基于1-1-3型壓電復合材料水聲換能器性能分析

杜海波, 秦雷,2, 仲超, 王麗坤,2

1．北京信息科技大學傳感器北京市重點實驗室，北京100192;2．北京信息科技大學教育部現(xiàn)代測控技術重點實驗室，北京100192

1-3型壓電復合材料由于其制備工藝簡單、壓電性強、機電耦合系數(shù)大等優(yōu)勢,被廣泛應用于超聲無損檢測、海底測繪成像等領域[1-3]。近年來,為進一步提高1-3型壓電復合材料的性能,一方面,研究者試圖通過改變復合材料中的主動性材料性能來提高復合材料性能。如Wang等人應用0.32PIN-0.35PMN-0.33PT(PIMNT)制備了1-3型壓電復合材料,壓電單晶PIMNT體積百分比為60%時,厚度機械耦合系數(shù)可以達到84%[4]。另一方面,部分研究者通過改變復合材料中的被動性材料來提高復合材料性能。如哈爾濱工業(yè)大學王、張等人研究發(fā)現(xiàn)壓電復合材料中聚合物剛度越小,復合材料壓電性能越好[5]。同時,該課題組研究了硅橡膠與環(huán)氧樹脂作為聚合物時壓電復合材料的壓電性能。結果表明在常溫至140℃時,采用硅橡膠作為聚合物的性能更加優(yōu)異[6]。此外,還有一部分研究者通過改變復合材料的結構來提高復合材料的性能。如陜西師范大學應用聲學研究所的鮮曉軍等人通過設計制作類1-3-2型壓電復合材料,并對類1-3-2型壓電復合材料的基元進行布陣,所研制的類1-3-2型換能器具有高發(fā)射響應、寬頻帶等優(yōu)點[7]。中國科學院聲學研究所的靳登攀等人通過設計了一種高效的小型大功率無指向性的球形寬帶發(fā)射換能器,其最大聲源級達到200 dB以上,電聲效率達到50%[8]。

本課題組在前期提出一種1-1-3型壓電復合材料。即在1-3型復合材料陶瓷柱與環(huán)氧樹脂之間灌注柔性聚合物硅橡膠形成壓電復合材料,這樣可以減小環(huán)氧樹脂對陶瓷柱的束縛作用并且可以減小基元間的橫向耦合,提高能量轉換效率[9-11]。本文擬在上述研究基礎上進一步研究1-1-3型壓電復合材料在水聲換能器中的應用。試圖在1-1-3型壓電復合材料聲輻射端引入梯形結構匹配層,以增大發(fā)射面積的作用,從而提高換能器的發(fā)射電壓響應和接收靈敏度以及帶寬的目的。

1 復合材料結構

本文提出的添加梯形匹配層的1-1-3型壓電復合材料結構如圖1a)所示,它由壓電陶瓷柱、環(huán)氧樹脂骨架、硅橡膠填充物以及環(huán)氧樹脂匹配層構成。其中壓電陶瓷柱沿厚度Z方向極化,厚度為t1,是整個壓電復合材料的主動振動元件。只在Z方向自我連通的柔性聚合物硅橡膠包圍在陶瓷柱四周。三維自我連通的環(huán)氧樹脂與柔性聚合物硅橡膠連接并作為支撐整個復合材料的骨架。環(huán)氧樹脂匹配層粘接于壓電陶瓷柱表面,厚度為t2,環(huán)氧樹脂與壓電陶瓷柱接觸部分為梯形結構。在陶瓷柱與環(huán)氧樹脂之間填充的柔性聚合物硅橡膠,降低了環(huán)氧樹脂骨架對陶瓷柱的束縛,這樣每個陶瓷柱接近于自由振動,減小了基元間橫向耦合,提高了機電耦合系數(shù)。輻射端添加如圖1b)所示的梯形匹配層,其中下表面為分割的小正方形,上表面為完整的方形,此結構能夠將每個陶瓷柱的自由振動轉變成整個匹配層上表面的振動,可以增大輻射面積,提高發(fā)射電壓響應。減小匹配層下表面面積,可使接收的聲壓信號變大,提高換能器的接收靈敏度。

圖1 復合材料結構參數(shù)

2 復合材料有限元仿真

本文使用有限元分析軟件Ansys(ANSYS.Inc,USA)分析壓電復合材料的電學性能和振動特性。如圖2所示,由于1-1-3型壓電復合材料具有周期對稱性,單個基元的電學與振動特性就可表征整個復合材料的特性。因此,出于提高運算速度的考慮,本文選取單個基元進行建模、仿真。分別建立了無匹配層與添加梯形匹配層的基元模型如圖3所示。圖3a)表示1-1-3型壓電復合材料單個基元的有限元模型,圖3b)表示帶有梯形匹配層的有限元模型,本文選擇1/4波長作為匹配層的厚度。建立復合材料實體模型后,按照表1～3給出的參數(shù),定義單元類型、設置材料參數(shù)。根據(jù)1/10波長的原則進行網(wǎng)格劃分。然后根據(jù)圖2給出的對稱性,在單個基元模型四邊加載對稱邊界條件,在模型Z方向的頂部與底部上施加1 V和0 V的電壓,然后進行求解。在諧響應分析中,選擇頻率范圍為220～450 kHz,分成230個子步,每一步間隔1 kHz。在后處理中,得到上表面的電量Q,再通過積分計算出電流I,根據(jù)公式I/V計算得到基元的電導曲線,計算結果如圖4所示。由圖可見,2種基元分別在352 kHz和363 kHz處產(chǎn)生諧振,且諧振峰較為單純,無其他模態(tài)干擾。所制備材料尺寸如表2所示。

圖2 1-1-3型壓電復合 圖3 1-1-3型復合材料 材料對稱結構 基元振子

PZT-5A參數(shù)值ρ/(kg·m-3)7 750εs33/ε0830cE11/(1010N·m-2)12.1cE12/(1010N·m-2)7.54cE13/(1010N·m-2)7.52cE33/(1010N·m-2)11.1cD13/(1010N·m-2)14.7h33/(108V·m-1)21.5e31/(C·m-2)-5.4e33/(C·m-2)15.8

表2 硅橡脆材料參數(shù)

表3 環(huán)氧樹脂材料參數(shù)

圖4 2種結構的電導曲線

分別讀取2種基元在諧振頻率點的振動模態(tài),圖5表示了2種不同復合材料位移量的大小。從圖5a)給出的1-1-3型壓電基元的振動模態(tài)可以看出,壓電陶瓷柱的振動位移最大,并且?guī)又苓叺墓柘鹉z做受迫振動,而與硅橡膠相連的環(huán)氧樹脂的位移接近于零。這是由于硅橡膠有著相對較小的楊氏模量,這就使得壓電陶瓷柱近似自由振動。而從圖5b)給出的加匹配層的1-1-3型壓電基元的振動模態(tài)可以看出,位移最大值仍然出現(xiàn)在壓電陶瓷柱的端點處。與發(fā)射端相連的梯形匹配層隨著壓電陶瓷振動而振動。

圖5 1-1-3型復合材料振動模態(tài)

圖6給出了2種基元頂點中心處最大位移隨頻率變化曲線對比。從圖中可以看出,當驅動電壓同為1 V時,1-1-3型復合材料基元,陶瓷柱在諧振點的最大位移為4.34×10-9m。而對于帶有梯形匹配層的1-1-3型復合材料基元,其匹配層上表面的振動位移最大值為2.78×10-9m?？梢姛o匹配層的復合材料最大振動位移為帶匹配層材料的1.56倍。但采用梯形結構匹配層后,振動的有效輻射面積由壓電陶瓷柱的截面積1.7 mm×1.7 mm增加為匹配層上表面的截面積2.8 mm×2.8 mm,因此有效輻射面積增大了2.7倍。根據(jù)點源疊加原理,當面積增大的比例大于振速降低的比例時,遠場聲壓就會提高,因此此結構可以提高復合材料的發(fā)送電壓響應。

圖6 復合材料位移曲線對比

3 壓電復合材料制備與測試

本文研制的壓電復合材料采用切割填充的方法。實驗過程示意如圖7所示。

圖7 制備工藝流程圖

首先將環(huán)氧樹脂塊切割打磨成25 mm×25 mm×3.9 mm大小,然后使用大族激光GMA-1390雕刻機(大族集團,中國)在環(huán)氧樹脂塊上切割大小為2.2 mm×2.2 mm的正方形孔。兩孔間隔0.6 mm,依次完成打孔。將陶瓷塊切割成1.7 mm×1.7 mm,2個陶瓷柱間隔為1.1 mm的陶瓷骨架。然后將環(huán)氧樹脂框架放入陶瓷骨架中,將硅橡膠倒入陶瓷柱與環(huán)氧樹脂框架之間的縫隙中,放入真空箱中抽真空排除氣泡。室溫固化12 h,去基底,清潔表面,用磁控濺射儀在復合材料表面濺射2 μm厚的銀電極形成1-1-3型壓電復合材料。最后,將用做匹配層的環(huán)氧樹脂加工成下表面為梯形的結構,并用環(huán)氧樹脂粘接在1-1-3型壓電復合材料表面。

為了對比分析添加匹配層的1-1-3型壓電復合材料的性能參數(shù),分別制備了3塊25 mm×25 mm×3.9 mm的1-1-3型壓電復合材料以及3塊添加匹配層的1-1-3型的壓電復合材料,樣品尺寸參數(shù)見表4，其中壓電柱尺寸為1.7 mm×1.7 mm。

表4 2種1-1-3型壓電復合材料樣品尺寸參數(shù)表

利用Agilent 4294A阻抗分析儀(Agilent Technologies Inc. USA)測量了相同尺寸大小的1-1-3型以及添加匹配層的1-1-3型壓電復合材料在空氣中的串、并聯(lián)諧振頻率、Q值、帶寬等參數(shù),機電耦合系數(shù)kt可由下式計算得到:

式中的fs與fp分別為材料的串、并聯(lián)諧振頻率。2種材料樣品電學性能如表5所示,從表中數(shù)據(jù)可以看出,1-1-3型壓電復合材料諧振頻率為349 kHz,帶寬為8.7 kHz,機電耦合系數(shù)達到了0.698。而添加匹配層后,復合材料的諧振頻率提高到362 kHz,帶寬為11.2 kHz,機電耦合系數(shù)也相應降低,平均降低幅度為3%。

表5 2種1-1-3型壓電復合材料樣品的電學性能

4 換能器制作與性能測試分析

本文應用上述2種壓電復合材料制備了水聲換能器,其內部結構如圖8所示,換能器內襯采用吸聲效果更好的硬質泡沫塑料。金屬上端蓋采用鋁,用環(huán)氧將金屬端蓋、背襯、壓電材料以及環(huán)氧樹脂匹配層固定,然后將壓電復合材料上焊接的引線連接到輸出電纜上,最后將其放入灌注模具中用聚氨酯灌封。圖9為灌封后的換能器實物圖。換能器實際尺寸是35 mm×35 mm×25 mm。

圖8 換能器結構示意圖

圖9 換能器實物樣品圖

經(jīng)實驗測量得到2種壓電復合材料換能器在水中的發(fā)送電壓響應、靈敏度曲線以及聲源級曲線,由于換能器各項性能相似,相對偏差均在3%以內。現(xiàn)選取各自其中一只換能器性能進行分析,其發(fā)射電壓響應隨頻率變化曲線如圖10所示。從圖中可以看出,1-1-3型復合材料換能器在諧振頻率350 kHz時發(fā)送電壓響應達到最大為166 dB,添加梯形匹配層的1-1-3型復合材料換能器在諧振頻率為360 kHz時發(fā)射電壓響應最大為169.8 dB,比1-1-3型復合材料換能器提高了3.8 dB。這是由于在復合材料發(fā)射端添加梯形匹配層后,復合材料的振動位移減小,但是1/4波長匹配層將每個陶瓷柱的自由振動轉變成整個匹配層上表面的振動,增大了輻射面積。另一方面,1/4波長匹配層可以減小聲傳輸損耗,提高聲傳輸特性。根據(jù)點源疊加原理,遠場聲壓為輻射面振動速度對面積的積分。而在頻率相當?shù)那闆r下,輻射面振動速度又正比于振動位移,所以當面積增大的比例大于振速降低的比例時,遠場聲壓就會提高,因此提高了發(fā)送電壓響應。

如圖11所示,1-1-3型復合材料換能器在諧振頻率為400 kHz時接收靈敏度達到最大為-188.3 dB。添加梯形匹配層的復合材料換能器的接收靈敏度趨于平緩,在諧振頻率為400 kHz時最大為-190 dB。接收情況下的-3 dB帶寬達到70 kHz,大于1-1-3型復合材料的45 kHz。添加匹配層的復合材料接收靈敏度略有下降。

圖12給出了聲源級曲線。圖中虛線a表示添加匹配層的1-1-3型換能器在諧振頻率360 kHz的聲源級擬合曲線,虛線b表示1-1-3型換能器在諧振頻率350 kHz的聲源級擬合曲線。

圖10 換能器發(fā)射電壓響應曲線 圖11 換能器接收電壓靈敏度曲線圖12 換能器聲源級曲線

如圖12所示在相同的峰-峰值電壓驅動下,加匹配層的復合材料換能器的聲源級要明顯高于不加匹配層復合材料換能器的聲源級。1-1-3型壓電復合材料換能器在峰-峰值電壓為900 V時聲源級達到201.8 dB,添加匹配層的換能器在峰-峰值電壓為870 V時聲源級達到208 dB。我們知道,當壓電材料上施加的電壓較小時,壓電材料的應變與所加載的電壓呈線性關系,當電壓逐漸增加時,會出現(xiàn)非線性。由圖中曲線可以看出,壓電換能器的聲源級與電壓關系也表現(xiàn)出相同的趨勢。這是因為換能器聲源級與壓電材料聲輻射面的振速相關,而振速又與壓電材料應變相關?；谝陨显虮疚恼J為峰-峰值電壓小于200 V時,換能器的聲源級與電壓存在線性關系,當所加峰-峰值電壓超過200 V后,2個換能器的聲源級曲線均出現(xiàn)了非線性。本文分別選用200 V以下數(shù)據(jù)點進行線性擬合,2個換能器的聲源級曲線分別擬合為y=0.0584x+186.85,y=0.057 5x+182.70。表6給出了換能器聲源級在不同驅動電壓下擬合值、測量值、相對偏差以及線性度的計算結果。從表中數(shù)據(jù)可以看出峰-峰值電壓超過200 V后,2條聲源級曲線的實測差值逐漸增大到6.7(±0.5) dB。由線性度(非線性誤差)參數(shù)可知,添加梯形結構匹配層的1-1-3型換能器聲源級線性度參數(shù)小于1-1-3型換能器聲源級曲線線性度(非線性誤差)。該值越小,說明曲線的線性特性越好。可見梯形匹配層的引入,不但增大了換能器的發(fā)射響應,提高了聲源級,還進一步提高了聲源級曲線的線性特性。

表6 聲源級曲線擬合參數(shù)與實測值對比

5 結 論

本文研究的加梯形匹配層的1-1-3型壓電復合材料換能器,通過在復合材料表面粘接梯形匹配層,最后用聚氨酯灌封而成。通過仿真與實驗分析了2種復合材料的振動模態(tài),仿真結果表明,加梯形匹配層的復合材料振動位移相比1-1-3型復合材料振動位移下降了1.56倍,但其輻射面積增大了2.7倍,當頻率相當時,面積增大的比例大于振速降低的比例時,遠場聲壓就會提高,益于提高發(fā)送電壓響應,實驗結果表明,加梯形匹配層的復合材料換能器的發(fā)送電壓響應提高了3.8 dB、聲源級提高了6 dB,接收帶寬提高1.45倍。