李玉偉，趙慧，王艷

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圓環(huán)換能器故障成因評判的實驗設計

李玉偉1，趙慧2，王艷2

(1. 海軍駐上海地區(qū)水聲導航系統(tǒng)軍代表室，上海 201108；2. 上海船舶電子設備研究所，上海 201108)

在實際工程中，批量的圓環(huán)換能器在工作一段時間后出現(xiàn)側邊打火、絕緣下降的故障現(xiàn)象，為摸清故障出現(xiàn)的原因，設計了評判故障成因的實驗。實驗環(huán)境模擬換能器的實際工作條件，實驗過程中檢測圓環(huán)換能器的阻抗、靜態(tài)電容、絕緣電阻、外觀及手感溫度等變化情況，然后測試換能器的電聲性能，并與正常性能的換能器進行對比。實驗數(shù)據(jù)和結果表明：圓環(huán)換能器出現(xiàn)故障的原因為其在空氣中進行大功率發(fā)射。

圓環(huán)換能器；故障；圓環(huán)碎裂

0 引言

圓環(huán)換能器是一種常用的水聲換能器，一般采用壓電陶瓷圓環(huán)作為電聲轉換元件，具有結構簡單、水平無指向性的特點。圓環(huán)換能器廣泛應用于聲源、水聲通訊系統(tǒng)、水下信標等領域。

圓環(huán)換能器存在多個損傷極限，包括電極限、功率極限、機械極限等，超過任一極限就會損壞換能器[1]。其中電極限損傷是壓電陶瓷元件作為驅動元件的主要功能障礙[2]，它限制了壓電陶瓷能夠承受的最大工作電壓。壓電陶瓷環(huán)的功率極限除了與本身的材料、工作電壓、頻率等因素有關以外，還與工作環(huán)境有關[3-5]。當換能器在空氣中發(fā)射時，由于空氣的阻抗遠小于水的阻抗，換能器的輻射負載較小，陶瓷環(huán)振動幅度較大，可能超出其機械極限，容易造成陶瓷環(huán)碎裂。同時，由于空氣中輻射阻較小，換能器在相同發(fā)射電壓下輸入電功率變大，并且大部分輸入電功率轉換為熱量，容易導致陶瓷環(huán)發(fā)熱而引起退極化。

在實際工程中，批量的圓環(huán)換能器在工作一段時間后出現(xiàn)側邊打火、絕緣下降的故障現(xiàn)象, 本文為摸清故障出現(xiàn)的原因，設計了評判故障成因的實驗。實驗環(huán)境模擬換能器的實際工作條件，實驗過程中檢測圓環(huán)換能器的阻抗、靜態(tài)電容、絕緣電阻、外觀及手感溫度等變化情況，然后測試換能器的電聲性能，并與正常性能的換能器進行對比。用實驗測得的數(shù)據(jù)分析圓環(huán)換能器出現(xiàn)故障的原因。本文實驗的結果可以為圓環(huán)換能器的設計和應用提供參考，也對其它類型換能器的應用有參考價值。

1 圓環(huán)換能器故障現(xiàn)象基本描述

某圓環(huán)換能器的功率元件為2個并聯(lián)的徑向極化壓電陶瓷圓環(huán)。換能器靜態(tài)電容約為32 nF，正、負極與殼之間的絕緣電阻均大于250 MΩ。換能器工作時發(fā)射寬頻脈沖信號：頻率范圍為20～30 kHz，脈沖寬度為10 ms，周期為1 s，工作電壓為1 500 V±100 V(峰峰值)。換能器在每次下水之前都會在陸地上進行自檢，自檢時換能器會在空氣中發(fā)聲2～3次，自檢信號電壓為工作電壓；換能器在水下工作約30 min后露出水面，由于載體流程設置，某些工況下仍然對換能器繼續(xù)施加工作電壓的電信號，時間約幾分鐘。

該批次換能器在執(zhí)行完幾十次工作任務后，90%以上出現(xiàn)了故障。故障現(xiàn)象為：自檢時，換能器側邊出現(xiàn)電火花，手感換能器外表發(fā)熱，約40℃～50℃。對換能器進行檢測發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)電容降低至1/3左右，正負極絕緣電阻顯著降低，接近于0。檢測結果見表1。

表1 換能器靜態(tài)電容、絕緣電阻和外觀

2 故障成因評判的實驗設計

為了摸清圓環(huán)換能器出現(xiàn)故障的原因，設計故障成因評判的實驗包括：故障換能器解剖、正常換能器水中和空氣中的發(fā)射實驗。

2.1 故障換能器解剖

在檢測完故障換能器的技術參數(shù)后，對故障圓環(huán)換能器進行了解剖，解剖圖如圖1所示。將換能器的聚氨酯水密層剝開，發(fā)現(xiàn)換能器內部的壓電陶瓷環(huán)碎裂，在裂縫處有聚氨酯受熱變色的現(xiàn)象，并散發(fā)出聚氨酯的焦臭味。

圖1 換能器解剖圖

2.2 正常換能器在水中和空氣中的發(fā)射實驗

為了復現(xiàn)故障，用結構相同、性能完好的換能器進行了故障復現(xiàn)試驗。模擬換能器工作的環(huán)境，采用與故障換能器相同的發(fā)射機連接換能器，發(fā)射正常工作狀態(tài)下的信號，先將換能器在水中連續(xù)發(fā)射1 h，然后在空氣中發(fā)射2 h。試驗過程中對換能器的阻抗、靜態(tài)電容、絕緣電阻、外觀及手感溫度變化情況進行檢測。阻抗檢測變化如圖2所示。

圖2 換能器水中電導曲線隨測試時間的變化

由圖2的阻抗檢測結果可知，換能器在水中工作1 h后，阻抗曲線未發(fā)生明顯變化。換能器在空氣中發(fā)射2 h后，阻抗曲線變化明顯，曲線上第一個諧振頻率處電導降低較多。

隨著換能器在空氣中發(fā)射時間的增加，靜態(tài)電容和正負極之間的絕緣電阻均下降，檢測結果如表2和表3所示。試驗還檢測了換能器的外觀及手感溫度變化的情況，如表4所示。

表2 換能器靜態(tài)電容隨測試時間的變化

表3 換能器絕緣電阻隨測試時間的變化

表4 換能器外觀及溫度隨測試時間的變化

試驗過程中觀察到換能器的側邊出現(xiàn)打火的現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 換能器出現(xiàn)打火圖

3 實驗結果及與故障換能器的對比分析

性能正常的換能器在經歷了水中和空氣中發(fā)射實驗之后，再測試該換能器的發(fā)送電壓響應曲線和25 kHz的方向性圖，并將之與正常狀態(tài)下的曲線進行對比，結果如圖4和圖5所示。

圖4 換能器試驗后與正常狀態(tài)下的發(fā)送電壓響應曲線

圖5 換能器試驗后與正常狀態(tài)下25 kHz的方向性曲線

換能器在25 kHz的電壓響應值大大降低，方向性起伏增大，為6.9 dB。將換能器解剖，查看換能器內部陶瓷環(huán)情況，如圖6所示。

圖6顯示換能器內部陶瓷出現(xiàn)了裂縫，與故障換能器圖1中出現(xiàn)的現(xiàn)象一致。

圖6 換能器解剖后情況

Fig6 Post-dissection status of the transducer

可以確定，換能器出現(xiàn)打火現(xiàn)象時，換能器內的陶瓷環(huán)已經裂開，并在裂縫處打火。由于試驗時間不長，因此剝開后聚氨酯受熱變色不明顯、燒焦氣味不明顯。

為了驗證陶瓷環(huán)退極化的現(xiàn)象，還測試了陶瓷環(huán)壓電常數(shù)33的性能，測試結果如表5所示。

表5 正常和受損換能器陶瓷環(huán)的d33值

換能器長時間在空氣中發(fā)射以后，陶瓷環(huán)的壓電性能也下降，表現(xiàn)為壓電常數(shù)33下降。

一般而言，造成陶瓷環(huán)碎裂的可能原因包括外力碰撞、超出額定功率發(fā)射、空氣中大功率發(fā)射等因素。根據(jù)換能器的外觀檢測結果，可以排除外力碰撞的因素。當換能器在水下工作時，發(fā)射機輸出的電能一部分通過換能器轉化成聲能發(fā)射出去，換能器中陶瓷環(huán)在正常范圍內工作。當換能器在空氣中發(fā)射時，由于空氣的阻抗遠小于水的阻抗，換能器的輻射負載較小，陶瓷環(huán)振動幅度較大，超出其機械極限，使陶瓷環(huán)碎裂。同時，由于空氣中輻射阻抗較小，換能器在相同發(fā)射電壓下輸入的電功率變大，并且大部分輸入電功率轉換為熱量，壓電陶瓷環(huán)溫度持續(xù)升高，直至在電場作用下，陶瓷環(huán)退極化。在碎裂處出現(xiàn)正負極放電，產生電火花現(xiàn)象，最終絕緣性能降低。陶瓷環(huán)放電發(fā)熱使得換能器內部的空氣溫度急劇升高，使縫隙處的聚氨酯受熱變色。因此換能器在空氣中進行大功率發(fā)射是造成陶瓷環(huán)碎裂的主要原因。

換能器在空氣中大功率發(fā)射后，造成陶瓷環(huán)發(fā)熱、碎裂，無法正常工作，在指標上反映出的是換能器的電容降低，絕緣電阻降低等。電容的降低值主要由碎裂的位置和退極化情況決定，與電纜相連通的陶瓷越多，退極化程度越輕，則電容降低得越少。

另外，根據(jù)換能器的工作狀態(tài)，系統(tǒng)自檢時換能器會在空氣中發(fā)射2到3次，自檢信號電壓為工作電壓，可以確定自檢時換能器也處于空氣中大功率發(fā)射狀態(tài)，因此系統(tǒng)在空氣中滿功率自檢時也會造成陶瓷環(huán)發(fā)熱、碎裂。

4 結論與討論

通過圓環(huán)換能器故障評判實驗測得的結果和數(shù)據(jù)分析表明：該批次90%以上的換能器都出現(xiàn)故障的原因為水面工作和空氣中滿功率自檢。這兩種狀態(tài)均屬于空氣中大功率發(fā)射，這是造成圓環(huán)換能器出現(xiàn)側邊打火、絕緣下降故障現(xiàn)象的主要原因。

為了避免圓環(huán)換能器出現(xiàn)故障，首先系統(tǒng)自檢時換能器應放于水中，不可將換能器置于空氣中進行自檢；其次，換能器在工作時禁止在水面以上發(fā)射。本文實驗的結果可以為圓環(huán)換能器的設計和應用提供參考，也對其它類型換能器的應用有參考價值。

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Design of the experiment for judging the cause of ring transducer failure

LI Yu-wei1, ZHAO Hui2, WAN Yan2

(1.Navy’s Shanghai Area Acoustic Navigation System Military Representative Office, Shanghai 201108, China; 2. Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

In actual projects, the failure phenomenon of side-firing and insulation degradation occurs after a batch of ring transducers have been working for a period of time. In order to judge the cause of the failure, an experiment is designed. The experimental environment simulates the actual operating conditions of the transducer. During the experiment, changes in impedance, static capacitance, insulation resistance, appearance and feel temperature of the ring transducer are detected, then the electroacoustic performance of the transducer is tested and compared with normal performance of the transducer. The experimental data and results show that the failure of the ring transducer is due to its high power emission in the air.

ring transducer; fault; ring fracture

TB533

A

1000-3630(2018)-05-0511-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.05.018

2018-01-25;

2018-03-18

李玉偉(1988－), 男, 湖北襄陽人, 工程師, 研究方向為水聲信號處理。

趙慧, E-mail: zhaohui0094@163.com