薄球殼壓電換能器設(shè)計(jì)與制作

袁鵬成，涂其捷，周 瑜

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，人類進(jìn)入了大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用海洋的時(shí)期。水聲設(shè)備在海洋開(kāi)發(fā)中扮演著重要角色。因此，各種使用場(chǎng)景都對(duì)水聲設(shè)備的性能提出了更高的要求。水聲換能器是水聲設(shè)備的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)有效電聲相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。水聲換能器在海洋開(kāi)發(fā)中廣泛用于水下聲學(xué)測(cè)量、水聲通信、水聲導(dǎo)航、水下定位以及地形地貌勘探等領(lǐng)域[1-2]。

鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷具有壓電系數(shù)高、性能穩(wěn)定、形狀可定制等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)越的壓電材料，在水聲換能器中具有廣泛的應(yīng)用。薄球殼換能器是一種以壓電薄球殼作為敏感元件的電聲轉(zhuǎn)換器件，通常被稱為球形換能器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作頻帶寬、低頻靈敏度平坦以及全指向性等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種典型的水聲換能器。

1 薄球殼壓電換能器聲學(xué)接收特性

1.1 低頻接收靈敏度

本文研究的球形換能器，采用的是徑向極化方式的壓電薄球殼。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，對(duì)于薄球殼壓電換能器，當(dāng)受到聲壓p0作用時(shí)，壓電薄球殼內(nèi)外電極會(huì)產(chǎn)生電位差V。球形換能器自由場(chǎng)接收靈敏度M為換能器輸出端的開(kāi)路電壓與換能器所處位置聲壓的比值，其低頻接收靈敏度如下：

式中：g33和g31為壓電陶瓷材料的壓電系數(shù)，a為球殼內(nèi)半徑，b為球殼外半徑。式（1）表明，球形換能器的接收靈敏度與球殼的厚度及半徑相關(guān)。引入球殼厚度與外直徑的比值t=(b-a)/2b，則式（1）可化為[3]：

參數(shù)t∈(0,00.5)，t值越小表示球殼越薄。以PZT-5壓電材料為例，將其壓電系數(shù)g33=25.6×10-3V·m·N-1，g31=-9.6×10-3V·m·N-1代入式（2），可得出|M/b|與t的關(guān)系曲線，如圖1 所示。

圖1 |M/b|與t 的關(guān)系

由圖1 可知，在壓電材料確定的條件下，t不變時(shí)，b越大，靈敏度越高；當(dāng)t不變時(shí)，t=0.358 時(shí)，靈敏度最小；在t＜0.358 范圍內(nèi)，t越小，靈敏度越高。

1.2 諧振頻率

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，薄球殼壓電換能器在空氣中的諧振頻率為：

式中：ρs為材料密度，σE為泊松比，Y11E為楊氏模量，為球殼外形平均半徑。由式（3）可知，此壓電薄球殼的諧振頻率與材料的密度ρs、泊松比σE、楊氏模量Y11E以及球殼外形尺寸平均半徑有關(guān)。

在水中時(shí)，壓電球殼換能器外表面與水接觸，導(dǎo)致輻射阻抗增加，因此，諧振頻率會(huì)比在空氣中的諧振頻率偏低。

2 有限元仿真

通常，為了提高接收靈敏度，可以增加球殼的外徑、減小厚度，在實(shí)際應(yīng)用中需要權(quán)衡設(shè)計(jì)。本文的球形換能器所用壓電薄球殼外半徑b=7.5 mm，厚度ξ=1 mm。薄球殼所用的壓電材料為PZT-5，其壓電系數(shù)g33=25.6×10-3V·m·N-1，g31=-9.6×10-3V·m·N-1，密度ρ=7550kg·m-3，楊氏模量為Y11E=6.0×1010Pa，，泊松比為σE=0.36。利用上述參數(shù)采用有限元分析進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.1 接收靈敏度仿真

根據(jù)球形換能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，建立了如圖2 所示的二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)模型。整個(gè)模型主要包括壓電薄球殼、透聲材料及水域等。

圖2 壓電球殼二維軸對(duì)稱簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

將薄球殼的參數(shù)代入式（1），可以計(jì)算得到球形換能器的低頻接收靈敏度為-204.0 dB。通過(guò)有限元仿真計(jì)算得到球形換能器接收靈敏度為-203.7 dB@1 kHz。其頻率響應(yīng)曲線如圖3 所示，與數(shù)值計(jì)算吻合。

圖3 球形換能器接收靈敏度響應(yīng)仿真曲線

2.2 球形換能器諧響應(yīng)分析

通過(guò)諧響應(yīng)分析，計(jì)算該結(jié)構(gòu)模型在20 Hz～200 kHz 頻段內(nèi)水中的電導(dǎo)納曲線，如圖4 所示。從電導(dǎo)納曲線可知，該結(jié)構(gòu)尺寸下球形換能器的諧振頻率為100 kHz，對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)值為8.9 mS。按式（3）計(jì)算該結(jié)構(gòu)尺寸下球形換能器的諧振頻率理論值為113 kHz，仿真結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果接近。

圖4 球形換能器水中導(dǎo)納曲線

3 球形換能器制作及性能測(cè)試

3.1 球形換能器制作

在上述分析和仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)球形換能器。該球形換能器采用外半徑為7.5 mm、厚度為1 mm、材料為PZT-5 的薄球殼壓電陶瓷。壓電球殼內(nèi)部為空氣背襯，外層采用硫化工藝包覆透聲橡膠，起到絕緣、密封和保護(hù)的作用，并在橡膠中間添加屏蔽層用于提高換能器的接收抗干擾能力。透聲橡膠厚度為3.5 mm。球形換能器實(shí)物如圖5 所示，球形換能器的外直徑為22 mm。

圖5 球形換能器實(shí)物圖

3.2 球形換能器性能測(cè)試

3.2.1 接收靈敏度測(cè)試

本文采用比較法測(cè)試球形換能器的接收靈敏度[5]。將制作的球形換能器與已知接收靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器利用工裝固定于駐波管中同一高度，改變駐波管聲源發(fā)射頻率，記錄二者的輸出電壓，通過(guò)計(jì)算得到球形換能器的接收靈敏度，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 的測(cè)試結(jié)果可知，該球形換能器在20～2 000 Hz 頻率范圍的接收靈敏度約為-203.7 dB，與理論值基本吻合，并且在該頻段起伏小于±1 dB。

圖6 球型水聽(tīng)器實(shí)測(cè)結(jié)果（20～2 000Hz）

對(duì)于10～200 kHz 頻段，將制作的球形換能器和已知接收靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器置于消聲水池同一位置處，采用比較法進(jìn)行高頻段接收靈敏度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。由測(cè)試結(jié)果可知，該球形換能器在高頻段測(cè)試與仿真結(jié)果在80 kHz 以內(nèi)起伏不超過(guò)±2.5 dB。

圖7 球型水聽(tīng)器實(shí)測(cè)結(jié)果（10～200 kHz）

3.2.2 發(fā)送電壓響應(yīng)測(cè)試

制作的球形換能器在上述頻段內(nèi)也可以作為水下聲源。在消聲水池中，將標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器置于球形換能器水平距離1 m 處進(jìn)行發(fā)送電壓響應(yīng)測(cè)試，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 球型換能器發(fā)送電壓響應(yīng)（10～200 kHz）

由圖8 可知，實(shí)測(cè)該球形換能器發(fā)送電壓響應(yīng)與仿真結(jié)果基本一致，換能器實(shí)物發(fā)送電壓響應(yīng)最大值在諧振頻率96 kHz 處可達(dá)到147.6 dB，仿真結(jié)果的最大值在諧振頻率100 kHz 處可達(dá)到150.0 dB。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用理論公式與有限元仿真設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式對(duì)薄球殼壓電換能器進(jìn)行了聲學(xué)特性分析，在分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用徑向極化空氣背襯的壓電薄球殼制作了一球形換能器，并完成了聲學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明，該球形換能器低頻接收靈敏度為-203.7 dB；在諧振頻率96 kHz 處最大發(fā)送電壓響應(yīng)可達(dá)147.6 dB。