一種提高換能器產(chǎn)品合格率的改進(jìn)結(jié)構(gòu)和工藝

邊　翔，吳燕妮

（1. 山西平陽(yáng)重工機(jī)械有限責(zé)任公司， 山西 侯馬， 043002； 2. 西安文理學(xué)院， 陜西 西安， 710065）

一種提高換能器產(chǎn)品合格率的改進(jìn)結(jié)構(gòu)和工藝

邊翔1，吳燕妮2

（1. 山西平陽(yáng)重工機(jī)械有限責(zé)任公司， 山西 侯馬， 043002； 2. 西安文理學(xué)院， 陜西 西安， 710065）

針對(duì)聲吶換能器在研制生產(chǎn)中合格率較低的問(wèn)題， 采用換能器等效電路理論分析出現(xiàn)這一問(wèn)題的原因，提出了采用非極化陶瓷片和金屬材料熱過(guò)渡的換能器改進(jìn)結(jié)構(gòu)及工藝， 試制了改進(jìn)后的換能器樣品并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明， 該改進(jìn)措施可有效提高換能器批量生產(chǎn)中的產(chǎn)品合格率， 為換能器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供參考。關(guān)鍵詞： 聲吶換能器； 等效電路； 熱過(guò)渡

0　引言

聲吶換能器是聲吶設(shè)備的重要組成部分， 其產(chǎn)品一致性的好壞直接影響聲吶系統(tǒng)的性能指標(biāo)。在換能器的生產(chǎn)過(guò)程中， 經(jīng)常存在換能器產(chǎn)品合格率低的問(wèn)題， 其主要原因是設(shè)計(jì)參數(shù)存在較大的差異， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不盡合理， 導(dǎo)致?lián)Q能器在生產(chǎn)工藝中出現(xiàn)材料物理及結(jié)構(gòu)性質(zhì)發(fā)生變化，從而出現(xiàn)總體參數(shù)的改變， 造成換能器生產(chǎn)合格率低。例如， 在測(cè)試某型換能器過(guò)程中就出現(xiàn)了大功率非線(xiàn)性失真、電聲參數(shù)一致性差的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題， 文中結(jié)合理論公式解釋了導(dǎo)致問(wèn)題產(chǎn)生的原因， 提出了改進(jìn)結(jié)構(gòu)和工藝方法，并通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證， 產(chǎn)品合格率提高到90%。

1　換能器等效電路模型

經(jīng)典復(fù)合棒換能器一般由前蓋板、壓電陶瓷晶堆和后蓋板組成， 其前、后蓋板一般為圓柱形。根據(jù)換能器各部件的機(jī)電等效網(wǎng)絡(luò)， 由邊界條件（力的連續(xù)性或速度的連續(xù)性）將各部分級(jí)聯(lián)起來(lái)就可以得到整個(gè)換能器的機(jī)電等效圖［1］， 如圖1所示。

圖1中： Zs1和Zs2分別是后蓋板和前蓋板輻射阻抗； n和c0分別為換能器的機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)和靜態(tài)電容。且

圖1　換能器分布參數(shù)等效電路模型Fig. 1　Equivalent circuit model of transducer with distributed parameters

當(dāng)換能器工作在諧振頻率附近時(shí)［2］， 可將圖1進(jìn)一步簡(jiǎn)化， 如圖2。圖中， C1，L1和R1分別為換能器的動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電阻。

圖2　換能器集中參數(shù)等效電路模型Fig. 2　Equivalent circuit model of transducer with lumped parameters

根據(jù)圖2可以獲得換能器的動(dòng)態(tài)導(dǎo)納為

當(dāng)B1=0時(shí)， 換能器處于機(jī)械諧振狀態(tài)， 此時(shí)換能器的諧振頻率

根據(jù)等效剛度計(jì)算公式

和 l分別為楊氏模量、等效面積和長(zhǎng)度）可知， 當(dāng)換能器的楊氏模量減少時(shí)， 換能器的等效剛度降低，諧振頻率下降

［3］

。

換能器的靜態(tài)電容為［4］

根據(jù)式（5）， 當(dāng)壓電陶瓷片的面積減小時(shí)， 換能器的靜態(tài)電容降低。

2　基于換能器質(zhì)量提高的產(chǎn)品工藝改進(jìn)

2.1問(wèn)題描述

圖3為一種大功率超聲發(fā)射換能器， 主要包括前蓋板、壓電陶瓷、預(yù)應(yīng)力螺桿及后蓋板等。加工中完成了換能器裝配、粘接、加熱固化等工藝流程， 測(cè)試了換能器的電聲參數(shù)。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、歸納后發(fā)現(xiàn)， 多數(shù)換能器單元存在以下一些問(wèn)題：

1） 換能器大功率發(fā)射時(shí)， 輸出波形出現(xiàn)非線(xiàn)性失真， 導(dǎo)致?lián)Q能器大功率工作電聲效率降低，無(wú)法達(dá)到要求的發(fā)射聲功率；

2） 換能器電聲參數(shù)一致性較差， 主要表現(xiàn)在諧振頻率和靜態(tài)電容偏低且一致性較差， 諧振頻率一致性差意味著組陣后換能器單元之間相位差大， 會(huì)造成發(fā)射波束和接收波束的畸變。靜態(tài)電容一致性差使得發(fā)射匹配困難， 對(duì)系統(tǒng)電源的功率需求提高。

這些問(wèn)題降低了換能器單元的合格率， 產(chǎn)生大量廢品。

圖3　改進(jìn)前換能器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3　Schematic of transducer before improvement

2.2原因分析

結(jié)合換能器等效電路理論針對(duì)上述問(wèn)題分析如下。

1） 非線(xiàn)性失真分析

非線(xiàn)性現(xiàn)象一般是由換能器某些零件出現(xiàn)損傷引起的。當(dāng)發(fā)射功率超過(guò)材料的耐受程度時(shí)，材料工作在非線(xiàn)性區(qū)， 表現(xiàn)出來(lái)就是換能器發(fā)射波形失真。一般換能器前后蓋板采用鋁和鋼金屬材料， 強(qiáng)度高不易損壞， 而換能器壓電陶瓷片較脆， 容易開(kāi)裂， 因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注是否由于陶瓷片的損傷造成換能器出現(xiàn)非線(xiàn)性。通過(guò)仔細(xì)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)， 換能器加熱固化完成后， 在壓電陶瓷片與前后蓋板尤其是與前蓋板結(jié)合處壓電陶瓷片出現(xiàn)裂紋， 有些甚至出現(xiàn)豁口， 這是導(dǎo)致?lián)Q能器出現(xiàn)非線(xiàn)性的根本原因。

結(jié)合換能器的使用材料和制作工藝可以解釋非線(xiàn)性失真形成的原因， 是壓電陶瓷片與金屬材料熱力學(xué)特性的巨大差異造成的。根據(jù)文獻(xiàn)［5］，壓電陶瓷片的熱膨脹系數(shù)為3×10-6m/℃， 而前蓋板（硬鋁合金）的熱膨脹系數(shù)為23.8×10-6m/℃， 后蓋板（鋼）的熱膨脹系數(shù)為15×10-6m/℃。當(dāng)換能器90℃高溫加熱固化時(shí)， 壓電陶瓷片的膨脹尺寸較小， 金屬蓋板尤其是鋁蓋板膨脹尺寸較大。當(dāng)固化完成后， 在陶瓷與金屬的粘接面產(chǎn)生較大的剪切力， 當(dāng)換能器溫度降至常溫時(shí)， 因?yàn)椴牧鲜湛s的程度不同， 剪切應(yīng)力可能將粘接面內(nèi)部撕裂，造成陶瓷片電極層不同程度的脫落或陶瓷片出現(xiàn)裂紋。

2） 諧振頻率分析

基于上述分析， 當(dāng)壓電陶瓷片出現(xiàn)裂紋時(shí)，相當(dāng)于壓電陶瓷片變“軟”， 陶瓷片楊氏模量降低， 根據(jù)剛度與楊氏模量的公式， 其等效剛度K降低， 再根據(jù)式（4）， 換能器的諧振頻率降低。壓電陶瓷片損傷程度不同， 換能器諧振頻率下降的程度就會(huì)不同， 表現(xiàn)出來(lái)就是一批產(chǎn)品的一致性差。

3） 靜態(tài)電容分析

同樣， 根據(jù)式（5）可知， 靜態(tài)電容與陶瓷片的有效面積成正比， 當(dāng)電極層脫落或開(kāi)裂時(shí)， 陶瓷片的有效面積Sp減小， 因此， 換能器的靜態(tài)電容下降。由于電極層破壞程度的差別， 靜態(tài)電容變化率不同， 導(dǎo)致?lián)Q能器個(gè)體之間的一致性變差。

綜上所述， 將換能器出現(xiàn)上述現(xiàn)象和問(wèn)題的原因歸結(jié)為換能器材料之間熱性能差異的結(jié)論是成立的。

2.3改進(jìn)措施

由上述原因分析可知， 要解決問(wèn)題必須改進(jìn)換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作工藝。即采用不同熱力學(xué)材料及非極化陶瓷進(jìn)行熱過(guò)渡結(jié)構(gòu)和工藝， 具體改進(jìn)方案如下。

1） 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

前蓋板采用的是鋁材料， 同樣加熱溫度下尺寸變化相對(duì)壓電陶瓷更大， 容易在結(jié)合面處產(chǎn)生剪切力。因此， 在兩者之間添加熱力特性介于2種材料之間的過(guò)渡材料， 改進(jìn)后換能器如圖4所示。

圖4　改進(jìn)后換能器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4　Schematic of transducer after improvement

在前蓋板后分別增加1個(gè)不銹鋼墊片和無(wú)極化壓電陶瓷片， 同時(shí)在后蓋板處增加1個(gè)無(wú)極化壓電陶瓷片。

增加不銹鋼墊片是因?yàn)槠錈崤蛎浵禂?shù)介于前蓋板與壓電陶瓷片之間， 可以起到緩沖作用， 從而降低剪切應(yīng)力。

增加無(wú)極化陶瓷墊片是因?yàn)槠錈崤蛎浵禂?shù)與壓電陶瓷片相同， 但其是無(wú)源的， 可以起到保護(hù)有源壓電陶瓷片電極層的作用， 避免造成有源壓電陶瓷片的損壞。

因?yàn)樵黾恿藫Q能器的總長(zhǎng)度， 為了保持諧振頻率在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)， 應(yīng)適當(dāng)縮短后蓋板的長(zhǎng)度。

2） 工藝改進(jìn)

零件受到的溫度越高， 其尺寸變化越大， 產(chǎn)生的剪切應(yīng)力越大， 因此適當(dāng)降低溫度并改進(jìn)加熱固化工藝， 可以有效改善上述情況。采用階梯型加熱固化流程， 可使固化過(guò)程更緩和， 從而使其熱過(guò)渡特性更好， 避免由于熱應(yīng)力劇烈變化引起壓電陶瓷片產(chǎn)生裂紋。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

按照改進(jìn)方案， 試制了10件換能器樣品， 測(cè)試了其電聲參數(shù)， 并與改進(jìn)前的樣品進(jìn)行了對(duì)比，改進(jìn)前后大功率發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果如表1。

從表1可以看出， 在同樣的發(fā)射功率條件下，改進(jìn)后的換能器9只發(fā)射波形正常無(wú)畸變， 改進(jìn)效果明顯。

采用阻抗分析儀測(cè)試了換能器的諧振頻率和靜態(tài)電容， 結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

由表2可知， 改進(jìn)前換能器諧振頻率在18.3～19.8 kHz之間， 一致性差別為1.5 kHz； 改進(jìn)后換能器諧振頻率在19.9～20.5 kHz之間， 一致性差別為0.6 kHz。

由表3可知， 改進(jìn)前換能器靜態(tài)電容在1.82～2.11 nF之間， 一致性差別為0.29 nF； 改進(jìn)后換能器諧振頻率在2.10～2.21 nF之間， 一致性差別為0.11 nF。

表1　功率發(fā)射結(jié)果表Table 1　Power transmitting results

表2　諧振頻率記錄表Table 2　Record of resonant frequency

表3　靜態(tài)電容記錄表Table 3　Record of static capacitance

試驗(yàn)結(jié)果證明， 文中介紹的改進(jìn)措施是有效的， 可以大幅提高產(chǎn)品的合格率和一致性。

4　結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)換能器合格率低的問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了采用無(wú)源墊片熱過(guò)渡結(jié)構(gòu)及工藝方法， 并隨樣本展開(kāi)了研制及測(cè)試， 試驗(yàn)結(jié)果表明了改進(jìn)方案的有效性。文中介紹的工藝方法可為提高縱振式換能器的合格率提供依據(jù)。

［1］欒桂冬， 張金鐸， 王仁乾. 壓電換能器和換能器基陣［M］. 北京： 北京大學(xué)出版社， 2005.

［2］Charles H. S， John L. B. Transducers and Arrays for Underwater Sound［M］. Berlin： Springer Verlag， 2007.

［3］劉望生， 俞宏沛， 周利生. 雙激勵(lì)加匹配層寬帶水聲換能器研究［J］. 聲學(xué)技術(shù)， 2008，27（2）： 285-288.

Liu Wang-sheng， Yu Hong-pei， Zhou li-sheng. The Study of Broadband Underwater Acoustic Transducer with Doubly Exciting Plus Matching layer［J］. Technical Acoustics，2008， 27（2）： 285-288.

［4］洪有才， 俞宏沛， 杜紀(jì)新. 縱向振動(dòng)換能器驅(qū)動(dòng)元件機(jī)電等效參數(shù)的計(jì)算［J］. 聲學(xué)與電子工程， 2003， 70（2）：2-4.

［5］成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 第5版. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2009.

（責(zé)任編輯： 楊力軍）

Improvement of Structure and Procedure for Raising Acceptance Rate of Sonar Transducer

BIAN Xiang1，WU Yan-ni2
（1. Shanxi Pingyang Heavy Industry Machinery Co. Ltd， Houma 043002， China； 2. Xi′an University， Xi′an 710065， China）

To raise the acceptance rate of sonar transducer in its development and production processes， an equivalent circuit model was built to analyze the factors influencing the acceptance rate. Consequently， a non-polarized piezoelectric ceramic was adopted in the structure of the transducer， and thermal transition of metallic material was applied to the procedure. A prototype of the sonar transducer with the improved structure and procedure was produced and tested. The results indicate that this improvement can raise the acceptance rate of the product.

sonar transducer； equivalent circuit； thermal transition

TJ630.34； TB564

A

1673-1948（2015）03-0183-04

2015-01-08；

2015-03-01.

邊翔（1978-）， 男， 技師， 長(zhǎng)期從事動(dòng)力及總體裝配工藝研究.