圓環(huán)換能器故障成因評(píng)判的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李玉偉，趙慧，王艷

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圓環(huán)換能器故障成因評(píng)判的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李玉偉1，趙慧2，王艷2

(1. 海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍代表室，上海 201108；2. 上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

在實(shí)際工程中，批量的圓環(huán)換能器在工作一段時(shí)間后出現(xiàn)側(cè)邊打火、絕緣下降的故障現(xiàn)象，為摸清故障出現(xiàn)的原因，設(shè)計(jì)了評(píng)判故障成因的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬換能器的實(shí)際工作條件，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中檢測(cè)圓環(huán)換能器的阻抗、靜態(tài)電容、絕緣電阻、外觀及手感溫度等變化情況，然后測(cè)試換能器的電聲性能，并與正常性能的換能器進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果表明：圓環(huán)換能器出現(xiàn)故障的原因?yàn)槠湓诳諝庵羞M(jìn)行大功率發(fā)射。

圓環(huán)換能器；故障；圓環(huán)碎裂

0 引言

圓環(huán)換能器是一種常用的水聲換能器，一般采用壓電陶瓷圓環(huán)作為電聲轉(zhuǎn)換元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、水平無(wú)指向性的特點(diǎn)。圓環(huán)換能器廣泛應(yīng)用于聲源、水聲通訊系統(tǒng)、水下信標(biāo)等領(lǐng)域。

圓環(huán)換能器存在多個(gè)損傷極限，包括電極限、功率極限、機(jī)械極限等，超過(guò)任一極限就會(huì)損壞換能器[1]。其中電極限損傷是壓電陶瓷元件作為驅(qū)動(dòng)元件的主要功能障礙[2]，它限制了壓電陶瓷能夠承受的最大工作電壓。壓電陶瓷環(huán)的功率極限除了與本身的材料、工作電壓、頻率等因素有關(guān)以外，還與工作環(huán)境有關(guān)[3-5]。當(dāng)換能器在空氣中發(fā)射時(shí)，由于空氣的阻抗遠(yuǎn)小于水的阻抗，換能器的輻射負(fù)載較小，陶瓷環(huán)振動(dòng)幅度較大，可能超出其機(jī)械極限，容易造成陶瓷環(huán)碎裂。同時(shí)，由于空氣中輻射阻較小，換能器在相同發(fā)射電壓下輸入電功率變大，并且大部分輸入電功率轉(zhuǎn)換為熱量，容易導(dǎo)致陶瓷環(huán)發(fā)熱而引起退極化。

在實(shí)際工程中，批量的圓環(huán)換能器在工作一段時(shí)間后出現(xiàn)側(cè)邊打火、絕緣下降的故障現(xiàn)象, 本文為摸清故障出現(xiàn)的原因，設(shè)計(jì)了評(píng)判故障成因的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬換能器的實(shí)際工作條件，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中檢測(cè)圓環(huán)換能器的阻抗、靜態(tài)電容、絕緣電阻、外觀及手感溫度等變化情況，然后測(cè)試換能器的電聲性能，并與正常性能的換能器進(jìn)行對(duì)比。用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)分析圓環(huán)換能器出現(xiàn)故障的原因。本文實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以為圓環(huán)換能器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考，也對(duì)其它類型換能器的應(yīng)用有參考價(jià)值。

1 圓環(huán)換能器故障現(xiàn)象基本描述

某圓環(huán)換能器的功率元件為2個(gè)并聯(lián)的徑向極化壓電陶瓷圓環(huán)。換能器靜態(tài)電容約為32 nF，正、負(fù)極與殼之間的絕緣電阻均大于250 MΩ。換能器工作時(shí)發(fā)射寬頻脈沖信號(hào)：頻率范圍為20～30 kHz，脈沖寬度為10 ms，周期為1 s，工作電壓為1 500 V±100 V(峰峰值)。換能器在每次下水之前都會(huì)在陸地上進(jìn)行自檢，自檢時(shí)換能器會(huì)在空氣中發(fā)聲2～3次，自檢信號(hào)電壓為工作電壓；換能器在水下工作約30 min后露出水面，由于載體流程設(shè)置，某些工況下仍然對(duì)換能器繼續(xù)施加工作電壓的電信號(hào)，時(shí)間約幾分鐘。

該批次換能器在執(zhí)行完幾十次工作任務(wù)后，90%以上出現(xiàn)了故障。故障現(xiàn)象為：自檢時(shí)，換能器側(cè)邊出現(xiàn)電火花，手感換能器外表發(fā)熱，約40℃～50℃。對(duì)換能器進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)電容降低至1/3左右，正負(fù)極絕緣電阻顯著降低，接近于0。檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 換能器靜態(tài)電容、絕緣電阻和外觀

2 故障成因評(píng)判的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了摸清圓環(huán)換能器出現(xiàn)故障的原因，設(shè)計(jì)故障成因評(píng)判的實(shí)驗(yàn)包括：故障換能器解剖、正常換能器水中和空氣中的發(fā)射實(shí)驗(yàn)。

2.1 故障換能器解剖

在檢測(cè)完故障換能器的技術(shù)參數(shù)后，對(duì)故障圓環(huán)換能器進(jìn)行了解剖，解剖圖如圖1所示。將換能器的聚氨酯水密層剝開，發(fā)現(xiàn)換能器內(nèi)部的壓電陶瓷環(huán)碎裂，在裂縫處有聚氨酯受熱變色的現(xiàn)象，并散發(fā)出聚氨酯的焦臭味。

圖1 換能器解剖圖

2.2 正常換能器在水中和空氣中的發(fā)射實(shí)驗(yàn)

為了復(fù)現(xiàn)故障，用結(jié)構(gòu)相同、性能完好的換能器進(jìn)行了故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)。模擬換能器工作的環(huán)境，采用與故障換能器相同的發(fā)射機(jī)連接換能器，發(fā)射正常工作狀態(tài)下的信號(hào)，先將換能器在水中連續(xù)發(fā)射1 h，然后在空氣中發(fā)射2 h。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)換能器的阻抗、靜態(tài)電容、絕緣電阻、外觀及手感溫度變化情況進(jìn)行檢測(cè)。阻抗檢測(cè)變化如圖2所示。

圖2 換能器水中電導(dǎo)曲線隨測(cè)試時(shí)間的變化

由圖2的阻抗檢測(cè)結(jié)果可知，換能器在水中工作1 h后，阻抗曲線未發(fā)生明顯變化。換能器在空氣中發(fā)射2 h后，阻抗曲線變化明顯，曲線上第一個(gè)諧振頻率處電導(dǎo)降低較多。

隨著換能器在空氣中發(fā)射時(shí)間的增加，靜態(tài)電容和正負(fù)極之間的絕緣電阻均下降，檢測(cè)結(jié)果如表2和表3所示。試驗(yàn)還檢測(cè)了換能器的外觀及手感溫度變化的情況，如表4所示。

表2 換能器靜態(tài)電容隨測(cè)試時(shí)間的變化

表3 換能器絕緣電阻隨測(cè)試時(shí)間的變化

表4 換能器外觀及溫度隨測(cè)試時(shí)間的變化

試驗(yàn)過(guò)程中觀察到換能器的側(cè)邊出現(xiàn)打火的現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 換能器出現(xiàn)打火圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及與故障換能器的對(duì)比分析

性能正常的換能器在經(jīng)歷了水中和空氣中發(fā)射實(shí)驗(yàn)之后，再測(cè)試該換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線和25 kHz的方向性圖，并將之與正常狀態(tài)下的曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 換能器試驗(yàn)后與正常狀態(tài)下的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線

圖5 換能器試驗(yàn)后與正常狀態(tài)下25 kHz的方向性曲線

換能器在25 kHz的電壓響應(yīng)值大大降低，方向性起伏增大，為6.9 dB。將換能器解剖，查看換能器內(nèi)部陶瓷環(huán)情況，如圖6所示。

圖6顯示換能器內(nèi)部陶瓷出現(xiàn)了裂縫，與故障換能器圖1中出現(xiàn)的現(xiàn)象一致。

圖6 換能器解剖后情況

Fig6 Post-dissection status of the transducer

可以確定，換能器出現(xiàn)打火現(xiàn)象時(shí)，換能器內(nèi)的陶瓷環(huán)已經(jīng)裂開，并在裂縫處打火。由于試驗(yàn)時(shí)間不長(zhǎng)，因此剝開后聚氨酯受熱變色不明顯、燒焦氣味不明顯。

為了驗(yàn)證陶瓷環(huán)退極化的現(xiàn)象，還測(cè)試了陶瓷環(huán)壓電常數(shù)33的性能，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 正常和受損換能器陶瓷環(huán)的d33值

換能器長(zhǎng)時(shí)間在空氣中發(fā)射以后，陶瓷環(huán)的壓電性能也下降，表現(xiàn)為壓電常數(shù)33下降。

一般而言，造成陶瓷環(huán)碎裂的可能原因包括外力碰撞、超出額定功率發(fā)射、空氣中大功率發(fā)射等因素。根據(jù)換能器的外觀檢測(cè)結(jié)果，可以排除外力碰撞的因素。當(dāng)換能器在水下工作時(shí)，發(fā)射機(jī)輸出的電能一部分通過(guò)換能器轉(zhuǎn)化成聲能發(fā)射出去，換能器中陶瓷環(huán)在正常范圍內(nèi)工作。當(dāng)換能器在空氣中發(fā)射時(shí)，由于空氣的阻抗遠(yuǎn)小于水的阻抗，換能器的輻射負(fù)載較小，陶瓷環(huán)振動(dòng)幅度較大，超出其機(jī)械極限，使陶瓷環(huán)碎裂。同時(shí)，由于空氣中輻射阻抗較小，換能器在相同發(fā)射電壓下輸入的電功率變大，并且大部分輸入電功率轉(zhuǎn)換為熱量，壓電陶瓷環(huán)溫度持續(xù)升高，直至在電場(chǎng)作用下，陶瓷環(huán)退極化。在碎裂處出現(xiàn)正負(fù)極放電，產(chǎn)生電火花現(xiàn)象，最終絕緣性能降低。陶瓷環(huán)放電發(fā)熱使得換能器內(nèi)部的空氣溫度急劇升高，使縫隙處的聚氨酯受熱變色。因此換能器在空氣中進(jìn)行大功率發(fā)射是造成陶瓷環(huán)碎裂的主要原因。

換能器在空氣中大功率發(fā)射后，造成陶瓷環(huán)發(fā)熱、碎裂，無(wú)法正常工作，在指標(biāo)上反映出的是換能器的電容降低，絕緣電阻降低等。電容的降低值主要由碎裂的位置和退極化情況決定，與電纜相連通的陶瓷越多，退極化程度越輕，則電容降低得越少。

另外，根據(jù)換能器的工作狀態(tài)，系統(tǒng)自檢時(shí)換能器會(huì)在空氣中發(fā)射2到3次，自檢信號(hào)電壓為工作電壓，可以確定自檢時(shí)換能器也處于空氣中大功率發(fā)射狀態(tài)，因此系統(tǒng)在空氣中滿功率自檢時(shí)也會(huì)造成陶瓷環(huán)發(fā)熱、碎裂。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)圓環(huán)換能器故障評(píng)判實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果和數(shù)據(jù)分析表明：該批次90%以上的換能器都出現(xiàn)故障的原因?yàn)樗婀ぷ骱涂諝庵袧M功率自檢。這兩種狀態(tài)均屬于空氣中大功率發(fā)射，這是造成圓環(huán)換能器出現(xiàn)側(cè)邊打火、絕緣下降故障現(xiàn)象的主要原因。

為了避免圓環(huán)換能器出現(xiàn)故障，首先系統(tǒng)自檢時(shí)換能器應(yīng)放于水中，不可將換能器置于空氣中進(jìn)行自檢；其次，換能器在工作時(shí)禁止在水面以上發(fā)射。本文實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以為圓環(huán)換能器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考，也對(duì)其它類型換能器的應(yīng)用有參考價(jià)值。

[1] 許光, 吳培榮, 劉振君. 高頻換能器功率疲勞分析[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2015, 34(3): 283-286.

XU Guang, WU Peirong, LIU Zhenjun. Research on power fatigue problem of high frequency underwater transducer[J]. Technical Acoustics, 2012, 31(12): 628-630.

[2] 劉海峰, 田蒔, 謝軍. 壓電陶瓷電疲勞研究進(jìn)展[J]. 宇航材料工藝, 2000, 30(6): 1-56.

LIU Haifeng, TIAN Shi, XIE Jun. Research progress on the electrical fatigue of piezoelectric ceramices[J]. Aerospace Materials and Technology, 2000, 30(6): 1-56.

[3] 王偉強(qiáng). 壓電陶瓷的場(chǎng)致疲勞與非線性研究[D]. 北京: 清華大學(xué), 2006.

WANG Weiqiang. Study on field-Induced fatigue and nonlinearity of piezoelectric ceramics[D]. Beijing: Tsinghua University, 2006.

[4] 楊剛, 岳振星, 李龍土. 壓電陶瓷場(chǎng)致疲勞特性與機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào), 2007, 22(1): 1-6.

YANG Gang, YUE Zhenxing, LI Longtu. Research progress on the characteristics and mechanism of applied field-Induced fatigue in piezoelectric ceramics[J]. Journal of Inorganic Materials, 2007, 22(1): 1-6.

[5] 趙春山, 金亨煥, 陳守六. 壓電陶瓷材料在大功率高靜壓力下的性能的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 1981, 6(5): 322-327.

ZHAO Chunshan, JIN Henghuan, CHEN Shouliu. Study on the high-power and high-pressure statics experiment of piezoelectric Ceramic[J]. Acta Acustica, 1981, 6(5): 322-327.

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Design of the experiment for judging the cause of ring transducer failure

LI Yu-wei1, ZHAO Hui2, WAN Yan2

(1.Navy’s Shanghai Area Acoustic Navigation System Military Representative Office, Shanghai 201108, China; 2. Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

In actual projects, the failure phenomenon of side-firing and insulation degradation occurs after a batch of ring transducers have been working for a period of time. In order to judge the cause of the failure, an experiment is designed. The experimental environment simulates the actual operating conditions of the transducer. During the experiment, changes in impedance, static capacitance, insulation resistance, appearance and feel temperature of the ring transducer are detected, then the electroacoustic performance of the transducer is tested and compared with normal performance of the transducer. The experimental data and results show that the failure of the ring transducer is due to its high power emission in the air.

ring transducer; fault; ring fracture

TB533

A

1000-3630(2018)-05-0511-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.05.018

2018-01-25;

2018-03-18

李玉偉(1988－), 男, 湖北襄陽(yáng)人, 工程師, 研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理。

趙慧, E-mail: zhaohui0094@163.com