前蓋板為非金屬材料的超聲頻換能器

范育兵，鄭歡，向冰，吳梓豪，賀西平，朱行旻

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七二二研究所 低頻電磁通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430205；2.陜西師范大學(xué) 應(yīng)用聲學(xué)研究所，陜西 西安 710119)

超聲波技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵部件之一是超聲換能器，它可將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲振動(dòng)信號(hào)或?qū)⒙曊駝?dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。有電致伸縮和磁致伸縮換能器之分。根據(jù)不同的用途，又可設(shè)計(jì)成多種形狀的換能器，如復(fù)合棒型[1-3]、彎張型[4-5]、鈸型[6-7]、鑲拼圓環(huán)(圓管)型[8]以及各種模式轉(zhuǎn)換型[9]換能器等。復(fù)合棒型換能器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，又因其具有大強(qiáng)度、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高等特性，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。如將其前蓋板做成錐體喇叭形，可用于超聲清洗；若將前蓋板做成薄喇叭形，可以將振動(dòng)以聲波形式輻射出去；若將前蓋板振動(dòng)聚集成一小半徑的柱形，可用作超聲乳化；若前端柱形半徑小到如鋼針般，可用作超聲打孔；若將前蓋板設(shè)計(jì)成薄刃刀形，可用作為超聲手術(shù)刀等。這種復(fù)合棒型換能器也可作為單元布陣用。

一般地說(shuō)，換能器的振動(dòng)特性與組成部件的材料有關(guān),如不同的組件材料，換能器的振幅、帶寬、阻抗等有可能不一樣[10-12],但當(dāng)換能器前端面為大面積輻射板向流體中輻射聲場(chǎng)時(shí)，其輻射聲場(chǎng)的分布卻與何種材料的輻射板沒(méi)有直接關(guān)系[13]。通常無(wú)論是小功率的檢測(cè)型、接收型換能器，還是大功率的主動(dòng)聲吶水聲或功率超聲換能器，無(wú)論何種類(lèi)型、何種形狀的超聲換能器結(jié)構(gòu)中，與有源材料相連接的前后蓋板一般均被設(shè)計(jì)為金屬材料，如鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金等。用于變幅或傳振的桿件一般也為金屬質(zhì)材料。很少見(jiàn)到用非金屬材料作為換能器組件。換能器的組件不為非金屬材料主要原因是，非金屬材料的機(jī)械損耗較高，似乎不適于傳播機(jī)械振動(dòng)。

近年來(lái)，日本學(xué)者的研究表明，一種稱為聚苯硫醚的高分子功能材料作為一振動(dòng)體部件用在了超聲馬達(dá)上，可獲得較高的振動(dòng)振幅[14]。這種換能器的特點(diǎn)是雖有一定的機(jī)械損耗，但超聲馬達(dá)的質(zhì)量較輕。這啟發(fā)我們可以利用較低損耗因子的非金屬材料研制滿足高頻激振所需用于機(jī)械天線的換能器。本文研制了一種壓電陶瓷、前蓋板為非金屬材料的換能器，為了得到較大振幅，諧振頻率設(shè)計(jì)在16 kHz左右，一定加載電壓下能實(shí)現(xiàn)高振幅度振動(dòng)。若以前端面振幅與質(zhì)量比值(輸出-質(zhì)量比)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將高于前蓋板為金屬材料換能器的比值。

1 PPS材料力學(xué)參數(shù)測(cè)定

聚合物的形變性質(zhì)介于理想彈性體和理想粘性體之間，存在著粘彈性效應(yīng)，這是聚合物材料的重要特性[15]。衡量粘彈性效應(yīng)時(shí)，彈性模量往往由2個(gè) 部分組成，稱為復(fù)數(shù)模量：

E*=E1+jE2

(1)

式中：實(shí)數(shù)部分稱為儲(chǔ)能模量，表示應(yīng)變作用下能量在試樣中的儲(chǔ)存；虛數(shù)部分稱為損耗模量，表示能量的損耗。由粘彈性效應(yīng)導(dǎo)致的能量耗散可以用損耗因子tanδ表示：

(2)

式中δ為滯后相位角，也稱損耗角。

首先比較了PPS、POM、ABS、PBT等幾種非金屬材料，最終選取了損耗因子較低的PPS高聚物作為換能器的前蓋板材料。為能準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的PPS材料(密度1 740 kg/m3，泊松比0.36)利用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀進(jìn)行了力學(xué)參數(shù)測(cè)試。

聚合物的同一力學(xué)松弛現(xiàn)象可以在較高的溫度、較短的時(shí)間(或較高的作用頻率)觀察到，也可以在較低的溫度下、較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)觀察到。因此，升高溫度與延長(zhǎng)觀察時(shí)間對(duì)分子運(yùn)動(dòng)是等效的，對(duì)聚合物的粘彈性效應(yīng)也是等效的，稱為時(shí)溫等效原理(time temperature superposition, TTS)[15]。由此可以通過(guò)測(cè)試材料低溫下較低頻率的性能參數(shù)等效得到高頻下的性能參數(shù)。

加工了一長(zhǎng)50.0 mm、寬12.8 mm和厚3.2 mm的樣條，采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀DMA Q800(美國(guó)TA Instruments公司產(chǎn))，測(cè)試了其從-100 ℃～30 ℃的復(fù)數(shù)彈性模量，通過(guò)分析測(cè)試軟件Rheology Advantage Data Analysis將其等效轉(zhuǎn)換為室溫下高頻段的復(fù)數(shù)彈性模量如圖1所示。

圖1 時(shí)溫等效平移后的復(fù)數(shù)模量和損耗因子曲線Fig.1 The curves of complex modulus and loss factor after TTS shifting

從圖1中知頻率為15.5、18.5和20.8 kHz時(shí)，PPS的儲(chǔ)能模量分別為5.46、5.47和5.48 GPa，損耗模量則分別為37.47、37.30和37.56 MPa。

2 換能器設(shè)計(jì)

對(duì)于低損耗的粘彈性材料，其相位速度為[16]：

(3)

式中：

(4)

將PPS材料儲(chǔ)能模量和損耗模量代入式(3)和式(4)得：

(5)

此即PPS材料在一維理論下的縱波傳播速度。

為了輸出端得到高振幅，換能器后蓋板采用鋼材，前蓋板采用PPS材料，并將其設(shè)計(jì)成階梯狀。換能器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，Φm=30 mm、Φbolt=8 mm、lm=20 mm、le=12 mm、la=lb=lbolt=25 mm、Φb=8 mm。

圖3為考慮螺栓后換能器的Mason等效電路，此時(shí)換能器的前后端面均為空載。圖3中：

Z0i=ρiciSi,i=1,2,3,4,5

式中：ln、ρn、cn、Sn、kn分別為換能器第n段的長(zhǎng)度、密度、聲速、橫截面積、波數(shù)。對(duì)于如圖2所示的換能器，第1段為后蓋板，第2段為壓電晶堆，第3段為階梯狀前蓋板較寬段，第4段為階梯狀前蓋板較窄段，第5段為金屬螺栓。

當(dāng)回路總電抗為零時(shí)，得到換能器的諧振頻率為16.18 kHz。

在有限元軟件COMSOL中，按照?qǐng)D2給出的幾何尺寸建立模型，如圖4(a)所示，計(jì)算得到換能器的一階縱振動(dòng)諧振頻率為15.69 kHz，對(duì)應(yīng)的振型如圖4(b)所示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖5為PPS換能器的實(shí)物圖。圖6(a)和6(b)分別是用HP4294A阻抗分析儀測(cè)定換能器的諧振頻率和導(dǎo)納圓，可以看出換能器的諧振頻率約為16 kHz，半功率帶寬約為127 Hz。

圖2 換能器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the transducer

圖3 換能器的等效電路Fig.3 The equivalent circuit of the transducer

圖4 有限元模型和振型Fig.4 Model and vibration shape mode of FEM

圖5 換能器的實(shí)物Fig.5 Picture of transducer

利用激光測(cè)振儀OFV-505(德國(guó)Polytec公司產(chǎn))測(cè)試了其在諧振頻率附近的前后振幅，施加到換能器上的電壓與前端面振幅的關(guān)系結(jié)果如圖7和8所示。還測(cè)試了在諧振頻率處施加電壓為170 V時(shí)，換能器PPS部件前蓋板前端面處以及前蓋板變截面處(小端和大端面交界處)的升溫情況，如圖9所示。另外，對(duì)換能器前端面進(jìn)行了霧化效果測(cè)試，結(jié)果如圖10所示。

3.2 結(jié)果分析

本文利用了Mason等效電路、有限元2種方法設(shè)計(jì)了換能器。前者計(jì)算得到的諧振頻率為16.18 kHz，后者為15.69 kHz，與阻抗分析儀HP4294測(cè)試得的頻率16 kHz相比較，Mason等效電路方法的相對(duì)誤差為1.1%，有限元方法的相對(duì)誤差為1.9%。測(cè)試表明，PPS換能器的半功率帶寬為127 Hz，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)約為126，后者比一般金屬壓電陶瓷的換能器的略低些。

從圖7可以看出，換能器前端面振幅高于后端面振幅約一個(gè)數(shù)量級(jí)，諧振頻率處兩者的振幅比達(dá)到15.4左右。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，導(dǎo)致PPS部件溫度升高，諧振頻率會(huì)向低端漂移。

圖8表明，諧振頻率處前端面振幅與施加到換能器上的電壓近似為正比線性關(guān)系。可以看出，換能器兩端電壓為140 V時(shí)，前端面振幅達(dá)到14.4 μm。圖9表明，諧振頻率附近處施加電壓為170 V時(shí)，換能器PPS部件前蓋板變截面處的溫升要高于其前端面處的溫升。如工作時(shí)間為20 min時(shí)，前者溫升為36 ℃，后者則為13.3 ℃左右。停止工作10 min后，基本下降到室溫。

圖6 阻抗分析儀測(cè)定的換能器導(dǎo)納曲線及導(dǎo)納圓Fig.6 Admittance curve and admittance chart of the transducer measured by impedance analyzer

圖7 諧振頻率附近的前后振幅Fig.7 The front head & rear end vibration amplitude near resonant frequency

圖8 諧振頻率處電壓與前端面振幅之間的關(guān)系Fig.8 The relationship between the voltage and the vibration amplitude of the front head at the resonant frequency

霧化實(shí)驗(yàn)表明，換能器兩端電壓為26.3 V時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的振幅約為1.8 μm，換能器前端面開(kāi)始產(chǎn)生較為明顯的霧化現(xiàn)象。

計(jì)算了本文設(shè)計(jì)的換能器在相同電壓下前端面的振幅與其質(zhì)量之比，與同頻率下前端面換為鋼材料時(shí)的振幅與質(zhì)量比值。若將其定義為輸出-質(zhì)量比，比較兩者發(fā)現(xiàn)，前者的輸出-質(zhì)量比是后者的7.8倍，這也是PPS換能器的優(yōu)點(diǎn)。

圖9 恒定電壓下的換能器前端面變截面處的溫度Fig.9 The temperature of the front cross section end at fixed voltage

圖10 霧化實(shí)驗(yàn)Fig.10 Atomization test

4 結(jié)論

1)PPS換能器諧振頻率處半功率帶寬較金屬換能器稍大，其機(jī)械品質(zhì)因數(shù)比一般金屬壓電陶瓷的換能器的略低；

2)PPS換能器工作時(shí)，隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，有溫升，并導(dǎo)致其諧振頻率會(huì)向低端漂移；

3)諧振頻率處前端面振幅與施加到換能器上的電壓近似呈正比線性關(guān)系，因后蓋板為金屬材料，其前后振幅比值較大。計(jì)算表明，相同激勵(lì)電壓下，同頻率的PPS換能器的輸出-質(zhì)量比為金屬材料換能器的數(shù)倍。