王宏偉

（北京信息科技大學，北京100192）

一種高頻寬帶水聲換能器的研制*

王宏偉*

（北京信息科技大學，北京100192）

研制了一種寬帶、高頻壓電復合材料圓環(huán)陣水聲換能器。該換能器的寬帶結果是通過采用降低壓電材料機械品質因數Qm值和多模耦合振動兩種方法實現的。通過徑向切割壓電陶瓷圓環(huán)、灌注環(huán)氧樹脂得到壓電復合材料圓環(huán)，再將不同壁厚的壓電復合材料圓環(huán)軸向疊堆而成敏感元件，對敏感元件進行模具封裝，引出電極引線，得到換能器。利用ANSYS軟件對結構進行仿真，得到敏感元件諧振頻率和帶寬隨壓電陶瓷圓環(huán)厚度、高度和平均半徑的變化規(guī)律，并根據仿真結果確定了換能器敏感元件的最優(yōu)設計方案。將由最優(yōu)參數得到的兩個壓電復合材料圓環(huán)軸向疊堆，制作了雙圓環(huán)疊堆復合材料換能器。經測試，該換能器形成了明顯的雙模耦合振動，該換能器諧振頻率為375 kHz，其-3 dBd工作帶寬為90 kHz，最大發(fā)送電壓響應達148 dB。實現了換能器的高頻、寬帶、水平全向發(fā)射聲波的設計目標。

水聲換能器；寬帶；復合材料；圓環(huán)

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.05.007

隨著水聲技術迅速發(fā)展，要求換能器發(fā)射/接收更多的信息，即一個換能器需要覆蓋更寬的工作頻段，因此換能器寬帶技術的研究突顯出越來越重要的地位。制作中高頻寬帶發(fā)射換能器是眾多聲納系統(tǒng)對換能器的要求之一，然而對高頻發(fā)射換能器來說，將其制作成寬帶換能器具有一定的難度。現行拓寬換能器頻帶的方法主要有三種［1-5］：①通過復合柔性材料，增大損耗，降低換能元件的機械品質因數（Qm）值，即復合材料；②多振動模態(tài)耦合；③添加匹配層。壓電復合材料克服了單相壓電材料的缺點，保留了壓電相材料的強壓電性，利用其制作的換能器具有較高效機電耦合系數。此外，壓電復合材料還具有重量輕，聲阻抗率低，易于與水的聲阻抗相匹配等優(yōu)勢。多模耦合理論主要是利用兩個或兩個以上的振動模態(tài)實現多模耦合振動來拓展帶寬，是目前拓展換能器帶寬的一種有效方法。添加匹配層方法也可以達到拓展帶寬的目的，然而隨著時間的推移，匹配層的性能會有變化，造成換能器的性能不穩(wěn)定［6］。綜合比較上述三類拓展帶寬的方法，本文主要運用復合材料和多模耦合兩種方法來拓展高頻換能器的帶寬，通過ANSYS-軟件對壓電振子建模仿真，設計制做出性能穩(wěn)定的高頻寬帶換能器。

1　水聲換能器拓展帶寬的2種方法

1.1材料復合

壓電復合材料拓展帶寬原理主要是利用壓電復合材料具有較低的機械品質因數（Qm）這一特性，由于換能元件帶寬與材料Qm值有著直接的聯(lián)系，兩者關系如式（1）所示［7］：

式中，fr為諧振頻率，f是電導響應下降3 dB（或6 dB）的頻帶寬度。由上式知，換能元件的帶寬與材料Qm值成反比，即Qm值越低，帶寬Δf越大。所以如何降低壓電振子的機械Qm值是拓展帶寬的關鍵。而壓電振子的機械Qm值與自身材料參數也有著直接的聯(lián)系，其關系如式（2）所示：

其中，ω為振動圓頻率，R為壓電振子機械損耗和其自身電損耗阻之和，而M為壓電振子的等效質量。由式（2）可知，壓電振子Qm值與其自身損耗R成反比關系，所以拓展帶寬的一種有效的辦法是增大換能材料的損耗，如在壓電陶瓷中加入柔性聚合物制成壓電復合材料作為換能器敏感元件，因此壓電復合材料尤其適合制作寬帶換能器。

1.2多模耦合

另一類拓展寬帶方法為多模耦合振動，其拓寬頻帶的基礎是多模態(tài)耦合理論［8-11］，如圖1所示為兩種模態(tài)展寬帶寬原理圖。

由圖1知，f1和f2為系統(tǒng)中兩種振動模態(tài)的諧振頻率，通過調節(jié)系統(tǒng)中兩種模態(tài)諧振頻率差，使其相互靠近，當兩種振動模態(tài)頻率的交點下降3 dB或6 dB時不產生間斷或過深的凹谷，則兩種振動模態(tài)即可產生多模耦合，從而拓展換能器帶寬。

本文利用壓電陶瓷圓環(huán)的厚度振動來實現換能器的高頻特性，通過兩不同壁厚的壓電復合材料軸向疊堆，使其形成雙模耦合振動以拓展帶寬。工藝上，主要通過切割壓電陶瓷圓環(huán)、澆注環(huán)氧樹脂制作出壓電復合材料圓環(huán)，從而降低材料Qm值來拓展帶寬；最后，通過軸向疊堆不同壁厚壓電復合材料圓環(huán)使疊堆圓環(huán)產生雙模耦合振動以進一步拓展帶寬。

圖1　兩種模態(tài)展寬帶寬原理圖

2　壓電復合材料圓環(huán)結構

換能器的性能主要由疊堆壓電圓環(huán)振子的徑向厚度振動特性確定，而疊堆圓環(huán)又由復合材料單環(huán)組成，因此分析復合材料單環(huán)的性能，獲得其諧振頻率隨圓環(huán)各參數變化規(guī)律是換能器設計的基礎。本文通過徑向切割壓電陶瓷圓環(huán)—填充環(huán)氧樹脂—被覆電極等工藝制備出復合材料圓環(huán)，其具體結構如圖2所示。

圖2　壓電復合材料圓環(huán)結構

該復合材料圓環(huán)是通過壓電陶瓷相材料和聚合物相材料相互交疊而構成，兩相材料均以二維方式連接，通過相互間隔排列構成2-2型壓電復合材料圓環(huán)結構。該在結構中，壓電陶瓷圓環(huán)高度為h= 3 mm，外徑均為25 mm不變，而內徑不等（即徑向厚度t不等），其被分為24個周期性單元，其周期性單元如圖2所示。其每一個周期性單元包括壓電陶瓷相（PZT-4）和聚合物相（環(huán)氧樹脂），每個周期性單元的圓心角為15°，其中壓電陶瓷圓心角約為11°，環(huán)氧樹脂圓心角約為4°，所以壓電陶瓷相和聚合物相體積比約為3∶1，即壓電陶瓷相約占整體體積的75%，聚合物相約占整體體積的25%。

3　敏感元件設計

換能器的性能主要由疊堆壓電圓環(huán)振子的厚度振動特性確定，而疊堆圓環(huán)又由復合材料單環(huán)組成，因此分析復合材料單環(huán)的性能，獲得其諧振頻率及帶寬隨圓環(huán)各參數變化規(guī)律是換能器設計的基礎。

3.1壓電復合材料圓管諧振頻率、帶寬隨圓管各參數變化規(guī)律

利用ANSYS軟件對壓電復合材料圓環(huán)進行有限元建模、仿真，找到圓管頻率、寬帶隨圓管個參數的變化規(guī)律，為后續(xù)疊堆復合材料圓環(huán)敏感元件設計及制作提供仿真依據。

該模型中，圓環(huán)外直徑為25 mm，其被分為34個周期性單元，一個周期性單元中包括陶瓷相（PZT-5）和聚合物相（環(huán)氧樹脂），其中陶瓷相和聚合物相體積比約為3∶1，即陶瓷相體積約占整體的75%，聚合物相約25%。壓電振子敏感元件結構具有周期性，為減少計算量，通常選取圓管一個周期性單元進行有限元建模仿真［12］，通過對周期性單元施加對稱約束條件，即可模擬整個圓管振動狀態(tài)，如圖3所示為振子的一個周期性單元。

圖3　壓電振子的一個周期性單元

該周期性單元包括壓電陶瓷相和聚合物相，其中壓電陶瓷相采用三維耦合場單元Solid5，聚合物相采用Solid45三維耦合場固體單元。劃分網格后，在單元內環(huán)面加載0 V電壓，外環(huán)面加載1 V電壓，及對單元施加相應的對稱約束條件，

計算完成后通過ANSYS提供的后處理器可分別得到該有限元模型的一階振動模態(tài)，如圖4所示。

圖4　單圓環(huán)的一階振動模態(tài)

通過對其進行諧響應分析，計算得出電導圖，由電導圖即可得出圓管諧振頻率及帶寬。通過微調材料各參數（厚度t、高度h，平均半徑r），仿真得到復合材料圓管諧振頻率f、帶寬BW隨圓管厚度t、高度h、平均半徑r等參數的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5　復合材料圓管諧振頻率、帶寬隨圓環(huán)各參數變化規(guī)律

由仿真結果知：圓環(huán)諧振頻率隨圓環(huán)厚度t和高度h的增加而降低，隨平均半徑無變化；圓環(huán)帶寬BW也隨圓管厚度t和高度h的增加而降低，隨平均半徑無變化，即壓電振子諧振頻率及帶寬主要取決于壓電振子的厚度和高度。

3.2疊堆敏感元件結構的設計

為保證所設計的換能器達到高頻（380 kHz左右）、寬帶的功能。由圖6仿真結果知，我們選取圓環(huán)壁厚分別為3 mm和3.5 mm，高度均為3 mm的兩壓電復合材料陶瓷圓環(huán)進行軸向疊堆仿真。如圖6所示為疊堆復合材料敏感元件有限元模型。

圖6　疊堆復合材料圓環(huán)模型

同樣地，為減少計算量我們只選取敏感元件的一個周期性單元進行仿真計算，最終得到疊堆敏感元件在空氣中仿真電導頻譜圖，如圖7所示。

圖7　疊堆復合材料敏感元件仿真電導頻譜圖

由疊堆復合材料敏感元件仿真電導頻譜知，通過軸向疊堆高度相等，壁厚不等的兩個復合材料圓環(huán)，兩個復合材料圓環(huán)在360 kHz和390 kHz附近產生了兩個諧振峰，且兩諧振峰的頻率分別對應各圓環(huán)自身的厚度振動頻率，說明通過上下疊堆復合材料圓環(huán)拓展換能器帶寬具有可行性。

4　水聲換能器敏感元件制備

由以上仿真結果，我們選取壁厚分別為3 mm和3.5 mm，高度均為3 mm的兩壓電陶瓷圓環(huán)進行切割，試制雙圓環(huán)疊堆復合材料換能器樣機，并對其進行水下發(fā)送電壓響應測試，驗證該方案的可行性。本文在現有的陶瓷切割基礎上，采用切割壓電陶瓷圓環(huán)—灌注柔性聚合物（如環(huán)氧樹脂）—打磨整形—被覆電極等工藝制得復合材料圓環(huán)陣列，工藝流程如圖8所示。

圖8　壓電復合材料圓管陣列制備流程

根據上述工藝流程，首先，利用精密陶瓷切割機對外徑（為25 mm）相等，壁厚（分別為3 mm和3.5 mm）不等的兩壓電陶瓷圓環(huán)進行切割，并在切縫間澆注環(huán)氧樹脂、固化、打磨、鍍電極制得壓電復合材料圓環(huán)陣列。其次，將兩復合材料圓環(huán)進行同軸疊堆，疊層間以薄橡膠墊進行粘結，最終制得該換能器敏感元件，如圖9所示。

圖9　疊堆壓電復合材料敏感元件

5　水聲換能器性能測試

設計換能器的封裝器具，將上述制得的疊堆壓電復合材料敏感元件進行封裝。如圖10所示為最終制得的換能器樣品。

圖10　換能器樣品

根據測試標準，將換能器樣品放入消聲測試水池中浸泡兩個小時，室溫下利用脈沖法對換能器發(fā)送電壓響應進行水下測試，其結果如圖11所示。

圖11　換能器發(fā)送電壓響應

由圖11可知，測得該換能器的-3 dB帶寬為320 kHz～410 kHz，換能器最大發(fā)送電壓響應為147.8 dB。與空氣中仿真結果對比可知，該換能器在水中可實現良好的雙模耦合振動，-3 dB帶寬可拓展至90 kHz，與現行復合材料高頻換能器的帶寬（約20 kHz左右）相比，其帶寬拓展了近4倍。此外，該換能器諧振頻率與空氣中仿真結果對比，其諧振頻率有一定的降低，這主要是由于在振子外封裝了一定厚度的聚氨酯和水負載的緣故。

5　結束語

利用ANSYS有限元仿真軟件，設計了復合材料圓管結構尺寸，采用切割圓管—澆注環(huán)氧技術，制備出新型的2-2型壓電復合材料圓環(huán)，并將兩壁厚不等的復合材料圓環(huán)進行軸向疊堆，實現復合材料圓環(huán)疊堆結構，最終制作出一種新型的高頻寬帶換能器。通過對該新型換能器進行測試，結果表明，該新型結構換能器可在水中實現良好的雙模態(tài)耦合，能夠大幅度地拓展高頻換能器的帶寬。

［1］劉慧生，莫喜平.縱向換能器寬帶研究設計進展［J］.聲學技術，2014，33（6）：567-569.

［2］Ramadas S N，O’Leary R L，Gachagan A，et al.A Wideband Annular Piezoelectric Composite Transducer Configuration with a Graded Active Layer Profile［C］//IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings.2009：2742-2745.

［3］CerenElmasli I，Hayrettin Koymen.A Wideband and a Wide-Beam Width Acoustic Transducer Design for Underwater Acoustic Communications［C］//IEEE，2006：1756-1759

［4］張志甜，張超，馮冠平，基于橫向場激勵的高頻壓電超聲換能器［J］.傳感技術學報，2010，23（4）：461-464.

［5］陳士廣，陳華賓，程恩，等.水聲換能器功放與匹配電路的設計與實現［J］.傳感技術學報，2014，27（8）：1065-1069.

［6］張凱，藍宇，李琪.1-3型壓電復合材料寬帶水聲換能器研究［J］.聲學學報，2011，36（6）：632-637.

［7］徐鈞，俞宏沛，李建成.縱振換能器拓寬頻帶的方法綜述［J］.聲學與電子工程，2003，72（4）：17-21.

［8］夏鐵堅，郝浩琦.一種深水寬帶換能器［J］.聲學技術，2012，31（1）：65-66.

［9］張文波，王明洲，郝保安.一種多模寬帶水聲換能器的設計［J］.魚雷技術，2008，16（2）：31-33.

［10］李建成，李紅敏.雙諧振柔順層換能器［J］.聲學電子工程，2011，（2）：33-35.

［11］彭海軍，賈紹文，楊建新，蔡慧敏，鈸式換能器等效電路模型研究［J］.傳感技術學報，2014，27（6）：747-751.

［12］滕舵，陳航，朱寧.彎張換能器的有限元及邊界元分析［J］.壓電與聲光，2011，33（1）：54-56.

王宏偉（1967-），男（漢），內蒙古人，物理電子學博士，副教授，北京信息科技大學理學院電子信息科學與技術教研室，長期從事慣性傳感器和壓電復合材料水聲換能器的研究，drhwh@bistu.edu.cn。

Research of a High Frequency Broadband Underwater Acoustic Transducer*

Wang Hongwei*
（Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China）

A kind of wide band，high frequency piezoelectric composite circular array underwater acoustic transducer is developed. The wide Frequency band of the transducer is achieved by using the two methods of reducing the mechanical quality factor Qm value and multi-mode coupling vibration of the piezoelectric material.Through the radial cutting of the piezoelectric ceramic ring and pouring the epoxy resin in the cutting gap，The piezoelectric composite ring was obtained.Later，Two piezoelectric composite ring with different wall thickness is axially stacked to form a sensing element，leading out the wire of the electrode，and the transducer is got.By using ANSYS software to simulate the structure，the relationship of the resonant fre?quency and the bandwidth of the sensitive element with thickness of the piezoelectric ceramic ring，the height and the average radius of the ceramic ring are obtained.Two piezoelectric composites ring，which are obtained from the optimal parameters，are axially stacked and fabricated to get the transducer.It is tested that the transducer has an obvious dual mode coupling vibration，the resonant frequency of the transducer is 375 kHz，It’s-3 dB bandwidth is 90 kHz，the maximum transmission voltage is 148 dB.The design target of high frequency，broadband，and horizon?tal omnidirectional transmitting acoustic wave is realized.

underwater acoustic transducer；broadband；composite material；ring.

TP393

A

1004-1699（2016）05-0665-05

項目來源：國家自然科學基金項目（614710470）；北京市自然科學基金重點項目（B類）（KZ201411232037）

2015-12-14修改日期：2016-01-19