鮮曉軍，林書玉，張海島

（1陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西西安710119；2中國電子科技集團(tuán)公司第26研究所，重慶400060）

基于類1－3－2型壓電復(fù)合陶瓷夾心式換能器性能的研究

鮮曉軍1，2，林書玉1，張海島1

（1陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西西安710119；2中國電子科技集團(tuán)公司第26研究所，重慶400060）

研究并設(shè)計(jì)了類1－3－2型壓電復(fù)合材料與基于此材料的夾心式換能器，分析了類1－3－2型壓電復(fù)合材料的頻率特性和夾心式換能器的頻率方程。利用切割法制作類1－3－2型壓電復(fù)合材料，并采用該材料制作了夾心式換能器并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究表明：該型換能器可實(shí)現(xiàn)拓寬夾心式換能器工作頻帶，有效抑制雜散模態(tài)以及改善位移分布，可應(yīng)用于大功率超聲與水下大功率發(fā)射器。

類1－3－2型復(fù)合材料；大功率；夾心式換能器；位移分布

PACS：43.35.+d；72.55.+S

壓電復(fù)合陶瓷材料是指由壓電陶瓷和聚合物按確定的連通方式、一定的體積或質(zhì)量比，以及確定空間幾何分布復(fù)合而成的材料。由于其具有較低的聲阻抗，與水和有機(jī)材料的聲阻抗匹配，并且具有較好的柔順性和易于成型等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于超聲、水聲以及聲學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域。

采用切割法并填充有機(jī)物制作的壓電復(fù)合陶瓷材料，由于其橫向耦合振動(dòng)得到有效抑制，使其軸向方向的振動(dòng)模態(tài)更加單一，同時(shí)又具有較低的Q值和寬頻帶等特點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用于制作壓電復(fù)合陶瓷。利用含有聚合物的1－3型或1－3－2型壓電復(fù)合陶瓷材料制作夾心式換能器與利用純壓電陶瓷制作的夾心式換能器相比，軸向方向的部分雜散模態(tài)得到了有效抑制，同時(shí)增加了工作帶寬，易于與后端驅(qū)動(dòng)電路匹配，避免失諧，在小功率應(yīng)用方面對(duì)性能的總體提升較大。由于壓電復(fù)合材料中含有部分聚合物，若應(yīng)用于大功率使用環(huán)境，如大功率超聲清洗以及水下大功率發(fā)射器，驅(qū)動(dòng)器件極易發(fā)熱。隨著溫度升高，聚合物的性能變化較大，從而影響整個(gè)器件的性能，如發(fā)生頻率偏移等，造成整個(gè)系統(tǒng)失諧，嚴(yán)重影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和換能器的正常工作［1－6］。

為克服壓電復(fù)合材料應(yīng)用于大功率夾心式換能器中的不足，同時(shí)利用其能夠有效拓寬帶寬以及抑制雜散模態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，本文研究和設(shè)計(jì)了基于類1－3－2型壓電復(fù)合材料的夾心式換能器。通過切割壓電陶瓷圓片，制作類1－3－2型壓電復(fù)合材料，并利用該型壓電陶瓷制作了夾心式換能器。與采用整塊壓電陶瓷制作的夾心式換能器的設(shè)計(jì)相比，該型換能器的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)拓寬夾心式換能器工作頻帶，有效抑制雜散模態(tài)以及改善位移分布等［7－9］。

1 夾心式壓電換能器理論分析

1.1 類1－3－2型壓電復(fù)合陶瓷材料壓電特性理論分析

利用類1－3－2型壓電復(fù)合材料制作夾心式換能器，由于陶瓷基底厚度方向的幾何尺寸遠(yuǎn)小于基元厚度方向尺寸，即忽略陶瓷基底對(duì)基元厚度方向振動(dòng)的影響。同時(shí)，基元的厚度方向幾何尺寸需遠(yuǎn)大于橫向方向幾何尺寸，滿足一維振動(dòng)理論，極化方向沿基元厚度方向，此時(shí)忽略基元橫向振動(dòng)對(duì)厚度方向振動(dòng)的影響。基于以上兩種假設(shè)，其壓電方程為

式中εz1和σz1為振子z1軸方向的應(yīng)變和應(yīng)力，SE33為彈性柔順常數(shù)。對(duì)于邊界自由厚度為t的壓電振子，其基模振動(dòng)的共振頻率方程為

式中，kz1＝ω1／cz1，cz1＝（Ez1／ρ1）1／2，kz1與cz1為等效波速與聲速，ω1＝2πf1，ω1與f1共振為基元的角頻率和頻率。由（1）—（2）式可得基元的振動(dòng)頻率的近似表達(dá)式為

1.2 前后蓋板振動(dòng)特性分析

對(duì)于大尺寸的短圓柱，即橫向幾何尺寸與縱向幾何尺寸相當(dāng)，假設(shè)短圓柱體內(nèi)某點(diǎn)受縱向應(yīng)力σz2，徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σθ，且有σr＝σθ。假設(shè)大尺寸短圓柱中存在縱向和徑向的正交波，縱徑向的耦合系數(shù)n＝σz2／σ，根據(jù)表觀彈性法，可得短圓柱的等效彈性系數(shù)Ez2為

式中d為前后蓋板的直徑，E為前后蓋板材料的楊氏模量，ω為角頻率，v為材料的泊松比，R1為同圓柱直徑薄圓盤的徑向共振頻率方程XJ0（X）＝1－vJ1（X）的第一個(gè)根，c0＝（E／ρ2）1／2，ρ2為前后蓋板的密度。在考慮耦合振動(dòng)的情況下，前后蓋板的縱波聲速為

1.3 夾心式換能器縱向共振頻率的理論分析

圖1為夾心式換能器結(jié)構(gòu)示意圖，其主要包括前蓋板、陶瓷晶堆以及后蓋板三部分。由換能器設(shè)計(jì)理論，可以得出夾心式換能器的頻率方程為

其中，k1、ke、k2為后蓋板、壓電陶瓷晶堆及前蓋板的縱波波數(shù)，l1為后蓋板高度，l2＝lc1+lc2為壓電陶瓷晶堆厚度，l3為前蓋板高度，s為后蓋板、陶瓷晶堆和前蓋板的橫截面積，c1、ce、c2為后蓋板、陶瓷晶堆及前蓋板縱波聲速，ρ、ρ1、ρ2分別為壓電陶瓷晶堆和前后蓋板的密度。

圖1 夾心式換能器示意圖Fig.1 Schematic view of the sandwiched transducer

換能器設(shè)計(jì)中，換能器的縱向幾何尺寸設(shè)計(jì)為半波長。為了驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的正確性并盡量減少各種誤差的引入，前后蓋板設(shè)計(jì)時(shí)采用同一金屬材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為最簡(jiǎn)單的等截面圓柱，且橫截面積與陶瓷晶堆面積相同，換能器的節(jié)面位于陶瓷晶堆的中間，其頻率方程可簡(jiǎn)化為

式中k3為前（后）蓋板縱向方向上的波數(shù)，c3為前（后）蓋板縱向方向上的等效聲速，lc為壓電陶瓷晶堆的半厚度，ρ3為前（后）蓋板的密度。

2 類1－3－2型壓電復(fù)合夾心式換能器的實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，通過切割法制作了類1－3－2型壓電復(fù)合陶瓷，陶瓷片選用厚度為7mm，內(nèi)徑25 mm，外徑為55mm的PZT－8壓電陶瓷圓片，陶瓷基粒橫截面積的幾何尺寸2.2mm×2.2mm，切縫寬度為0.3mm，切割深度為6mm（如圖2所示）。切割后的陶瓷圓片與未切割的陶瓷圓片相比，在厚度振動(dòng)模式下，電連接均為并聯(lián)連接，其特性阻抗基本相同。但是，由于采用的切割工藝，陶瓷圓片的橫向振動(dòng)模式得到了有效抑制，使其在工作頻率帶模態(tài)更加單一，更加有利于提高厚度方向上的能量轉(zhuǎn)換效率［10－11］。

圖2 類1－3－2型壓電復(fù)合材料Fig.2 Analogous 1－3－2 piezocomposite material

根據(jù)夾心式換能器的設(shè)計(jì)理論，使用類1－3－2型壓電復(fù)合材料設(shè)計(jì)并制作了20kHz夾心式縱振動(dòng)換能器，前后蓋板以及螺栓的材料均采用不銹鋼，其材料參數(shù)為：E＝19.6×1010N／m2，ρ3＝7.9×103kg／m3，v3＝0.30，c＝5×103m／s，幾何尺寸為外徑55mm，內(nèi)徑30mm。壓電陶瓷晶堆的材料為采用前文所述的PZT－8型壓電陶瓷制作的類1－3－2型壓電復(fù)合材料，PZT－8型壓電陶瓷材料參數(shù)為：ρ＝7.6× 103kg／m3，SE11＝12×10－12N／m2，v＝0.30陶瓷的切割深度為0、4和6mm三種規(guī)格?；陬?－3－2型壓電復(fù)合材料制作的夾心式換能器實(shí)物圖如3所示，其性能參數(shù)理論設(shè)計(jì)值和實(shí)測(cè)值如表1所示，其中端面位移測(cè)試的驅(qū)動(dòng)電壓為3V。同時(shí)，利用激光測(cè)振儀分別對(duì)3種型號(hào)的換能器端面位移進(jìn)行了測(cè)試分析，其位移分布如圖4所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，與采用整塊陶瓷制作的夾心式換能器相比，利用切割法制作的類1－3－2型壓電復(fù)合材料制作的夾心式換能器，共振頻率設(shè)計(jì)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值相比誤差較小，其誤差主要來源于對(duì)壓電材料采用了近似理論分析以及換能器零件的加工與裝配的誤差。隨著切割深度的增大，基底越薄，基底的橫向振動(dòng)對(duì)縱向振動(dòng)影響越小，端面位移增大且分布越均勻，與采用整塊壓電陶瓷的夾心式換能器相比，位移分布與帶寬特性得到了明顯提升。

圖3 壓電換能器實(shí)物圖Fig.3 Image of the trail－made sandwiched transducer

表1 3種夾心式換能器性能參數(shù)測(cè)試值Tab.1 The measured performance parameters of three types of sandwiched transducers

圖4 3種換能器輻射端面位移分布圖Fig.4 The displacement distribution of three types of sandwiched transducers

3 結(jié)論

研究了基于類1－3－2型壓電復(fù)合材料制作的夾心式換能器，該型換能器與采用純壓電陶瓷制作的夾心式換能器相比，可實(shí)現(xiàn)拓寬夾心式換能器工作頻帶，有效抑制雜散模態(tài)以及改善位移分布等優(yōu)點(diǎn)，其主要特性包括如下幾個(gè)方面：

（1）陶瓷基元的幾何尺寸特別是切割深度對(duì)夾心式換能器性能指標(biāo)影響明顯，隨著切割深度的增加，橫向振動(dòng)對(duì)縱向振動(dòng)的影響越小，換能器端面位移越大且分布越均勻。

（2）利用類1－3－2型壓電復(fù)合材料制作夾心式換能器，由于該型材料不含聚合物，換能器性能隨溫度變化較小，可廣泛應(yīng)用于大功率超聲清洗以及水下大功率發(fā)射器。

（3）采用切割法制作的類1－3－2型壓電復(fù)合材料，由于切割損失的陶瓷體積占陶瓷總體積的比例很小，同時(shí)其電路連和機(jī)械連接方式均相同，換能器的功率容量以及阻抗特性與采用未切割陶瓷制作的換能器基本相同。

本文從理論與實(shí)驗(yàn)兩方面研究了類1－3－2型壓電復(fù)合夾心式換能器的阻抗特性和振動(dòng)特性，由于該類材料結(jié)構(gòu)的分布較復(fù)雜，研究中采用了各種近似，有關(guān)該類換能器的精確理論分析有待在以后的研究過程中進(jìn)行。

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〔責(zé)任編輯 李 博〕

Study of capability of sandwiched transducer based on analogous 1－3－2 piezocomposite material

XIAN Xiaojun1，2，LIN Shuyu1，ZHANG Haidao1
（1School of Physics and Information Technology，Shaanxi Normal University，Xi′an 710119，Shaanxi，China；2 26thInstitute of China Electronics Technology Group Corporation，Chongqing 400060，China）

A new type of sandwiched transducer，which is based on the analogous 1－3－2type piezocomposite material is designed and analyzed.The frequency characteristics of the analogous 1－3－2piezocomposite material and the frequency equations of sandwiched transducer are investigated by one－dimensional longitudinal vibration theory.By incising the PZT piezoelectric ceramic circular resonator，the analogous 1－3－2type piezocomposite material is fabricated.The sandwiched transducer is made by analogous 1－3－2 type piezocomposite material.It is shown that this type of sandwiched transducer gains pure mode and wide band in the working frequency range and has well－distributed displacement.It can be widely used in high power ultrasonic and underwater emitter.

analogous 1－3－2piezocomposite material；high power；sandwiched transducer；displacement distribution

O426.1

：A

1672－4291（2015）05－0039－04

10.15983／j.cnki.jsnu.2015.05.254

2014－12－26

國家自然科學(xué)基金（11174192，11374200）；國際科技合作計(jì)劃基金（2010DFR10690）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（2011020211010）

鮮曉軍，男，博士研究生，高級(jí)工程師，主要從事聲學(xué)換能器研究。E－mail：myzx310＠163.com