。其次，將環氧樹脂框架(橙色部分)嵌入陶瓷骨架中，在環氧樹脂框架與壓電陶瓷之間均勻填充硅橡膠(綠色部分)。硅橡膠固化后，切除陶瓷骨架的基底，并將復合材料加工到所需的厚度(4.8 mm)。之后采用磁控濺射法在復合材料上下表面均勻鍍銀層電極(灰色)。最后，借助日本DISCO的DAD321型號的劃片機把正電極面處理成32陣元的陣列結構，最終形成壓電復合材料陣列。壓電復合材料制備完成后，在后續換能器組裝等過程中，陣元間距始終由環氧框架來保持，從而進一步保障了各陣元的一致性和定位精度。為了使壓電振子達到有效輻射聲波的目標，將1-1-3型壓電振子粘接于背襯材料上，同時設計換能器陣元走線方式，焊接正負電極引線，使其既不影響陣元性能，又能降低陣元間電信號的串擾現象。最后使用聚氨酯作為防水透聲層進行整體封裝，固化24 h以上進行脫膜處理，處理后得到1-1-3型直線型水聲換能器陣列樣品。1-3型直線型換能器陣列作為對照組尺寸與上述樣品保持一致。兩個實驗樣品均嚴格按照“一體成型”工藝：同樣由精密儀器切割后在陶瓷骨架間隙均勻并完全填充流動性較高的環氧樹脂，靜置固化后與1-1-3型直線型換能器陣列采用相同的封裝工藝，實物如圖9所示。

4 直線型換能器陣列性能測試

(2)

由式(2)可得機電耦合系數為0.66。

通過消聲水池完成了換能器陣列的水下性能測試，主要測試指標為導納特性、接收靈敏度及發射電壓響應等。

陣元的抽樣位置如圖2所示。為了驗證換能器陣列的電導特性曲線是否符合有限元仿真的結果，把兩個直線型換能器陣列分別完全浸沒到消聲水池中，通過阻抗分析儀測得各自5個編號位置處陣元的電導曲線，如圖10所示。對比圖3、10可見，1-1-3型直線型換能器陣列的諧振頻率由300 kHz提高到315 kHz，同時1-3型直線型換能器陣列的諧振頻率由320 kHz提高到330 kHz，這是由于仿真中為簡化計算過程而未考慮換能器結構的影響，只分析了復合材料的性能。從實測結果可見，電導曲線的變化趨勢與有限元仿真結果基本保持一致。首先，1-1-3型直線型換能器陣列中5個陣元測試得到的電導特性曲線基本重合，而1-3型直線型換能器陣列中5個陣元的電導曲線差別較大，最大頻率差達30 kHz。此外，在1#和5#位置處陣元電導峰值降低，幅度達到3 000 μs，這與有限元仿真結果基本一致。

本文進一步分析了兩種換能器陣列的水下性能，測試結果如圖11～12所示。由圖11可以發現，在諧振點320 kHz處，1-3型直線型換能器陣列發射電壓響應在131～134 dB變化，起伏為3 dB，在260～400 kHz內，陣元間最大起伏約在3 dB。1-1-3型直線型換能器陣列在諧振點300 kHz處，陣元發射電壓響應在130.4～131 dB變化，起伏為0.6 dB，在260～400 kHz內，陣元間最大起伏小于1 dB。由此可見，本文提出的新型換能器陣列結構及工藝設計可以大幅提高高頻換能器陣列間的陣元一致性。

傳統的1-3型直線型換能器陣列的接收靈敏度曲線如圖12(a)所示，在反諧振頻率420 kHz處，中間陣元靈敏度為-204 dB，邊緣位置的陣元接收靈敏度為-209 dB，與中間陣元相比降低了5 dB，如果參與整體直線型換能器陣列接收，會影響聲吶系統性能。當舍棄邊緣位置的陣元后，陣元間的接收靈敏度差值在5 dB內，尚有很大的提升空間。對應的1-1-3型直線型換能器陣元的接收靈敏度在反諧振頻率420 kHz處達到最大值，不同陣元的靈敏度基本穩定在(-201±0.5)dB內，如圖12(b)所示。由此可見，1-1-3型直線型換能器陣較1-3型線陣靈敏度普遍提高了約4 dB，一致性從±5 dB提高到±0.5 dB。

5 結束語

本文設計了一種新型的高頻直線換能器陣列結構，并借助Ansys軟件分別對1-3型直線型換能器陣列和1-1-3型直線型換能器陣列進行有限元仿真，經分析電導曲線的變化得出1-1-3型直線型換能器陣列具有更好的靈敏度和陣元一致性的結論。本文設計了一種“一體成型”的直線型換能器陣列制備工藝，并制備了兩種換能器陣列樣品。實驗結果表明，與傳統1-3型直線型換能器陣列相比，1-1-3型直線型換能器陣列具有更高的靈敏度和陣元一致性，其接收靈敏度能達到一致性穩定提高4 dB，發射電壓響應的一致性穩定在0.6 dB內。因此，1-1-3型直線型換能器陣列在高頻聲吶系統中有良好的應用前景。