金字塔型寬帶平面水聲換能器的研制*

榮 畋，王宏偉，于肇賢，惠 輝

(北京信息科技大學理學院，北京 100192)

迄今為止，聲波是唯一可以在水下遠距離傳播信號的能量載體，海洋軍事、科研以及資源開發都離不開水聲技術[1]，而“海洋之耳目”—水聲換能器在水聲通訊技術中起著至關重要的作用。隨著水聲通信技術的迅猛發展，需要獲得更多、更精確的信息，如高數據速率水下通信、高分辨率圖像傳輸等，這就要求換能器在高頻狀態下發射、接收更多的信息，也即需要一個換能器在高頻段覆蓋更寬的工作區域。因此高頻寬帶換能器在軍事、科研以及民用領域展現出越來越重要的作用。然而換能器諧振模態下頻率和尺寸近似反比的關系，使得高頻狀態下，制作寬帶發射換能器具有一定的難度[2]。目前拓展換能器頻帶寬度的方式主要有以下三種[2－3]:一是使用單匹配層或多匹配層[4－7]；二是使用復合材料，降低換能器敏感元器件的Qm值(機械品質因數)[8－9]；三是多模態耦合[10－11]。然而，雖然使用匹配層可以拓展帶寬，但隨著時間的推移，匹配層的性能會退化，這也造成換能器性能的不穩定[12]；而使用的柔性復合材料雖然具有聲阻抗低、易與水聲阻抗相匹配的優勢，但是增大了損耗，在大面積使用時還會降低機電耦合系數[13]。多模態耦合則是利用兩個及以上振動模態的耦合來拓展帶寬，是目前拓展帶寬的有效方法之一。此外，PZT5(鋯鈦酸鉛)[14]材料具有居里點高，壓電效應顯著，機電耦合系數高的優勢，因此本文采用多PZT5振動層耦合，層與層之間使用柔性硅橡膠進行黏連嵌套，拓展帶寬的同時，保證振動模態的獨立性。通過SolidWorks軟件對金字塔模型進行架構，ANSYS有限元仿真軟件對敏感壓電元件進行建模仿真，特殊工藝嵌套粘合，最終設計制作出性能優良的高頻寬帶水聲換能器。

1 金字塔水聲換能器敏感元件結構

金字塔型水聲換能器敏感元件由純壓電陶瓷塊和“口”字型壓電陶瓷塊兩種結構組成，而換能器的諧振頻率以及帶寬等性能主要由敏感元件的厚度振動特性決定，因此研究確定其每一層厚度振動的特性對制作金字塔型換能器至關重要。本文通過切割壓電陶瓷—涂抹環氧樹脂—補償電極—涂抹硅橡膠等工藝制作的金字塔敏感元件結構如圖1所示。

圖1 金字塔敏感元件

該金字塔型敏感元件由四層不同尺寸壓電陶瓷層嵌套而成。第一層為壓電陶瓷小塊；第二層、第三層、第四層為壓電陶瓷條鑲拼而成的“口字型”壓電陶瓷塊。每一層均較下一層在厚度(Y軸正方向)方向上高出一定高度，Y軸正方向為正電極面，Y軸負方向為負電極輻射平面。

本文通過等效電路法對敏感元件進行理論分析，用機電類比的方式將換能器的機械振動、機電轉換過程組合在一個等效圖中，以便于求解各層換能器敏感元件的頻率。

1.1 純壓電陶瓷小塊等效電路分析

壓電陶瓷小塊是金字塔水聲換能器敏感元件基礎結構之一，因此確定壓電陶瓷小塊的尺寸對最終確定敏感元件整體諧振頻率至關重要。敏感元件中純壓電陶瓷小塊是厚度振動模態，其諧振頻率與厚度有關。設壓電陶瓷小塊厚度為t1，利用等效電路法[15]，可得壓電陶瓷小塊的電路狀態方程為:

式中，Sone為第一層純壓電陶瓷塊電極面面積，ν1、ν2為上下邊界x＝0、x＝l處的厚度振動速度，波數k1＝，ν＝3 693.2 m/s為陶瓷中縱波波速，n1為PZT5材料的機電轉換系數，F1、F2為x＝0、x＝l處端面的外力，C0為其截止電容，ρ為壓電陶瓷密度。

則根據機械振動方程(1)，純壓電陶瓷小塊諧振頻率機電等效圖如圖2所示。當模塊位于空氣中振動，可以認為其處于自由狀態，模塊兩側外力為零，得到其自由振動電路如圖3所示。

圖2 純壓電陶瓷小塊機電等效圖

圖3 空氣中純壓電陶瓷小塊機電等效圖

經過機械阻抗和電導電納運算，可以得到等效阻抗:

圖4 MATLAB求解結果

根據ω＝2πf換算頻率，即可得此模塊諧振頻率約為188 kHz。

1.2 “口”字形純壓電陶瓷結構等效電路分析

將壓電陶瓷條粘合即可得到“口”字形純壓電陶瓷結構。設三層“口”字形純壓電陶瓷結構厚度分別為t2、t3、t4，則第二、三、四層“口”字型純壓電陶瓷結構等效阻抗分別為:

根據式(3)的形式，在MATLAB中分別代入每一層具體參數并換算頻率，可得其余各層諧振頻率。當厚度分別為6.9 mm、6.6 mm、6.2 mm時，諧振頻率分別為199 kHz、208 kHz、221 kHz。此時每層模塊諧振頻率不同且差值適中，當敏感元件參數設置合理時，四層敏感元件振動可發生耦合，即可有效地拓展帶寬。

2 “金字塔”型寬帶水聲換能器敏感元件的設計

敏感元件的厚度振動特性對換能器的性能至關重要，而金字塔型敏感元件是由純壓電陶瓷塊和“口”字形壓電陶瓷共同組成的，因此分析純壓電陶瓷塊的諧振頻率隨純壓電陶瓷塊厚度的變化規律以及“口”字形壓電陶瓷諧振頻率隨厚度的變化規律則是分析該換能器敏感元件的基礎。

2.1 純壓電陶瓷塊諧振頻率隨厚度的變化規律

純壓電陶瓷諧振頻率隨振動方向厚度的變化規律研究學者們已經有相關結論。在欒桂冬先生的《壓電換能器和換能器陣》[15]一書中，可以得出:PZT5純壓電陶瓷振動方向的厚度愈厚，其諧振頻率愈低。根據這一結論，利用SolidWorks建模軟件搭建概念模型，使用ANSYS有限元仿真軟件對純壓電陶瓷塊材料進行電場仿真。純壓電陶瓷塊長15 mm，寬15 mm，高度作為自變量，通過微調厚度，分別選取6 mm，6.1 mm，6.2 mm，6.3 mm，6.4 mm，6.5 mm，6.6 mm，6.7 mm，6.8 mm，6.9 mm，7 mm，7.1 mm，7.2 mm，7.3 mm進行仿真。壓電陶瓷相采用三維耦合場單元Solid5，劃分網格后，在下底面加載0 V電壓，上表面加載1 V電壓并進行點耦合。計算完成后通過ANSYS有限元軟件后處理功能可以得到該類模型在諧振頻率下的振動模態，如圖5所示。

圖5 純壓電陶瓷塊振動模態

通過對模型的諧振響應分析，可以計算得到導納圖和導納數據表以此得到諧振頻率數值。根據每一厚度對應的諧振頻率，可以得到純壓電陶瓷模塊諧振頻率隨厚度的變化曲線，如圖6所示。

根據已有理論和圖6的計算仿真結果，隨著壓電陶瓷塊在振動方向厚度的增大，其諧振頻率呈下降趨勢。這對純壓電陶瓷塊振子參數的設置至關重要。

圖6 純壓電陶瓷模塊諧振頻率隨厚度的變化曲線

2.2 “口”字形壓電陶瓷塊諧振頻率隨厚度的變化規律

“口”字形壓電陶瓷塊作為敏感元件的重要組成之一，對“金字塔”型換能器拓展帶寬起著重要作用。金字塔模型第二、三、四層都為“口”字型壓電陶瓷模塊。在ANSYS中，劃分網格后分別在壓電陶瓷的上下表面加載1 V和0 V的電壓，對1 V電壓面的網格點進行耦合。計算完成后可得其振動模態如圖7所示。

圖7 “口”字型壓電陶瓷塊振動模態

圖7中，該結構振動模式與純壓電陶瓷塊類似，皆為電場平行于極化方向的厚度振動，所以隨壓電陶瓷厚度的增加，其諧振頻率應逐漸降低，與計算所得到的規律相吻合。

為進一步探究陶瓷塊的寬度對其性能的影響，在同一厚度參數下，微調寬度[16]，可得如下結論:在同一厚度參數下，壓電陶瓷塊的諧振頻率和帶寬隨寬度的增加略有降低。因此，陶瓷塊的寬度直接影響著敏感元件每一層間的耦合程度和整體的帶寬。四層合適的厚度、寬度參數，會使敏感元件導納曲線具有寬頻帶的同時不會產生大的凹谷，而不合適的參數會使得敏感元件不能達到耦合，以至于不能達到拓展帶寬的目的。

2.3 “金字塔”型敏感元件的設計

為保證“金字塔”型換能器達到拓展帶寬的目的，根據計算、仿真規律，選取尺寸相近的模塊進行組合并不斷優化匹配尺寸，最終選取各層的尺寸參數如表1所示。

表1 金字塔敏感元件各層平面尺寸

根據表1參數設計的敏感元件的三維爆炸示意圖如圖8所示。

圖8 金字塔敏感元件三維爆炸示意圖

根據單層的仿真結果，對金字塔敏感元件進行仿真。適當調整陶瓷塊的寬度以優化整體的耦合效果。最終得到“金字塔”型敏感元件在空氣中的導納頻譜圖，如圖9所示。

圖9 金字塔敏感元件仿真導納圖

在圖9中，第一層的純壓電陶瓷塊，其振動模態復雜且振動幅度在同條件下較小；第一、二、三、四壓電陶瓷層曲線的橫向寬度(帶寬)小于總體的橫向寬度，總體的帶寬得到有效的拓展；四層諧振頻率依次為190 kHz、210 kHz、220 kHz，240 kHz，與計算結果相近。因此本模型切實可行。

3 “金字塔”型敏感元件的制備

根據參數設計結果，制作換能器敏感元件。采用切割壓電陶瓷塊－打磨陶瓷厚度的方式將110 mm×110 mm×7.5 mm標準壓電陶瓷件切割成拼接用的壓電陶瓷塊。采用環氧樹脂618對不同尺寸壓電陶瓷層接縫處進行粘合，采用銀漿對模塊進行電極披覆。最終制得換能器單層元件示意圖如圖10(a)、10(b)所示，敏感元件如圖10(c)所示。

圖10 疊堆金字塔敏感元件

經測試，其各層諧振頻率分別為179 kHz、212 kHz、214 kHz、238 kHz，與計算仿真結果相近，效果良好。

4 “金字塔”型水聲換能器制備及性能測試

將敏感元件黏貼背襯和金屬蓋板后置于自主設計的換能器封裝模具中進行封裝，最終制得的換能器如圖11所示。

圖11 疊堆金字塔敏感元件

根據標準測試流程，將制作的換能器置于消聲水池中并使用阻抗分析儀測量其導納曲線，結果如圖12所示。

圖12 “金字塔”型換能器水中導納曲線

根據測試結果，該換能器－3 dB帶寬約為57.7 kHz。對比分析空氣、水中實測的導納曲線，水中實測曲線振動模態耦合凹谷較小，整體耦合狀況較好，主要原因是水中仿真時，添加了聚氨酯外殼并將換能器置于水中，相當于給敏感元件附加負載，其每階振動幅度都略有不同幅度的下降，這就使得各模態之間耦合程度更高。該換能器發射電壓響應如圖13(a)所示、接收電壓靈敏度13(b)所示、水平指向性如圖14所示。

圖13 “金字塔”型換能器發送電壓響應和接收電壓靈敏度

圖14 “金字塔”型換能器發送電壓響應、接收電壓靈敏度和指向性

由測試結果分析可知，金字塔型平面水聲換能器最大發射電壓響應為165.8 dB，最大接受靈敏為－180.7 dB。根據聲源級和發射電壓響應的計算公式

由測試軟件計算得到該換能器的最大聲源級為195.9 dB。測量指向性時，以2°為步進，通過旋轉換能器測量180°輻射平面內發送電壓響應隨方位角的變化，經換算可得該換能器指向性主瓣峰值下降－3 dB處開角約為10°。

與現行大多在材料上具有優勢的復合材料換能器相比，本“金字塔”型換能器具有更寬的帶寬(多數小于20 kHz)，更高的發射電壓響應和接收靈敏度(多數小于150 dB)，并且本平面換能器波束開角較大，可以探測更多、更加微弱的信號。

5 結束語

本文通過ANSYS有限元仿真軟件分析“金字塔”型敏感元件的尺寸特性，采用特殊工藝制作出高頻寬帶高靈敏度水聲換能器。測試結果表明，該換能器在水中可實現良好的四模態耦合，大幅度提高換能器帶寬，同時該換能器還具有較高的靈敏度，可探測微弱信號。

此外，該換能器可增加耦合層數以進一步拓展換能器的帶寬；敏感元件材料可以由PZT5型壓電陶瓷替換為壓電單晶PMNT，可進一步提高換能器性能。