小尺寸低功耗換能器的研究

孫淑珍王亮

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京，100049；2.北京長(zhǎng)城電子裝備有限責(zé)任公司，北京，100082）

小尺寸低功耗換能器的研究

孫淑珍1，2王亮2

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京，100049；2.北京長(zhǎng)城電子裝備有限責(zé)任公司，北京，100082）

根據(jù)水下電話通訊系統(tǒng)的特點(diǎn)，研制了一種低頻、小尺寸、低功耗換能器。采用V型彎張鈸式換能器，對(duì)其性能進(jìn)行了仿真并制作了樣機(jī)，在諧振頻率為6.7 kHz時(shí)外形尺寸只有Φ40×12 mm，適用于水下電話通訊系統(tǒng)。

鈸式換能器；低頻；小尺寸；低功耗；水下電話

水聲換能器用來(lái)發(fā)射和接收聲信號(hào)，是水聲設(shè)備中必不可少的裝置。水下電話是水下作業(yè)時(shí)用的通訊設(shè)備。工作時(shí)，由潛水員將其背在身上?？紤]到攜帶方便，需要換能器具有尺寸小、重量輕的特點(diǎn)，通常使用圓環(huán)型換能器。一般尺寸小的圓環(huán)換能器頻率高，高頻信號(hào)在水中傳輸時(shí)，傳播損失較大。相對(duì)而言，低頻信號(hào)的傳播損失要小得多，聲源級(jí)相同時(shí)，低頻信號(hào)傳播要遠(yuǎn)一些。本文嘗試研制一種鈸式低頻換能器用在水下電話系統(tǒng)中。鈸式換能器是一種小型化的V型彎張換能器，自從八十年代末賓夕法尼亞大學(xué)研制成V型彎張換能器以來(lái)［1］，有了一定的發(fā)展。它具有尺寸小、重量輕、頻率低的特點(diǎn)，工作頻帶內(nèi)無(wú)指向性，符合水下電話系統(tǒng)對(duì)換能器的要求。彎張換能器工作時(shí)利用的是換能器的彎曲和伸張振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小尺寸低頻工作。

1　結(jié)構(gòu)及材料選擇

鈸式換能器是由陶瓷片和兩片金屬端帽組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，因其形狀像樂(lè)器鈸而得名。陶瓷片為端向極化，當(dāng)有電壓施加在陶瓷元件兩端時(shí)，陶瓷元件作徑向振動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)兩邊端帽作彎曲振動(dòng)。

圖 1 鈸式換能器結(jié)構(gòu)示意圖

通常，激勵(lì)材料有PZT-4、PZT-8、PZT-5等，發(fā)射換能器一般選用硬性材料PZT-4，大功率發(fā)射選用PZT-8，接收用換能器選用軟性材料PZT-5。由工作原理可知，鈸式換能器主要利用了材料的d31，本文研究的換能器主要用于小功率發(fā)射，所以驅(qū)動(dòng)材料選用d31較大的PZT-5。

端帽材料的選擇有很多種，對(duì)于尺寸相同的換能器來(lái)說(shuō)，諧振頻率是與材料的聲速成正比的［2］。圖2中數(shù)字代表的金屬材料分別是：1黃銅；2鎢；3鋼；4鋁；5鈦；6鉬。數(shù)據(jù)表明可以通過(guò)選擇金屬端帽的材料來(lái)控制換能器的一階諧振頻率大小。其中黃銅作端帽換能器無(wú)論在空氣中還是在水中，它的一階諧振頻率都比其它材料的要低。同時(shí)黃銅有很大的剛度和疲勞極限，綜合考慮成本等因素，選擇黃銅作端帽材料。

圖 2 端帽材料對(duì)換能器諧振頻率的影響

2　換能器性能仿真

如圖1所示，換能器需要確定的參數(shù)有：金屬端帽頂部直徑R1、金屬端帽底部直徑R2、壓電陶瓷片直徑R3、空腔高度H、金屬端帽厚度H1、壓電陶瓷片厚度H2，環(huán)氧樹(shù)脂的厚度H3，因?yàn)榄h(huán)氧層很薄，圖中省略。ANSYS是一個(gè)大型的有限元軟件，可以用來(lái)解決結(jié)構(gòu)、流體及流固耦合等問(wèn)題，適合做復(fù)雜綜合分析。用ANSYS軟件進(jìn)行性能仿真，選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)。

由于換能器的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，選取二分之一的對(duì)稱模型，軸對(duì)稱單元。鈸式換能器有空氣中及水中有限元模型如圖3所示。由于水下電話通訊裝置是背在潛水員身上，而換能器裝在通訊裝置的頂部，考慮到安裝空間，初步確定換能器水中頻率為6 kHz左右。

鈸式換能器在空氣中諧振頻率和水中諧振頻率分別隨陶瓷片厚度、端帽厚度、空腔高度的增加而增加，隨著空腔底部半徑、空腔頂部半徑的增加而減小。當(dāng)陶瓷片厚度大于2 mm時(shí)，水中諧振頻率變化不明顯。發(fā)射電壓響應(yīng)隨著陶瓷片厚度的增加而快速變小，隨著陶瓷片半徑、端帽厚度、空腔高度的增加而增大，而隨著空腔底部半徑的增大先是增大然后減小，隨著空腔頂部半徑的增大而減?。?］。端帽厚度變小的時(shí)候，諧振頻率下降，所能承受強(qiáng)度也下降。陶瓷片變薄時(shí)，諧振頻率會(huì)下降，陶瓷片所能承受的工作電壓也會(huì)隨之下降，進(jìn)而所能發(fā)射的聲源級(jí)也會(huì)降低。結(jié)合使用要求綜合考慮，我們?nèi)√沾善睆綖?6 mm，厚度取2 mm；端帽厚度取0.2 mm，空腔高度2 mm。用ANSYS軟件仿真其空氣中及水中的性能，導(dǎo)納仿真結(jié)果見(jiàn)圖4，發(fā)射電壓相應(yīng)仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖 3 鈸式換能器空氣中（上圖）及水中（下圖）有限元模型

圖 4 鈸式換能器空氣中（上圖）及水中（下圖）導(dǎo)納曲線

從圖4可以看出，換能器在空氣中的諧振頻率為11.8 kHz，水中諧振頻率為6.5 kHz，-3 dB帶寬為1.6 kHz。從圖5可以看出，換能器的最大發(fā)射電壓響應(yīng)在6.6 kHz頻率點(diǎn)處達(dá)到最大為127 dB。

圖 5 鈸式換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)曲線

3　換能器性能測(cè)試及應(yīng)用評(píng)估

根據(jù)上文仿真結(jié)果，組裝并灌封了一個(gè)換能器樣機(jī)見(jiàn)圖6，外形尺寸為Φ40×12 mm。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8。

圖 6 鈸式換能器

圖 7鈸式換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)測(cè)試曲線

從圖7、圖8中的測(cè)試曲線可以看出，研制的鈸式換能器空氣中諧振頻率為11.70 kHz，水中諧振頻率為6.43 kHz，-3 dB帶寬為2.18 kHz，等效阻抗約8068 ?；最大發(fā)射電壓響應(yīng)為126 dB?？諝庵泻退械闹C振頻率仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本一致，-3 dB帶寬實(shí)際測(cè)試結(jié)果比仿真結(jié)果要寬，這是因?yàn)樵诶碚摲抡娼⒛Ｐ蜁r(shí)忽略了換能器粘接膠層及外面灌注的聚氨酯層，所以實(shí)際研制的樣機(jī)工作頻帶比仿真結(jié)果寬，Q值偏小。在水聲通信中，寬的工作頻帶會(huì)提高通信速率或減小誤碼率，在實(shí)際應(yīng)用中更有優(yōu)勢(shì)。

圖 8 鈸式換能器空氣中（上圖）及水中（下圖）導(dǎo)納測(cè)試曲線

在三級(jí)海況，良好水文條件下，水下電話采用30 kHz高頻水聲信號(hào)，發(fā)射源級(jí)為170 dB，通訊距離可達(dá)到3.6 km，消耗功率為10 W。采用本文的鈸式換能器，用6.7 kHz信號(hào)載頻，消耗功率為10 W時(shí)，聲源級(jí)可達(dá)174 dB，由于低頻信號(hào)在水中的傳播衰減小，通訊距離可達(dá)15 km。當(dāng)通訊距離同為3.6 km時(shí)，采用30 kHz水聲信號(hào)，消耗功率為10 W；采用6.7 kHz水聲信號(hào)，消耗功率僅為0.2 W。由此可知，本文研制的低頻換能器消耗功率非常小。

4　結(jié)論

本文研制了適合用在水下電話系統(tǒng)中的低頻鈸式換能器，給出了理論結(jié)果及測(cè)試結(jié)果，兩者基本符合。由于優(yōu)化了換能器結(jié)構(gòu)部分尺寸分配，發(fā)射電壓響應(yīng)比國(guó)外某相同諧振頻率的鈸式換能器高3 dB左右。通常水下電話通訊系統(tǒng)中電源采用的是電池，能量有限，低功耗是非常有優(yōu)勢(shì)的。該型鈸式換能器很好的符合了水下電話整機(jī)的小尺寸、低功耗要求，將其用在水下電話系統(tǒng)中是今后的一個(gè)研究方向。

［1］ NEWNHAM R E，DOGAN A. Metal-electroactive ceramic composite transducer：US5729077［P］.1998-03-17.

［2］ WALTER L CARNEY，THOMAS R HOWARTH，JAMES F TRESSLER. Thin，low frequency，oil-filled projectors for UUV applications［C］. The Industrys Premier US Conference and Exposition，2001，3：1577-1580.

［3］ 邢建新. Cymbal換能器及成陣技術(shù)研究［D］. 哈爾濱工程大學(xué)，2006.