許光，吳培榮，劉振君

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高頻換能器功率疲勞分析

許光1，吳培榮1，劉振君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)

壓電陶瓷元件因疲勞破壞而失效是造成高頻發(fā)射換能器損壞的重要原因之一。以一款高頻換能器為例分析了換能器功率疲勞現(xiàn)象和壓電陶瓷功率疲勞機理；針對高頻換能器水中阻抗與空氣中阻抗比較接近的特點，設(shè)計了空氣中大功率發(fā)射以加速復(fù)現(xiàn)功率疲勞的實驗方法，制作了實驗樣機；實驗較好地復(fù)現(xiàn)了電導(dǎo)值下降、發(fā)送電壓響應(yīng)下降的功率疲勞故障現(xiàn)象，驗證了發(fā)射功率是換能器功率疲勞的主要因素。當(dāng)發(fā)射功率較大時，散熱環(huán)境是誘發(fā)功率疲勞的重要因素。為避免換能器產(chǎn)生功率疲勞，必須重視發(fā)射功率、工作環(huán)境和散熱情況；發(fā)射功率越大對工作環(huán)境散熱要求越高。

高頻換能器；壓電陶瓷；功率疲勞

0 引言

高頻換能器廣泛應(yīng)用于避碰聲吶、側(cè)掃聲吶等各種高頻聲吶，高頻發(fā)射換能器一般采用1-3型壓電復(fù)合材料作為電聲轉(zhuǎn)換元件。1-3型壓電復(fù)合材料的壓電陶瓷元件工作于力電耦合場中，是典型的易疲勞元件；疲勞破壞是其主要失效形式[1,2]。壓電陶瓷元件因疲勞破壞而失效是造成高頻發(fā)射換能器損壞的重要原因之一。高頻發(fā)射換能器存在多個損傷極限，包括功率極限、機械極限、電極限等，超過任一極限就會損壞換能器。而發(fā)射功率接近功率極限時，則容易發(fā)生功率疲勞，長時間工作就會顯著縮短換能器壽命。

本文以某型聲吶高頻發(fā)射換能器為例，針對1-3型壓電復(fù)合材料壓電陶瓷元件的功率疲勞機理、換能器工作環(huán)境等進行了高頻換能器的功率疲勞分析。

1 換能器功率疲勞現(xiàn)象

某型聲吶1-3型壓電復(fù)合材料高頻發(fā)射換能器的諧振頻率處電導(dǎo)約16 mS，發(fā)送電壓響應(yīng)約160 dB，可工作頻率范圍為300~700 kHz。在使用半年后因出現(xiàn)作用距離下降等故障現(xiàn)象，返廠維修檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)射換能器性能發(fā)生顯著變化：諧振頻率電導(dǎo)值下降至6.3 mS，發(fā)送電壓響應(yīng)下降至140 dB，發(fā)射波束內(nèi)指向性起伏顯著增加了約10 dB。故障換能器出廠前正常狀態(tài)與返廠維修時故障狀態(tài)的水中電導(dǎo)曲線如圖1所示，指向性如圖2所示。圖2(a)為正常狀態(tài)指向性圖，圖2(b)為故障狀態(tài)指向性圖。

(a) 正常狀態(tài)指向性圖

(b) 故障狀態(tài)指向性圖

圖2 故障換能器指向性圖(線性坐標(biāo))

Fig.2 Directionality of the transducer(linear coordinates)

聲吶開機工作，繼續(xù)給故障換能器施加工作電壓信號，發(fā)現(xiàn)故障換能器的水中諧振頻率處電導(dǎo)值隨著工作時間的增加進一步下降，與發(fā)射時間成單調(diào)下降趨勢，表明換能器故障存在一個性能逐步下降的過程。電導(dǎo)曲線變化如圖3所示。

解剖故障換能器發(fā)現(xiàn)，水密層與外電極粘接良好，外電極與壓電復(fù)合材料元件粘接良好，內(nèi)電極與壓電元件大部分粘接良好，局部存在膠水失效。失效膠水呈現(xiàn)褐色粉末狀，形狀規(guī)則與壓電陶瓷粒子形狀一致。測量壓電陶瓷粒子的阻抗，發(fā)現(xiàn)粒子性能離散性較大，大部分陶瓷粒子的壓電性能顯著下降甚至已經(jīng)完全失效。

電導(dǎo)下降、發(fā)送電壓響應(yīng)降低表明壓電陶瓷性能下降，指向性變化表明壓電陶瓷粒子性能下降具有離散性，解剖后測量結(jié)果驗證了壓電陶瓷粒子出現(xiàn)功率疲勞，功率疲勞程度是離散的，出現(xiàn)了離散性的性能下降或失效。

2 功率疲勞機理

壓電陶瓷微觀結(jié)構(gòu)上具有氣孔缺陷或微裂紋，由于氣孔形狀和周圍介質(zhì)強度的不同或微裂紋的存在，使得壓電陶瓷元件內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻；在大功率工作時，可引起氣孔塌陷或微裂紋生長。造成氣孔發(fā)生塌陷的壓力點和時間也不盡相同，呈現(xiàn)為一個較寬的區(qū)間[3]。在一定頻段內(nèi)，頻率越高壓電陶瓷也越容易產(chǎn)生疲勞[3-5]，這是因為高頻交變電場作用于壓電陶瓷上時，引起壓電陶瓷在縱向的高頻振動，即極化方向的伸縮，很容易導(dǎo)致90° 疇無序化，電疇快速反轉(zhuǎn)也產(chǎn)生大量的熱，并容易加劇或產(chǎn)生應(yīng)力集中而引起微裂紋。高頻交變電場可在幾小時之內(nèi)導(dǎo)致性能大幅度降低甚至退極化[4]。

高頻換能器采用的1-3型壓電復(fù)合材料是采用切割壓電陶瓷片制備的，壓電陶瓷切割面不可避免地存在微小凹坑、裂紋等缺陷，這些壓電陶瓷表面的缺陷也會造成大功率工作時的應(yīng)力集中和微裂紋產(chǎn)生、生長，從而引起功率疲勞。

壓電陶瓷的功率疲勞除與材料、工作電壓與頻率等因素有關(guān)外，還與環(huán)境溫度等因素有關(guān)[3-7]。當(dāng)溫度過高時，電偶極子就會回到無序狀態(tài)(退極化)，在居里點以上壓電性能完全消失。因此，要連續(xù)工作而又不會出現(xiàn)明顯的退極化，必須在遠低于居里點的溫度下工作。一般安全溫度的極限是在0℃和居里點之間的1/2處[3]。

如果環(huán)境溫度較高、散熱差，壓電陶瓷在大功率發(fā)射時，由于自身損耗而產(chǎn)生的熱能，使壓電陶瓷內(nèi)部的溫度會有一定升高。雖然環(huán)境溫度遠低于1/2居里點溫度，但是壓電陶瓷內(nèi)部溫度可能已經(jīng)超過1/2居里點溫度。這時換能器就會容易發(fā)生功率疲勞甚至直接損壞。本文中換能器壓電陶瓷功率疲勞即屬于這種情況。

3 功率極限

壓電陶瓷的功率極限，可由工作頻率、材料體積和柔順系統(tǒng)等參數(shù)通過公式(1)計算[8]。

式中：P為連續(xù)發(fā)射聲功率，單位：W；為壓電陶瓷體積，單位：m3；為工作頻率，單位：rad/s；為柔順系數(shù)，單位：m2/N；為機械品質(zhì)因數(shù)；為動態(tài)抗張強度，單位：N/m2。

脈沖發(fā)射時功率極限會有一定程度的提高，最大可提高1個量級，綜合來說，一般連續(xù)功率的2倍以下是比較安全的。功率極限不是一成不變的，還受發(fā)射信號形式、換能器結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度等很多因素影響。功率越大，對散熱能力、溫度等環(huán)境要求就更高；反之，環(huán)境溫度越高，功率極限也越小。

4 功率疲勞試驗

該型聲吶發(fā)射信號為單頻脈沖，頻率為換能器水中諧振頻率，該型聲吶換能器的水中阻抗與空氣中阻抗比較接近。根據(jù)該型換能器的特點，借鑒發(fā)射換能器壽命試驗規(guī)范中讓換能器在空載條件下進行激勵的方法，因此設(shè)計了實驗換能器樣機在空氣中大功率發(fā)射以加速復(fù)現(xiàn)功率疲勞并以不同功率進行對比的實驗方法。圖4是該型聲吶換能器在水中和空氣中的電導(dǎo)曲線對比。

利用與該型聲吶換能器中相同規(guī)格的壓電復(fù)合材料元件，制作了兩個實驗換能器樣機。實驗換能器連續(xù)信號發(fā)射功率極限為200 W，若取連續(xù)信號發(fā)射功率極限的2~10倍，則短脈沖低占空比信號發(fā)射功率極限可達400~2000 W。兩個實驗換能器在進行功率疲勞試驗前電導(dǎo)和發(fā)送電壓響應(yīng)基本相同，諧振頻率發(fā)送電壓響應(yīng)約168 dB，電導(dǎo)約1.5 mS。實驗信號為脈寬0.2 ms、周期200 ms的短脈沖低占空比信號，信號頻率為水中諧振頻率。考慮到實驗對比效果和功放發(fā)射能力，實驗功率分別為160 W和1000 W。因此以下分別稱之為160 W實驗換能器和1000 W實驗換能器。兩個實驗換能器同時在相同環(huán)境中工作，通過監(jiān)測阻抗(C-)變化反映壓電陶瓷元件性能的變化情況。

兩個實驗換能器在功率實驗前后的性能見表1、表2和圖5。水中發(fā)射5.5 h后，諧振點阻抗略有減小，靜態(tài)電容略有增加。繼續(xù)工作10 h阻抗參數(shù)保持穩(wěn)定，兩個實驗換能器的變化趨勢是相同的，只是160 W實驗換能器變化量相對較小。這是由于水中散熱狀態(tài)良好，發(fā)射時產(chǎn)生的熱量使壓電陶瓷溫度升高，引起阻抗減小，靜態(tài)電容增加；此時壓電陶瓷通過水中散熱達到平衡溫度，且溫度較低，尚未引起功率疲勞。兩個實驗換能器在空氣中發(fā)射半小時后，阻抗變化趨勢出現(xiàn)顯著不同：160 W實驗換能器靜態(tài)電容和諧振點電導(dǎo)繼續(xù)小幅增加，并在接下來的3 h內(nèi)基本保持不變(圖5)，說明內(nèi)部壓電陶瓷溫度繼續(xù)升高，并達到新的平衡；1000 W實驗換能器靜態(tài)電容和諧振點電導(dǎo)則出現(xiàn)相對明顯的下降，并在接下來的3 h內(nèi)繼續(xù)緩慢下降(圖5)，說明壓電陶瓷粒子已經(jīng)出現(xiàn)功率疲勞，并在逐步發(fā)展，那些存在氣孔缺陷或微裂紋的壓電陶瓷粒子在最初的半小時內(nèi)相對集中地產(chǎn)生了功率疲勞，并迅速發(fā)展，而那些沒有缺陷或缺陷較少的陶瓷粒子則較晚產(chǎn)生功率疲勞，且發(fā)展緩慢。

表1 160 W實驗換能器阻抗監(jiān)測情況

表2 1000 W實驗換能器阻抗監(jiān)測情況

測量兩個實驗換能器經(jīng)過相同試驗過程后的發(fā)送電壓響應(yīng)S，160 W實驗換能器發(fā)送電壓響應(yīng)為167.7 dB，與功率疲勞實驗前保持一致。1000 W實驗換能器發(fā)送電壓響應(yīng)為163.1 dB，下降了4.6 dB(圖6)，驗證了功率疲勞后的發(fā)送電壓響應(yīng)下降現(xiàn)象。

試驗過程中，電導(dǎo)和靜態(tài)電容的小幅上升是壓電陶瓷及換能器的溫度升高引起的，說明在具有良好散熱條件的水中，換能器未達到功率極限，沒有出現(xiàn)功率疲勞現(xiàn)象，換能器可以比較穩(wěn)定地正常工作。在空氣中工作半小時前后，1000 W實驗換能器電導(dǎo)由1.64 mS降低到1.36 mS，發(fā)送電壓響應(yīng)下降4.6 dB，說明在工作環(huán)境散熱能力下降后，雖然輸入功率沒有增大，換能器內(nèi)部的壓電陶瓷粒子開始出現(xiàn)功率疲勞現(xiàn)象。

上述試驗較好地復(fù)現(xiàn)了電導(dǎo)值下降、發(fā)送電壓響應(yīng)下降的功率疲勞故障現(xiàn)象，驗證了發(fā)射功率是換能器功率疲勞的主要因素。當(dāng)發(fā)射功率較大時，散熱環(huán)境是誘發(fā)功率疲勞的重要因素。為避免換能器產(chǎn)生功率疲勞，設(shè)計時須考慮發(fā)射功率、工作環(huán)境和散熱情況等。發(fā)射功率越大，壓電陶瓷發(fā)熱量也越大，溫度升高越快，因此對工作環(huán)境溫度和散熱的要求也就越高。

受條件限制，試驗功率僅達到降低換能器壽命的程度，未達到立即損壞的程度。把1-3型壓電復(fù)合材料中的每一個陶瓷粒子看作一個獨立電子元件，其功率疲勞故障率仍應(yīng)服從浴盆曲線規(guī)律。因此，復(fù)現(xiàn)大部分陶瓷粒子失效需要較長的試驗時間。圖3、圖5也說明在現(xiàn)有試驗條件下需要較長的試驗時間才能達到電導(dǎo)值顯著下降3/5。因此，在實驗樣機進行3天試驗后，實驗樣機的阻抗和發(fā)送電壓響應(yīng)等參數(shù)的下降雖然未達到返廠維修的故障換能器下降值，但其變化趨勢已經(jīng)基本復(fù)現(xiàn)了功率疲勞現(xiàn)象，我們即結(jié)束了試驗。

5 結(jié)論

以高頻發(fā)射換能器為例分析了換能器功率疲勞現(xiàn)象和壓電陶瓷功率疲勞機理，通過實驗驗證了發(fā)射功率是換能器功率疲勞的主要因素，工作狀態(tài)或不良散熱環(huán)境也是重要因素，為避免換能器產(chǎn)生功率疲勞，必須重視發(fā)射功率、工作環(huán)境和散熱情況。本文對其它換能器包括低頻換能器亦有參考價值，可以為換能器設(shè)計和應(yīng)用提供參考。

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Research on the power fatigue problem of high frequency underwater transducer

XU Guang1, WU Pei-rong1, LIU Zhen-jun2

(1.Office of Navl deputation shanghai, shanghai 201108;2. Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute,shanghai 201108,china)

The piezoelectric ceramics invalidation caused by fatigue damage is one of the most important problems which results in transducer array inefficacy. The power fatigue phenomenon and piezoelectric ceramics power fatigue mechanism of a typical high-frequency transducer has been analyzed in this paper. Since the characteristic that the impedance of high frequency transducer in the air is close to that in the water, the high-power transmission repeated in air has been designed to speed up the launch of fatigue and the experimental prototype has also been made. Experiment recreates the power fatigue failure including conductance value falls and declining of sending voltage response. The results show that transmitting power is the main factor of transducer power fatigue; heat loss state is also a important factor. To avoid transducer power fatigue, more attention must be paid to transmitting power and heat loss state. The requirement of heat dissipation depends on the level of transmission power.

high-frequency transducer; piezoelectric ceramics; power fatigue

TS936

A

1000-3630(2015)-03-0283-04

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.019

2014-06-20;

2014-09-17

許光(1973－), 男, 江蘇無錫人, 工程師, 研究方向為信號與信息處理。

劉振君, E-mail: lzjun@smmail.cn