換能器大功率下溫升規(guī)律初探

張明宇 王艷 張睿 劉佳 李凡

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108)

現(xiàn)代水聲發(fā)展中，水聲設(shè)備呈現(xiàn)出向大功率、高穩(wěn)定性、長時間使用的發(fā)展趨勢[1]。在實(shí)際使用中，換能器的功率極限限制因素主要分為電極限、空化極限、熱極限、應(yīng)力極限等，在換能器的連續(xù)工作中，熱極限往往率先出現(xiàn)。

在進(jìn)行長時間大功率發(fā)射時，換能器存在一定損耗，因此電能無法全部轉(zhuǎn)化為聲能，其中，大部分損耗電能將會轉(zhuǎn)化成熱能。由于圓管換能器輻射面往往被導(dǎo)熱性能較差的水密層所覆蓋，且圓管換能器上不易針對地設(shè)置散熱器件，所以熱能無法及時散掉。因此大量的熱能將隨時間逐步累積，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q能器溫度升高，出現(xiàn)諸如換能器阻抗降低、通過電流增大、壓電陶瓷退極化等現(xiàn)象[2]，相關(guān)設(shè)備因此過載或損壞[3,4]。結(jié)合圓管換能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文對圓管換能器大功率長脈沖下的溫度分布特性進(jìn)行仿真計(jì)算與測量監(jiān)控，為研究圓管換能器較長時間下的工作特性提供一定參考。

1 圓管換能器的熱仿真

有限元軟件可以有效地計(jì)算壓電陶瓷換能器的性能參數(shù)，模擬換能器的真實(shí)工作狀態(tài)，解決應(yīng)力分布、振動特性、熱量分布等多類問題[5]。

換能器的發(fā)熱性能主要受通過換能器兩端的電流以及其自身阻抗性能的影響。當(dāng)電流流經(jīng)自阻抗一定的換能器時，換能器內(nèi)部電阻會因電流的熱效應(yīng)而產(chǎn)生熱能。

本文在設(shè)定換能器阻抗一定的前提下，使用有限元軟件仿真圓管換能器在不同電流與不同外界環(huán)境條件下的內(nèi)部溫度分布情況。對尺寸為 Φ70 mm×Φ66 mm×25 mm，材料為PZT-4的徑向極化壓電陶瓷圓管換能器進(jìn)行仿真。

對換能器開展空氣環(huán)境穩(wěn)態(tài)仿真，假設(shè)換能器內(nèi)壁接觸空氣腔，外壁接觸自由場空氣環(huán)境，空氣環(huán)境恒定為 20 ℃，當(dāng)通過圓管換能器兩端的電流分別為0.05、0.1、0.2、0.3 A時，空氣環(huán)境圓管換能器上的穩(wěn)態(tài)溫度分布情況如圖1～4所示。

圖1 0.05 A電流下圓管換能器溫度分布情況

圖2 0.1 A電流下圓管換能器溫度分布情況

圖3 0.2 A電流下圓管換能器溫度分布情況

圖4 0.3 A電流下圓管換能器溫度分布情況

由仿真結(jié)果可知，在空氣環(huán)境中，當(dāng)通過換能器的電流為0.05 A時，圓管換能器上的最高溫度約為30.3 ℃；當(dāng)通過換能器的電流為0.1 A時，圓管換能器上的最高溫度約為 41.3 ℃；當(dāng)通過換能器的電流為0.2 A時，圓管換能器上的最高溫度約為65.8 ℃；當(dāng)通過換能器的電流為0.3 A時，圓管換能器上的最高溫度約為94.4 ℃。

對換能器開展水環(huán)境穩(wěn)態(tài)仿真，假設(shè)換能器內(nèi)壁接觸空氣腔，外壁接觸自由場水環(huán)境，空氣環(huán)境恒定為 20 ℃，當(dāng)通過圓管換能器兩端的電流分別為0.25、0.5、1、1.5 A時，空氣環(huán)境圓管換能器上的穩(wěn)態(tài)溫度分布情況如圖5～8所示。

圖5 0.25 A電流下圓管換能器溫度分布情況

圖6 0.5 A電流下圓管換能器溫度分布情況

圖7 1 A電流下圓管換能器溫度分布情況

圖8 1.5 A電流下圓管換能器溫度分布情況

由仿真結(jié)果可知，在空氣環(huán)境中，當(dāng)通過換能器的電流為0.25 A時，圓管換能器上的最高溫度約為29.1 ℃；當(dāng)通過換能器的電流為0.5 A時，圓管換能器上的最高溫度約為 38.7 ℃；當(dāng)通過換能器的電流為 1 A時，圓管換能器上的最高溫度約為59.9 ℃；當(dāng)通過換能器的電流為1.5 A時，圓管換能器上的最高溫度約為84.2 ℃。

仿真發(fā)現(xiàn)，通過圓管換能器的電流越大，換能器發(fā)熱現(xiàn)象越明顯，并且換能器的穩(wěn)態(tài)平衡溫度隨通過換能器上電流的增大而升高。

有限元軟件仿真可以在一定程度上計(jì)算換能器的發(fā)熱情況。但是，換能器在實(shí)際使用中的發(fā)熱情況往往更為復(fù)雜，水密層的導(dǎo)熱性能也將對換能器溫度特性分布產(chǎn)生極大影響，所以應(yīng)開展更加深入的實(shí)驗(yàn)。

2 圓管換能器升溫過程實(shí)驗(yàn)

換能器溫度對水聲設(shè)備的工作狀態(tài)、工作精度等參數(shù)的評估有著非常重要的意義，所以及時精確地獲得換能器的溫度變化數(shù)據(jù)就成為了相關(guān)研究的基礎(chǔ)性工作。當(dāng)換能器的產(chǎn)熱功率等于換能器的散熱功率時，換能器溫度將到達(dá)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，但是，當(dāng)產(chǎn)熱功率大于散熱功率時，換能器溫度將不斷上升[6]。

在實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)使用較低的發(fā)射電壓激勵換能器，從而避免換能器應(yīng)力極限對熱極限產(chǎn)生影響。并且，使用兩只徑向極化圓管換能器進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，陶瓷圓管尺寸為Φ70 mm×Φ66 mm×25 mm，材料為PZT-4。將兩只換能器記為1#和2#。

使用換能器進(jìn)行連續(xù)波發(fā)射工作，信號頻率為換能器發(fā)射響應(yīng)最大時頻率，即14.6 kHz。在測試中同時監(jiān)控并記錄換能器溫度隨時間的變化情況與此時的聲源級大小。在實(shí)驗(yàn)中，使用兩只圓管換能器進(jìn)行連續(xù)波發(fā)射測試，在100～450 V的有效值電壓施加下，換能器溫度出現(xiàn)不同程度的升高。在500 V有效值電壓的連續(xù)波測試下，換能器測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 圓管換能器溫度測試曲線

從對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

（1）從測試開始至第 15 min，圓管換能器內(nèi)壁溫度上升至約80 ℃；

（2）同一時刻下，圓管換能器的內(nèi)壁溫度略高于外壁溫度；

（3）繼續(xù)進(jìn)行測試，換能器溫度將進(jìn)一步上升，未達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

從測試結(jié)果可以看出，換能器的溫升特性受到換能器兩端施加電壓影響，并且溫度上升現(xiàn)象對換能器的聲學(xué)性能也存在一定影響，當(dāng)換能器溫度達(dá)到100℃時聲源級將下降約6 dB。所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)對圓管換能器采取一定的散熱措施，降低圓管換能器內(nèi)部溫度，延長換能器的穩(wěn)定工作時間，使得水聲對抗換能器保持較長時間的穩(wěn)定工作。并且可以使用該溫度測量方法對其他類型的換能器進(jìn)行溫度測試工作，得到換能器的穩(wěn)定工作時間。同時，對換能器溫升影響原因開展研究，有助于在實(shí)際應(yīng)用中規(guī)避換能器溫度特性帶來的不良影響，保障換能器的正常使用。

3 溫度對聲源級影響原因分析

在換能器大功率、長脈沖使用時，壓電陶瓷元件的溫度特性將在一定程度上影響換能器聲學(xué)特性[7]。壓電陶瓷溫度特性集中體現(xiàn)于線膨脹特性與溫度影響特性。線膨脹特性即壓電陶瓷在一定溫度條件下所產(chǎn)生的形變特性。在本實(shí)驗(yàn)中，薄壁壓電陶瓷圓管的線膨脹特性較弱，在環(huán)境溫度升高后對換能器聲學(xué)性能影響較小。溫度對壓電效應(yīng)存在一定影響[6]。當(dāng)溫度升高后，壓電陶瓷中部分高內(nèi)能亞穩(wěn)態(tài)電疇結(jié)構(gòu)將會在一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛢?nèi)能完全穩(wěn)態(tài)電疇結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的減小，造成電性能下降，出現(xiàn)老化現(xiàn)象。同時，不同溫度對壓電陶瓷去極化作用的影響程度也不同。當(dāng)溫度升高后，電疇動能增大，電疇結(jié)構(gòu)更加容易發(fā)生轉(zhuǎn)化，陶瓷內(nèi)部去極化現(xiàn)象愈發(fā)明顯，換能器老化進(jìn)程進(jìn)一步加快，在換能器內(nèi)部溫度升高至換能元件居里溫度后，換能元件的壓電效應(yīng)將會逐漸減弱，甚至消失。圖 10為一種使用耐高溫?fù)诫s技術(shù)制作的壓電陶瓷的壓電常數(shù) d33溫度穩(wěn)定性變化曲線，可以作為PZT-4壓電陶瓷材料在高溫條件下性能變化的部分佐證。

隨著換能器內(nèi)部熱量的累積，換能器內(nèi)部溫度逐漸升高，導(dǎo)致?lián)Q能器內(nèi)壓電陶瓷的電疇不斷轉(zhuǎn)化，d33不斷減小，換能器的聲源級與機(jī)械效率隨之降低，產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步增大，進(jìn)而造成惡性循環(huán)，最后使得內(nèi)部溫度急劇升高。在換能器溫度上升過程中，過高的溫度也將在換能器上造成熱應(yīng)力聚集現(xiàn)象，熱應(yīng)力的聚集也導(dǎo)致?lián)Q能器上的應(yīng)力分布情況改變，影響了換能器的大功率發(fā)射工作。

另外，對實(shí)驗(yàn)過后的換能器進(jìn)行解剖，可以發(fā)現(xiàn)，隨著換能器溫度的上升，包裹在圓管換能器外壁上的聚氨酯水密層出現(xiàn)了部分融化。因此高溫條件對聚氨酯的融化效果也進(jìn)一步地限制了換能器的聲輻射能力，降低了換能器的發(fā)射聲源級。

4 結(jié)束語

本文對圓管換能器在不同電流情況下的發(fā)熱現(xiàn)象進(jìn)行了仿真，并對圓管換能器在大功率長脈沖下的溫升情況進(jìn)行了測試與分析，對圓管換能器的設(shè)計(jì)與使用有一定的幫助。在今后的研究中，將對圓管換能器進(jìn)行更加深入的仿真分析，進(jìn)一步研究換能器的發(fā)熱機(jī)理，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證溫度條件對換能器的電學(xué)特性的影響效果，并開展圓管換能器的散熱技術(shù)研究，為換能器大功率、長脈沖的使用工作提供一定指導(dǎo)與幫助。