一種寬頻帶壓電單晶換能器設計

劉一鳴, 田豐華,2, 宋 哲, 王 濤, 呂林夏

一種寬頻帶壓電單晶換能器設計

劉一鳴1, 田豐華1,2, 宋 哲1, 王 濤1, 呂林夏1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 西安交通大學 電子與信息工程學院, 陜西 西安, 710049)

為提高復合棒換能器的低頻性能、工作帶寬、發送電壓響應和接收靈敏度, 文中以鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)壓電單晶作為驅動元件, 利用匹配層技術拓展帶寬, 設計了寬頻帶壓電單晶換能器。利用有限元軟件分別建立壓電單晶換能器和相似規格的壓電陶瓷換能器的有限元模型, 完成了對PMN-PT單晶材料性能的量化評估。水池測試表明, 利用PMN-PT單晶材料作驅動元件的寬帶換能器與鋯鈦酸鉛壓電陶瓷PZT-4相比, 頻率更低, 帶寬更寬, 發送電壓響應提高3~5 dB, 接收靈敏度提高1~12 dB, 可有效提高換能器的水聲探測能力。

復合棒換能器; 壓電單晶; 匹配層; 有限元; 寬頻帶

0 引言

現有研究表明, 聲波是大海里唯一能夠遠距離傳遞信息和能量的載體, 而水聲換能器作為聲波產生、發射和接收的裝置, 已成為水聲技術發展的關鍵部件。隨著信號處理技術的迅速發展, 為提高探測能力需要獲取更多的信息, 這就對換能器的聲學性能提出了更高的要求, 而新功能材料的使用是水聲換能器性能提升的關鍵因素。

壓電單晶材料自問世以來, 便以其優越的性能成為聲學換能器的研究熱點。1981年, Kuwata等[1]采用助溶劑法生長出達到壓電測試尺寸要求的鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛(PZN-PT)材料, 測得其壓電常數33=1500 pC/N, 機電耦合系數33=90%。接著, 美國賓州大學和中科院上海硅酸鹽研究所的專家們, 分別采用不同方法生長出了大尺寸、高質量的弛豫鐵電單晶材料[2-3]。之后, 國內外專家陸續開展了對單晶換能器的技術研究。Tressler等[4-5]用鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)單晶材料, 鋯鈦酸鉛壓電陶瓷PZT-4和PZT-5H材料分別制作了cymbal換能器基陣, 得出壓電單晶換能器的聲源級相對于PZT換能器至少大4 dB的結論; 獲得同樣的聲功率, 單晶換能器所需的電壓-電流乘積僅是PZT換能器的1/3; 單晶換能器在大驅動下工作1~2小時, 聲性能沒有明顯下降。Shrout等[6]分別制作了PMN-PT單晶和1-3型壓電復合材料超聲換能器, 驗證了單晶換能器具有更好的寬帶特性和靈敏度。Meyer等[7]用單晶材料和PZT-8材料分別制作了同結構尺寸的復合棒換能器, 在保證相近頻率工作的前提下, 單晶換能器的尺寸減小30%, 發射和接收響應更高并且發射效率更高。在國內, 孟洪[8]和鄭信雄[9]等也開展了弛豫鐵電單晶材料在水聲換能器方面的應用研究。可見, 新型壓電單晶材料具有許多優點, 其應用也可大幅度提高換能器各方面的性能, 是新一代換能器的理想功能材料。

為了提高換能器的收發性能和拓展換能器的工作帶寬, 文中采用PMN-PT作為換能器驅動材料, 運用匹配層技術拓展帶寬, 研制了一種寬頻帶壓電單晶換能器。并通過有限元軟件對壓電單晶換能器和相似規格的壓電陶瓷換能器進行仿真對比, 以對寬頻帶壓電單晶換能器的水聲探測能力進行評估。

1 新型弛豫鐵電單晶材料及其性能

通過對比發現, PMN-PT單晶材料與PZT-4壓電陶瓷相比具有以下優點: 1) PMN-PT的相對介電常數大于PZT-4, 以其作為換能器的驅動材料能夠降低換能器的阻抗, 更易于實現阻抗匹配; 2) PMN-PT的柔性常數大于PZT-4, 易于獲得較低的諧振頻率或者減小換能器的尺寸; 3) PMN- PT的壓電應變常數和機電耦合系數均大于PZT- 4, 有利于使換能器獲得較大的應變, 擴展工作帶寬。

表1 PMN-PT與PZT-4部分性能參數對比

表2 PMN-PT與PZT-4彈性常數對比

表3 PMN-PT與PZT-4壓電應力常數對比

表4 PMN-PT與PZT-4相對介電常數對比

但是壓電單晶材料矯頑場較低, 退極化場低, 居里溫度較低, 抗壓強度也較低, 這些弱點需要在設計制作過程中去研究解決。

2 理論分析

圖1 復合棒換能器機電等效圖

機械共振頻率為動態回路中總電抗等于零時的頻率。其中總電抗為

圖2 左(右)半部分機電等效圖

前后蓋板假設為等截面細棒, 其等效機械阻抗為

若置于空氣中, 則其等效機械阻抗為

所以可得頻率方程為

3 2種換能器仿真比較

文中通過有限元軟件分別對相似規格的壓電單晶換能器和壓電陶瓷換能器進行仿真。在建立模型過程中忽略粘接層、電極片等對性能影響較小的結構。由于方頭復合棒換能器屬于對稱結構, 所以只建立1/4的3D換能器結構。前蓋板選用密度較小的硬鋁, 后質量塊選用密度較大的銅, 預應力螺桿選用韌性較好的鋼。

2種換能器前蓋板和后質量塊的尺寸完全一致。2種壓電材料片的外徑相同, 壓電單晶PMN- PT的內徑比壓電陶瓷PZT-4的小2 mm, 厚度比壓電陶瓷小2 mm, 并且2種換能器的壓電材料片數均為4。2種換能器的匹配層橫截面積完全一樣, 壓電單晶換能器的匹配層厚度比壓電陶瓷換能器小2 mm, 其中匹配層的材料參數見表5。為了綜合提升壓電單晶換能器的聲學性能, 將4片壓電單晶片采用串并串的連接方式, 這樣在換能器諧振頻率不變的情況下, 使得換能器的電容變小, 阻抗變大, 從而提高換能器的接收性能。通過上述結構參數完成對壓電單晶換能器和相似結構的壓電陶瓷換能器的建模分析。換能器有限元模型如圖3所示。

表5 匹配層材料參數

圖3 換能器有限元模型

3.1 無匹配層仿真結果

無匹配層的2種換能器在空氣中的電導值有限元仿真對比曲線見圖4, 橫坐標為諧振頻率。

圖4 無匹配層壓電單晶換能器和壓電陶瓷換能器電導值有限元仿真曲線

3.2 帶有匹配層仿真結果

帶有匹配層的2種換能器在空氣中的電導值有限元仿真對比曲線如圖5所示, 可以看出: 壓電單晶換能器第1階諧振頻率為21.3 kHz, 第2階諧振頻率為44.3 kHz, 而壓電陶瓷換能器第1階諧振頻率為22.7 kHz, 第2階諧振頻率為43 kHz。PMN-PT單晶換能器諧振頻率處的電導值更高, 第1階諧振頻率更低。

圖5 帶有匹配層壓電單晶換能器和壓電陶瓷換能器電導值有限元仿真曲線

帶有匹配層的2種換能器在水域中的發送電壓響應(transmitting voltage response, TVR)有限元仿真對比曲線見圖6。從圖可知: 壓電單晶換能器在17.8~42.2 kHz頻帶內, TVR大于134.2 dB, 起伏小于6 dB, 比壓電陶瓷大3~5 dB, –6 dB帶寬向兩端拓展1.6 kHz, 故PMN-PT單晶材料的復合棒換能器發射性能更好。其中, 單晶材料壓電常數和機電耦合系數都大于PZT-4材料, 更利于復合棒換能器獲得較大的應變和拓展換能器的工作帶寬。

帶有匹配層的2種換能器在水域中的接收靈敏度有限元仿真對比曲線如圖7所示, 可以看出: 壓電單晶換能器在21~43.2 kHz頻帶內自由場接收靈敏度大于–172.3 dB, 起伏小于6 dB, 其比壓電陶瓷換能器高1~12 dB, –6 dB帶寬向兩端拓展了7.6 kHz, 所以PMN-PT單晶材料的復合棒換能器接收性能更好。

圖6 壓電單晶換能器和壓電陶瓷換能器發送電壓響應有限元仿真曲線

圖7 壓電單晶換能器和壓電陶瓷換能器接收靈敏度有限元仿真曲線

4 壓電單晶換能器的制作與測試

4.1 壓電單晶換能器的制作

4.2 壓電單晶換能器的測試

將制作好的壓電單晶換能器進行封裝, 以確保在水中的密封性和絕緣性。借助自動化測量系統, 在消聲水池對PMN-PT壓電單晶換能器進行聲學性能測試。

圖8 壓電單晶換能器實物

測試水中的TVR曲線見圖9, 最大TVR為139.6 dB, 在18~42 kHz頻帶內, TVR大于134 dB, 起伏小于6 dB。測試水中的接收靈敏度曲線如圖10所示, 最大為–166 dB, 在19~44 kHz頻帶內自由場大于–172 dB, 起伏小于6 dB。

圖9 壓電單晶換能器TVR曲線

圖10 壓電單晶換能器接收靈敏度曲線

4.3 試驗結果對比分析

為驗證PMN-PT壓電單晶材料參數的可靠性及與對應換能器結構的匹配度, 文中對仿真結果與實測結果進行了對比分析, 如圖11和圖12所示。測試結果與仿真計算結果略有差異, 原因包括: 實際的PMN-PT單晶材料的性能參數和仿真材料參數略有差異; 在換能器各部分的制作過程中, 實際尺寸與設計尺寸存在差異; 各部分連接可能存在非剛性連接等。整體而言, 仿真結果與實測結果具有較好的一致性。

圖11 發送電壓響應實測與仿真對比曲線

圖12 接收靈敏度實測與仿真對比曲線

5 結束語

文中通過有限元仿真對相似結構的PMN-PT壓電單晶復合棒換能器和PZT-4壓電陶瓷復合棒換能器進行了分析比較, 并研制了PMN-PT壓電單晶換能器, 然后對其進行水池測試, 證明仿真結果與實測結果具有較好的一致性。通過有限元軟件仿真對比分析表明: 相似結構下, PMN-PT單晶材料復合棒換能器的低頻性能、工作帶寬、發射和接收性能都優于PZT-4陶瓷材料的復合棒換能器, 所以PMN-PT材料能夠有效地提高換能器的水聲探測能力。結合不同的應用背景和需求, 后續還需開展PMN-PT壓電單晶換能器的功率老化、抗振動沖擊能力及相應的環境適應性研究。

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Design of a Broadband Piezoelectric Single Crystal Transducer

LIU Yi-ming1, TIAN Feng-hua1,2, SONG Zhe1, WANG Tao1, Lü Lin-xia1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2. School of Information and Communications Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To improve the low-frequency performance, working bandwidth, transmitting voltage response and recei- ving sensitivity of the composite bar transducer, a broadband piezoelectric single crystal transducer is designed with PMN-PT piezoelectric single crystal as the driving element, and the matching layer technology is adopted to expand its bandwidth. The finite element software is employed to establish finite element models of the piezoelectric single crystal transducer and a similar piezoelectric ceramic transducer, and quantitative evaluation of single crystal PMN-PT materials is completed. Pool test shows that compared with the transducer with PZT-4 material, the designed broadband transducer has lower frequency and wider bandwidth, and its transmission voltage response is 3~5 dB higher and receiving sensitivity is 1~12 dB higher, indicating that the designed transducer has better acoustic detection performance.

composite bar transducer; piezoelectric single crystal; matching layer; the finite element; broadband

TJ630; U666.74

A

2096-3920(2020)01-0107-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.015

劉一鳴, 田豐華, 宋哲, 等. 一種寬頻帶壓電單晶換能器設計[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(1): 107-112.

2019-05-28;

2019-07-09.

劉一鳴(1995-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為水聲換能器與聲系統.

(責任編輯: 楊力軍)