堆疊壓電復(fù)合材料圓環(huán)換能器研究

王宏偉， 王麗坤， 秦雷， 李超， 張浩

(北京信息科技大學(xué) 理學(xué)院 傳感技術(shù)研究中心，北京 100192)

堆疊壓電復(fù)合材料圓環(huán)換能器研究

王宏偉， 王麗坤， 秦雷， 李超， 張浩

(北京信息科技大學(xué) 理學(xué)院 傳感技術(shù)研究中心，北京 100192)

針對目前換能器亟待擴(kuò)展帶寬的問題，本文通過將兩個不同共振頻率的圓環(huán)進(jìn)行軸向堆疊產(chǎn)生雙模態(tài)耦合的方式研制了一種寬帶壓電復(fù)合材料圓環(huán)水聲換能器的敏感元件。該換能器敏感元件由兩個壓電復(fù)合材料圓環(huán)進(jìn)行軸向堆疊，從而實(shí)現(xiàn)厚度方向的雙模耦合振動。通過徑向切割壓電陶瓷圓環(huán)、灌注柔性聚合物(如環(huán)氧樹脂、聚氨酯等)、樣品打磨、被覆電極等一系列工藝制備出壓電復(fù)合材料圓環(huán)。再將制備出的相同外徑、不同壁厚的壓電復(fù)合材料圓環(huán)進(jìn)行軸向疊堆，制備出疊堆壓電復(fù)合材料敏感元件。用制備出的敏感元件通過灌注防水透聲層、封裝得到的換能器進(jìn)行水下性能測試。測試結(jié)果顯示：該換能器諧振頻率為410 kHz，-3 dB帶寬達(dá)60 kHz。實(shí)現(xiàn)了換能器寬帶發(fā)射聲波的目標(biāo)。

換能器；壓電復(fù)合材料；圓環(huán)陣；軸向堆疊；寬帶；高頻

聲波是唯一能在水下存在的信號傳播形式，水聲換能器是一切水下信號發(fā)射、接收的最關(guān)鍵的前端設(shè)備，是水下“電臺”，它的性能好壞直接影響用它進(jìn)行水下通信、目標(biāo)探測、識別、成像等技術(shù)的水平。

帶寬是衡量水聲換能器的一個重要的性能指標(biāo)。無論是發(fā)射信號，還是接收信號，換能器本身具有的寬頻帶都會給聲吶系統(tǒng)整體性能的提高奠定一個好的基礎(chǔ)。寬帶對單個水聲換能器的好處就不用說了。由多個換能器單元組成的換能器陣，對于發(fā)射換能器來說，寬帶可以通過陣元相干提高發(fā)射距離和指向性；而對于接收換能器來說，寬帶可以使分辨率進(jìn)一步提高。所以世界各國的水聲換能器研究單位都以各種方式競相拓寬換能器的帶寬[1-4]。

目前研究人員以各種手段拓展換能器的帶寬，但歸納起來主要有三種[1-4]：1)復(fù)合材料[5-7]，即通過在壓電材料中將添加柔性材料，增大損耗，降低換能元件的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Qm)值，從而擴(kuò)展帶寬；2)多振動模態(tài)耦合[8-18]；設(shè)法使換能器的振動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多種振動模式，這些振動模式的共振頻率接近到適當(dāng)位置從而產(chǎn)生耦合，繼而展開帶寬，如彎張換能器、復(fù)合棒換能器、單端激勵等。3)添加匹配層[19-21]。添加匹配層有兩個作用，一是降低換能器的輻射或接收面的聲阻抗，另一方面是和壓電體構(gòu)成多模振動，形成耦合，展寬帶寬。通過恰當(dāng)配比壓電復(fù)合材料的壓電相和柔性材料的體積比，可以使復(fù)合材料既保留了壓電相材料的強(qiáng)壓電性，同時克服了單壓電相材料大的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，利用其制作的換能器具有較高效機(jī)電耦合系數(shù)。如果同時采用復(fù)合材料和多模耦合兩種展寬帶寬的方法，不失為可取之路。

1 軸向堆疊壓電復(fù)合材料圓環(huán)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，將壁厚分別為4.0 mm和3.5 mm的兩個壓電復(fù)合材料圓環(huán)進(jìn)行軸向堆疊，在兩環(huán)之間安置一個厚度為1.0 mm的橡膠墊，橡膠墊起到柔性粘接和隔離作用。利用ANSYS軟件對該模型在空氣中進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到其電導(dǎo)曲線如圖2所示[22]。

圖1 串疊壓電復(fù)合材料敏感元件結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the cascade piezoelectric composite material sensitive element

圖2 串疊壓電復(fù)合材料敏感元件電導(dǎo)圖Fig.2 The conductance map of the cascade piezoelectric composite material sensitive element

由圖2看出，堆疊后的雙環(huán)在364 kHz和405 kHz附近產(chǎn)生了兩個諧振峰，而復(fù)合材料單管的諧振頻率分別為172 kHz和414 kHz，堆疊后諧振頻率普遍降低大約2%左右。圖2所示的兩環(huán)還未達(dá)到完全耦合，但考慮在水中，由于聲輻射負(fù)荷加大，這時在空氣中未完全耦合的雙環(huán)就可能在水中完全耦合。因此合理控制兩單環(huán)的頻率差，可以通過它們耦合得到拓寬帶寬的作用。

2 壓電復(fù)合材料圓環(huán)制備工藝研究

2.1 壓電復(fù)合材料(2-2型)圓環(huán)陣結(jié)構(gòu)

壓電復(fù)合材料圓環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由壓電陶瓷和硬性環(huán)氧樹脂組成。通過精密切割機(jī)沿壓電陶瓷圓環(huán)徑向進(jìn)行切割，制備出陶瓷骨架。配制環(huán)氧樹脂，在陣列的切槽中澆注環(huán)氧樹脂，固化后即可制得2-2型壓電復(fù)合材料圓環(huán)。

圖3 壓電復(fù)合材料圓環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the ring structure of piezoelectric composite material

在該壓電復(fù)合材料中，壓電陶瓷圓環(huán)高度為3 mm，外徑均為25 mm，而內(nèi)徑不等(即徑向厚度不等)，其被分為24個周期性單元，每個周期性單元的圓心角為15°。一個周期性單元中包括陶瓷相(PZT)和聚合物相(聚氨酯、環(huán)氧樹脂、硅橡膠等)，其中壓電陶瓷相和聚合物相體積比約為3∶1，即壓電陶瓷相約占整體體積的75%，聚合物相約占整體體積的25%。

2.2 復(fù)合材料中各相材料的選取

2.2.1 壓電陶瓷的選取

PZT壓電陶瓷主要有以下系列：PZT-4、PZT-5A、PZT-5H、PZT-8等，PZT-4和PZT-8相對介電常數(shù)較小，能夠快速的充放電，適合作為高頻換能器制作材料，而PZT-5介電常數(shù)較大，充放電速度慢，適合作為中低頻換能器制作材料。此外，PZT-4還具有較高的機(jī)電耦合系數(shù)和壓電應(yīng)變系數(shù)，用作換能器材料一般能做到收發(fā)兼顧，因此選取PZT-4作為換能器敏感元件制作材料。

2.2.2 聚合物的選取

壓電復(fù)合材料中的聚合物相材料常選用環(huán)氧樹脂，我們選用型號為WSR618的環(huán)氧樹脂作為復(fù)合材料圓環(huán)聚合物相材料。其配置過程如下：

1)稱取一定質(zhì)量的環(huán)氧樹脂材料；

2)在通風(fēng)櫥中用膠頭滴管向環(huán)氧樹脂中加入質(zhì)量為環(huán)氧樹脂1/10的固化劑(本文選用乙二胺)，此步驟主要是讓環(huán)氧與固化劑在一定溫度下發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，生成體形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物；

3)繼續(xù)環(huán)氧樹脂中加入質(zhì)量為環(huán)氧樹脂的1/10的增韌劑(本文選用鄰苯二甲酸二丁酯)，增韌劑的加入主要是為了提高環(huán)氧樹脂的韌性。

4)用玻璃棒將上述混合溶液充分?jǐn)嚢杈鶆?，將混合液放入真空箱?nèi)抽真空20～30 min，直至混合液中氣泡完全排出，至此環(huán)氧樹脂配制完成。

2.3 壓電復(fù)合材料(2-2型)圓環(huán)制備工藝流程

如圖4為2-2型壓電復(fù)合材料圓環(huán)制備工藝流程圖。圖4中，復(fù)合材料圓環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和陶瓷圓環(huán)的切割為整個工藝流程的關(guān)鍵步驟。復(fù)合材料圓環(huán)是疊堆敏感元件的組成部件，其性能的好壞直接關(guān)系到敏感元件的整體性能，所以在制作復(fù)合材料圓環(huán)過程中要綜合考慮其結(jié)構(gòu)參數(shù)和切割工藝。

圖4 壓電復(fù)合材料圓環(huán)制備工藝流程Fig.4 Preparation process flow of piezoelectric composite material ring

2.3.1 壓電陶瓷圓環(huán)的切割

使用的壓電陶瓷切割機(jī)為英國Loadpoint Limited公司生產(chǎn)的MicroACE精密切割機(jī)，能夠根據(jù)設(shè)定的參數(shù)自動切割壓電陶瓷，其精度可達(dá)到0.001 mm。

對于普通的平面陶瓷切割，可以設(shè)定切割機(jī)的數(shù)控程序，選取合適的步徑進(jìn)行自動切割。但是對于陶瓷圓環(huán)，由于其每一步的切割都需要旋轉(zhuǎn)一定的角度，而固定在石墨板上的陶瓷圓環(huán)的軸心與切割機(jī)轉(zhuǎn)盤軸心一般不會精確重合，若設(shè)定程序使切割機(jī)進(jìn)行自動切割則難以保證切割精度，所以切割陶瓷圓環(huán)時并不適合設(shè)置步徑進(jìn)行自動切割。在實(shí)際切割陶瓷圓環(huán)操作中，具體步驟如下所示：

1)在進(jìn)行第一刀切割時需找到陶瓷圓環(huán)的圓心，使刀片切割時經(jīng)過圓環(huán)圓心以完成徑向切割。

2)第一刀切割完畢后，將切割機(jī)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一定的角度(15°)，再次定位圓環(huán)圓心進(jìn)行第二次切割，這樣就能使刀片切割時沿著直徑方向，保證了切割的精度和陶瓷骨架結(jié)構(gòu)的均勻性。

3)繼續(xù)重復(fù)以上過程，直到完成整個陶瓷圓環(huán)的切割。

通過以上切割方法，即可得到結(jié)構(gòu)均勻的陶瓷骨架，如圖5所示。

圖5 切割后的壓電陶瓷圓環(huán)Fig.5 The piezoelectric ceramic ring after cutting

2.3.2 配制、澆注、固化環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂配制、澆注和固化步驟如下：

1)將切割完的陶瓷骨架進(jìn)行清洗，用脫脂棉沾取適量無水乙醇將陶瓷骨架輕輕擦拭干凈，然后放在潔凈、干燥通風(fēng)處晾干。

2)將陶瓷骨架四周纏上膠帶，防止環(huán)氧樹脂流出，以形成澆注模具。選取環(huán)氧樹脂WSR618作為澆注材料，其中樹脂的彈性模量大于0.3 GPa，軟化溫度大于100℃。配制環(huán)氧樹脂，將配制好的環(huán)氧樹脂緩慢地澆注到壓電陶瓷骨架中，待其填充均勻后放入真空保溫箱抽真空10～20 min(保證填充在陶瓷骨架中的環(huán)氧無氣泡)，最后放入保溫箱，溫度設(shè)為35℃，固化12 h即可。

3)待環(huán)氧樹脂完全固化后，用手術(shù)刀片將其表面打磨干凈，尤其是在需要鍍電極的復(fù)合材料圓環(huán)表面，不能有殘留的環(huán)氧樹脂，防止殘留環(huán)氧影響其導(dǎo)電性。

2.3.3 復(fù)合材料的電極制備

將打磨好的的壓電復(fù)合材料圓環(huán)用酒精擦拭干凈，晾干后在其內(nèi)、外環(huán)面均勻地涂覆一層純度為99.99%的銀漿薄層，將涂好銀漿的復(fù)合材料圓環(huán)放入保溫箱中進(jìn)行低溫?zé)y，溫度設(shè)定為80℃，保溫4 h以上，直至銀漿完全固化、粘附在復(fù)合材料圓環(huán)表面。

3 疊堆壓電復(fù)合材料圓環(huán)制作與性能測試

將內(nèi)徑不同外徑相同的兩個圓環(huán)軸向堆疊，軸心插入支架，將硬質(zhì)泡沫圓環(huán)穿過換能器支架并套在其上，再在敏感元件上方疊加一個硬質(zhì)泡沫圓環(huán)，上端蓋旋入支架，使泡沫圓環(huán)、敏感元件、上端蓋形成層疊結(jié)構(gòu)，完成敏感元件的固定，用聚氨酯澆注封裝后得到換能器，如圖6所示。

圖6 水聲換能器Fig.6 Underwater acoustic transducer

我們對制作的堆疊敏感元件導(dǎo)納和阻抗進(jìn)行測試，得到其導(dǎo)納曲線(G-B曲線)和阻抗特性曲線(R-X曲線)如圖7、8所示。

測試結(jié)構(gòu)得到，疊堆后的敏感元件電導(dǎo)曲線有兩個諧振峰，其所對應(yīng)的頻率為380 kHz和410 kHz，與堆疊前兩個單環(huán)的諧振頻率(382 kHz和415 kHz)相比，差別很小，可以忽略。

圖7 疊堆圓環(huán)導(dǎo)納曲線Fig.7 Admittance curves of stacked ring

4 換能器發(fā)射電壓響應(yīng)測試

將制作得到的換能器放入聲學(xué)測試水池中，利用水聲測量系統(tǒng)測試換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)，測得的換能器發(fā)射電壓響應(yīng)曲線如圖9所示。

圖8 疊堆圓環(huán)阻抗曲線Fig.8 Impedance curve of stacked ring

圖9 發(fā)射電壓響應(yīng)曲線Fig.9 Response curves of transmitting voltage

由圖9可看出，換能器諧振頻率為410 kHz，發(fā)射電壓響應(yīng)最大為150 dB，-3 dB帶寬達(dá)60 kHz，相比傳統(tǒng)復(fù)合材料換能器，其帶寬得到了明顯地拓展。

5 結(jié)論

介紹了壓電復(fù)合材料圓環(huán)及疊堆敏感元件的制備工藝，并實(shí)際制備了2種壁厚不等的壓電復(fù)合材料陶瓷圓環(huán)和一個壁厚差為0.5 mm的疊堆敏感元件。利用Agilent4294A精密阻抗分析儀對制得的疊堆敏感元件進(jìn)行測試，得到其導(dǎo)納曲線和阻抗特性曲線。

通過將兩個壓電復(fù)合材料圓環(huán)進(jìn)行堆疊，產(chǎn)生了兩種模態(tài)的振動耦合，在分析問題過程中，完全可以對各個單環(huán)進(jìn)行單獨(dú)分析，調(diào)整單環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸，可以調(diào)整其諧振頻率，之后再將設(shè)計(jì)好的單環(huán)進(jìn)行堆疊，堆疊后的振動情況基本可以由堆疊前各單環(huán)的諧振頻率得到。在本試驗(yàn)中，堆疊前兩個單環(huán)的振動頻率分別為382 kHz和415 kHz，堆疊后的兩個諧振峰分別為380 kHz和410 kHz。它們相比，誤差小于0.01。

對加工得到的水聲換能器進(jìn)行水中測試，換能器發(fā)射電壓響應(yīng)最大值為150 dB，對應(yīng)頻率為410 kHz，-3 dB帶寬達(dá)60 kHz，相比傳統(tǒng)復(fù)合材料換能器，其帶寬得到了明顯地拓展。

[1]劉慧生, 莫喜平. 縱向換能器寬帶研究設(shè)計(jì)進(jìn)展[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2014, 33(6): 564-571. LIU Huisheng, MO Xiping. Progress in research and design of broadband longitudinal transducers[J]. Technical acoustics, 2014, 33(6): 564-571.

[2]RAMADAS S N, O'LEARY R L, GACHAGAN A, et al. A wideband annular piezoelectric composite transducer configuration with a graded active layer profile[C]//Proceedings of 2009 IEEE International Ultrasonics Symposium. Rome: IEEE, 2009: 2742-2745.

[3]ELMASLI I C, KOYMEN H. A wideband and a wide-beamwidth acoustic transducer design for underwater acoustic communications[C]//Proceedings of OCEANS 2006-Asia Pacific. Singapore: IEEE, 2006: 1-5.

[4]藍(lán)宇, 張凱. 1-1-3型壓電復(fù)合材料寬帶換能器[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 32(11): 1479-1483. LAN Yu, ZHANG Kai. Research on 1-1-3 piezocomposite broad-band transducers[J]. Journal of Harbin engineering university, 2011, 32(11): 1479-1483.

[5]TRESSLER J F, ALKOY S, DOGAN A, et al. Functional composites for sensors, actuators and transducers[J]. Composites part a: applied science and manufacturing, 1999, 30(4): 477-482.

[6]HOWARTH T R, TING R Y. Electroacoustic evaluations of 1-3 piezocomposite SonoPanel/sup TM/ materials[J]. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 2000, 47(4): 886-894.

[7]BENJAMIN K C, PETRIE S. The design, fabrication, and measured acoustic performance of a 1-3 piezoelectric composite navy calibration standard transducer[J]. The journal of the acoustical society of America, 2001, 109(5): 1973-1978.

[8]SHERMAN C H, BUTLER J L. Transducers and arrays for underwater sound[M]. New York: Springer, 2007.

[9]BUTLER S C, TITO F A. A broadband hybrid magnetostrictive/piezoelectric transducer array[C]//Proceedings of OCEANS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition. Providence, RI: IEEE, 2000: 1469-1475.

[10]BUTLER S C. Triply resonant broadband transducers[C]//Proceedings of OCEANS '02 MTS/IEEE. Biloxi, MI, USA: IEEE, 2002: 2334-2341.

[11]PURCELL C J A, FLEMING R A. Multi-mode pipe projector: United States, 6584039[P]. 2003-06-24.

[12]FLEMING R A G. Hybrid-drive multi-mode pipe projector: United States, 7626890[P]. 2009-12-01.

[13]MOSCA F, MATTE G, SHIMURA T. Low-frequency acoustic source for AUV long-range communication[J]. MAST Eur, 2011: 1-9.

[14]LE GALL Y, BOUCHER D, LUNON X, et al. A 300 Hz Janus-Helmholtz transducer for ocean acoustic tomography[C]//Proceedings of OCEANS '93 Engineering in Harmony with Ocean. Victoria, BC: IEEE, 1993, 1: 1278-1281.

[15]WEBB D C, MOROZOV A K, ENSIGN T H. A new approach to low frequency wide-band projector design[C]//Proceedings of OCEANS '02 MTS/IEEE. Biloxi, MI, USA: IEEE, 2002: 2342-2349.

[16]MOROZOV A K, WEBB D C. A sound projector for acoustic tomography and global ocean monitoring[J]. IEEE journal of oceanic engineering, 2003, 28(2): 174-185.

[17]DUDA T F, MOROZOV A K, HOWE B M, et al. Evaluation of a long-range joint acoustic navigation/thermometry system[C]//Proceedings of OCEANS 2006. Boston, MA: IEEE, 2006: 1-6.

[18]MOROZOV A K, WEBB D C. Underwater tunable organ-pipe sound source[J]. The journal of the acoustical society of America, 2007, 122(2): 777-785.

[19]COCHRAN S, PARKER M, MARIN-FRANCH P. Ultrabroadband single crystal composite transducers for underwater ultrasound[C]//Proceedings of 2005 IEEE Ultrasonics Symposium. Rotterdam, The Netherlands: IEEE, 2005: 231-234.

[20]ELMASLI I C, KOYMEN H. A wideband and a wide-beamwidth acoustic transducer design for underwater acoustic communications[C]//Proceedings of Oceans 2006-Asia Pacific. Singapore: IEEE, 2006: 1-5.

[21]TIAN Zhi, ROH Y, KIM W, et al. Optimal design of an underwater piezocomposite ring transducer[C]//Proceedings of 2008 IEEE Ultasonics Symposium. Beijing: IEEE, 2008: 1405-1408.

[22]王宏偉. 堆疊壓電復(fù)合材料圓環(huán)陣換能器有限元分析與測試[J]. 功能材料, 2016, 47(5): 84-90. WANG Hongwei. Finite element analysis and testing of the stacked piezoelectric composite ring array transducer[J]. Journal of functional materials, 2016, 47(5): 84-90.

Research on the stacked piezoelectric composites ring transducer

WANG Hongwei, WANG Likun, QIN Lei, LI Chao, ZHANG Hao

(Sensing Technology Research Center, School of Science, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

In view of the problem that the current transducer needs to expand the bandwidth, in this paper, a kind of transducer made of wide band piezoelectric composite material was developed, by axial stacking of two circular rings with different resonance frequencies, the double mode coupling is generated. The transducer sensing element was axially stacked by two piezoelectric composite rings, so as to realize the dual mode coupling vibration in the thickness direction. By a series of workmanship such as cutting piezoelectric ceramic ring, filling in flexible polymer (epoxy resin, polyurethane, etc.), grinding sample, coating electrode, etc., the piezoelectric composite ring was made. Later, rings with the same outer diameter and different thicknesses were stacked together along the axial direction for fabricating sensitive elements made of stacked piezoelectric composites. The transducer was processed by filling in with a waterproof sound transparent layer and sealing for forming a transducer. The transducer was tested for its underwater performances. The experimental results show that the resonant frequency of the transducer is 410 kHz, the bandwidth of -3 dB is 60 kHz, and the target of broadband transmission for sound waves is realized.

transducer; piezoelectric composites; circular array; axial stacking; broadband; high frequency

2016-01-20.

日期：2017-01-11.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(614710470).

王宏偉(1967-), 男,教授,博士.

王宏偉，E-mail: drhwh@bistu.edu.cn.

10.11990/jheu.201601072

TB156.1

A

1006-7043(2017)03-0484-05

王宏偉， 王麗坤， 秦雷，等.堆疊壓電復(fù)合材料圓環(huán)換能器研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 38(3):484-488.

WANG Hongwei, WANG Likun, QIN Lei，et al.Research on the stacked piezoelectric composites ring transducer[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2017, 38(3):484-488.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170111.1509.030.html