賈俊博，秦 雷,3，仲 超，王麗坤,3

(1.北京信息科技大學 傳感器北京市重點實驗室，北京 100192；2.北京信息科技大學 光電測試技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100192；3.北京信息科技大學 教育部現(xiàn)代測控技術(shù)重點實驗室，北京 100192)

壓電復合材料作為換能器的核心敏感材料經(jīng)歷了近半個世紀的快速發(fā)展。因其既具有壓電相材料的壓電性能又可以通過添加聚合物相來提高材料的綜合性能，故在超聲無損探傷、地質(zhì)探測、水下聲吶通信等方面有著無可替代的作用[1-3]。壓電陶瓷的剪切振動模態(tài)作為典型振動模態(tài)的一種，其極化方向和電場方向垂直分布，在激勵作用下則在極化方向和電場方向組成的平面內(nèi)產(chǎn)生剪切形變[4]。對于大多數(shù)壓電元件，壓電陶瓷剪切振動模態(tài)的壓電系數(shù)d15比d33系數(shù)高出50%～70%[5-6]，且其頻率常數(shù)、介電常數(shù)都較低。目前，國內(nèi)外對于壓電材料d15模態(tài)研究較少，大多數(shù)是通過結(jié)構(gòu)設計來利用d15獨特的剪切形變，且多用于能量收集領域。如美國新澤西州立大學的Safari等[7]設計了一種應用d15模式的壓電復合材料，壓電陶瓷柱以45°角放置于聚合物中。然而由于其工藝復雜，性能提升不明顯，沒能得到廣泛應用。Ren等[8]將工作于d15模態(tài)的PMNPT單晶應用于俘能器上，通過質(zhì)量塊和懸臂梁的作用，將外界振動轉(zhuǎn)化為壓電單晶的切向形變，取得了較高的輸出電功率。Zhao等[9]將兩塊工作于d15模態(tài)的PZT壓電陶瓷串聯(lián)應用于壓電俘能器上，性能得到了進一步提高。Trindade等[10-11]應用d15模態(tài)設計了一種復合材料。該壓電材料的壓電應變常數(shù)d15和介電常數(shù)并沒有減小，而壓電電壓常數(shù)e15和剪切模量卻降低了90%。Yan等[12]提出基于d15剪切機電耦合的接觸型行波壓電微電機，采用單體PZT作為定子，定子在交變電場的作用下產(chǎn)生一階和二階的彎曲振動模態(tài)，擺動的定子表面產(chǎn)生行波并以順時針或逆時針的方向摩擦轉(zhuǎn)子使其轉(zhuǎn)動。該結(jié)構(gòu)較同類型產(chǎn)品優(yōu)勢在于小型化，轉(zhuǎn)速高，扭矩大。Han等[13]應用壓電陶瓷的d15模態(tài)構(gòu)成壓電圓管，通過剪切振動帶動磁性材料旋轉(zhuǎn)形成磁電耦合，較非d15模態(tài)的剪切換能器相比能量密度大幅提高，證明其在磁傳感器，換能器以及俘能器等方面有較好的應用前景。Yuan等[14]提出剪切壓電纖維復合材料(Shear Piezoelectric Fiber Composites,SPFC)的新穎結(jié)構(gòu)，其極化方向是厚度方向，在水平方向交替施加電場。在驅(qū)動條件下，SPFC顯示出較大的剪切應變。至此，越來越多的科研學者青睞于d15的優(yōu)良特性?？梢?，d15剪切振動模態(tài)還有著極大的研究價值和廣闊的應用前景。

本文提出一種基于剪切振動的新型壓電復合材料。通過設計梯形過渡層，將壓電陶瓷產(chǎn)生的剪切振動轉(zhuǎn)化為過渡層的厚度振動，以此來達到應用剪切振動模態(tài)產(chǎn)生縱波的目的，進而使得這種復合材料可以應用于水聲或超聲換能器。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

基于剪切振動的壓電復合材料結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該復合材料由壓電陶瓷相、被動相構(gòu)成。其中沿X軸正向極化的壓電陶瓷以及沿X軸負向極化的壓電陶瓷沿X軸方向交替排列。壓電陶瓷間粘接被動相，垂直于Z軸的兩個陶瓷面上制備電極。

圖1 基于剪切振動的壓電復合材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of piezoelectric composite based on d15 mode

如圖2所示是壓電復合材料的極化方向及振動模態(tài)示意圖。由于極化方向與電場方向夾角為90°，所以會激發(fā)壓電陶瓷的d15振動模態(tài)。即在極化方向為P方向的壓電陶瓷材料上，施加E方向(即垂直于極化方向)的電激勵時，在EP組成的平面內(nèi)產(chǎn)生切向形變。由圖2可知，第一和第二個基元表示了陶瓷材料的極化方向P和電場方向E；第三、第四和第五個基元表示了陶瓷材料在電場激勵下產(chǎn)生的形變?？梢钥闯龅谌?、第四兩個基元共同作用可以帶動基元間的被動相a(即被動相填充層)產(chǎn)生振動，而第四、第五個基元共同作用可以帶動被動相產(chǎn)生相反的振動。這種振動再通過梯形被動相b(即被動相過渡層)分別傳遞到上下表面的被動相平面c(即被動相平面層)上，從而完成機電轉(zhuǎn)換過程，實現(xiàn)壓電陶瓷剪切振動到復合材料厚度振動的轉(zhuǎn)化。

圖2 基于剪切振動的壓電復合材料振動原理圖Fig.2 The vibration principle diagram of piezoelectric composite based on d15 mode

2 有限元參數(shù)分析

Kranz等[15]發(fā)現(xiàn)不同尺寸參數(shù)會對復合材料機電耦合系數(shù)產(chǎn)生較大影響，而機電耦合系數(shù)是表征換能器能量轉(zhuǎn)換效率的重要指標。因此本文前期對尺寸參數(shù)與機電耦合系數(shù)的關(guān)系做了詳細研究，發(fā)現(xiàn)對于PZT-5A型壓電陶瓷，當電場方向尺寸與極化方向尺寸之比接近1.1時，剪切振動的機電耦合系數(shù)達到最高值0.56。為使加工方便，本文選取壓電陶瓷電場方向尺寸與極化方向尺寸均為10 mm、長度為7 mm的陶瓷小塊作為基元。運用商業(yè)仿真軟件Ansys?(ANSYS,Inc.USA)對單一基元的陶瓷振動情況進行諧響應分析并觀測其諧振處的振動情況。同時，制備相同尺寸的PZT-5A型壓電陶瓷基元，去掉原有極化方向的電極并在與之垂直方向濺射電極。通過HP 4294A(Agilent Technologies Inc.USA)阻抗分析儀測量其導納曲線，測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，導納曲線可以看出該尺寸下的壓電陶瓷基元諧振頻率仿真結(jié)果為107.19 kHz，實驗測量結(jié)果為105.85 kHz，誤差為1.26%。仿真和實驗結(jié)果吻合較好。實測結(jié)果的諧振頻率和諧振點處的電導值較仿真結(jié)果均略有下降，這是由于有限元仿真軟件所用的材料參數(shù)與實際情況略有差別。

應用激光多普勒測振儀(PSV-400 Polytec Inc.Germany)觀測樣品的實際振動情況。如圖4(a)為有限元模型及其剪切形變。圖4(b)為用激光多普勒測振儀測量得到的PZT-5A壓電陶瓷塊的剪切振動模態(tài)。被測的振動表面是圖4(a)中所示的上表面。由圖4(a)可知，圖中壓電陶瓷上表面一部分相位為正，一部分相位為負，與圖4(a)給出的剪切振動有限元分析結(jié)果較符合。本文選用工作于這種剪切振動的壓電陶瓷塊作為壓電復合材料的振動基元。

圖3 單一基元電導有限元仿真和實測結(jié)果對比Fig.3 Contrast of single-element conductance finite element simulation and measured results

圖4 單一基元的有限元仿真和實測結(jié)果對比Fig.4 Comparison of a single-element finite element simulation and measured results

在這種新型壓電復合材料中，本文擬采用環(huán)氧樹脂以及硬鋁作為過渡層材料。被動相過渡層材料很大程度上決定著剪切振動的傳遞效果，將被動相過渡層研究類比匹配層理論。依據(jù)聲阻抗與密度、聲速的關(guān)系Z=ρc，式中ρ為匹配層的密度(kg/m3)，c為聲波在匹配層中的傳播速度(m/s)[16]，聲阻抗與材料密度成正比。為了減少聲波傳遞過程中的能量損失，即降低聲阻抗，故理論上應該選取密度低的材料作為被動相過渡層材料。材料參數(shù)如表1所示。因此本文選取密度較低，楊氏模量逐步增大的環(huán)氧樹脂、硬鋁兩種常用的材料作為過渡層材料進行仿真分析。

環(huán)氧樹脂作為過渡層材料時，復合材料的仿真電導曲線與其不同諧振頻率處的振動形態(tài)如圖5所示。分別觀察39.8 kHz和114.6 kHz處的振動模態(tài)，由圖5可知，壓電陶瓷剪切形變沿X軸分量會對基元間的環(huán)氧樹脂產(chǎn)生擠壓作用，從而影響整體過渡層的振動傳遞效果。故本文選擇楊氏模量較高，密度較小的硬鋁材料代替過渡層材料進行進一步仿真分析。

表1 不同過渡層材料參數(shù)表Tab.1 The material parameters of different transitional layer

硬鋁過渡層材料的仿真電導曲線與其不同諧振頻率處的振動形態(tài)，如圖6所示。由圖6可知，相比圖5低頻率處的諧振峰得到了加強。我們分別選取27.91 kHz，69.77 kHz，147.51 kHz三處的振動情況進行觀察，可以看出低頻段處的振動形態(tài)較為理想，滿足了將剪切振動轉(zhuǎn)化為被動相平面層的振動。但是也可以看出輻射面上的振動相位并不一致，這會影響聲輻射性能，因此其結(jié)構(gòu)仍需改進。

3 實驗驗證結(jié)果

依據(jù)仿真分析的參數(shù)結(jié)果，通過精密機械加工與粘接的方法制備了最優(yōu)參數(shù)下的實物振子。運用激光多普勒振動分析儀觀察被動相平面層表面的振動情況，驗證仿真分析的有效性以及該結(jié)構(gòu)振子的可行性。為驗證仿真結(jié)果分別選用環(huán)氧樹脂、硬鋁作為過渡層材料制成該復合材料振子，被動相平面層厚度為h1=4 mm，被動相填充層厚度h2=9 mm，被動相過渡層角度為30°。使用精密阻抗分析儀及多普勒激光測振儀測量其電導曲線與復合材料表面振動形態(tài)。

圖5 環(huán)氧樹脂復合材料過渡層仿真結(jié)果Fig.5 The simulation results of epoxy composite transition layer

如圖7(a)所示，選用環(huán)氧樹脂作為復合材料被動相時，在低頻范圍處復合材料表面振動起伏不一致，無法完全將剪切振動轉(zhuǎn)化為厚度振動。這與仿真結(jié)果吻合。觀察圖7(b)選用硬鋁作為復合材料被動相時，在低頻范圍處復合材料表面形成類似于彎張的振動模態(tài)，這是由于在此頻率下剪切振動的壓電陶瓷激勵了硬鋁的彎張振動模態(tài)。

圖6 硬鋁復合材料過渡層仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results of ductile aluminum transition layer

圖7 環(huán)氧樹脂、硬鋁復合材料過渡層實物圖與激光測振對比結(jié)果Fig.7 The actual transition layer and laser vibration test results

4 簡化結(jié)構(gòu)模型

上述研究中發(fā)現(xiàn)該復合材料結(jié)構(gòu)在低頻時表面振動更適合輻射聲波，而被動相過渡層材料是影響工作頻率最主要的因素。其主要原因是壓電陶瓷剪切形變會對基元間的被動相填充層產(chǎn)生擠壓作用，基元間過渡層材料楊氏模量越高，越易在低頻段處產(chǎn)生較高的諧振峰。故我們簡化了復合材料結(jié)構(gòu)，將壓電陶瓷沿X軸直接交替粘接，在接縫處直接粘接梯形輻射面。如圖8(a)所示，陶瓷基元直接粘接相連。通過激光測振儀觀察表面振動模態(tài)，可以看到分別在33 kHz，57 kHz和95 kHz附近出現(xiàn)諧振，其中57 kHz附近振速最大，其振動表面出現(xiàn)典型的剪切振動模態(tài)。圖8(b)所示，將梯形輻射面直接粘接在陶瓷塊接縫處，可以看到粘接輻射面后，振子諧振峰偏移至28 kHz，60 kHz和86 kHz附近。觀察輻射上表面振動情況，輻射面出現(xiàn)整體的起伏，達到了將剪切振動轉(zhuǎn)化為輻射面厚度的振動的目的。

圖8 簡化結(jié)構(gòu)復合材料過渡層實物圖與激光測振結(jié)果Fig.8 The simplified structure of the composite material transition layer and laser vibration measurement results

將簡化結(jié)構(gòu)的復合材料振子依圖9所示制作換能器。由圖9可知，振子厚度為35 mm，振子的輻射面長度為15 mm，每個振子厚度為5 mm，本試驗由三組振子并聯(lián)而成，故換能器的輻射面積為15 mm×5 mm×3。

圖9 簡化結(jié)構(gòu)復合材料換能器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Simplified structure of the composite material transducer

本文研制的換能器在中船重工集團公司長城無線電廠的水池中進行了水下發(fā)射性能測試。結(jié)果如圖10所示。換能器分別在28 kHz，55 kHz和86 kHz處產(chǎn)生120.1 dB，119.1 dB和127.6 dB三個發(fā)射電壓響應的波峰，與圖8(b)激光測振峰值的頻率較為吻合。其中28 kHz與55 kHz處的兩個諧振產(chǎn)生了較強的耦合，在24～60 kHz內(nèi)其發(fā)射電壓響應起伏小于6 dB。而發(fā)射電壓和電流響應曲線在63 kHz附近產(chǎn)生了一個較大的凹陷，無法與86 kHz處的諧振耦合，進一步拓展帶寬。雖然目前換能器的發(fā)射電壓響應較低，但是其發(fā)射電流響應達到174.8 dB，這是因為當前換能器體積過小，壓電陶瓷的阻抗較大造成的。因此換能器需要施加較高電壓才能驅(qū)動。

圖10 換能器水下發(fā)射電壓、電流響應測試結(jié)果Fig.10 The measured emission voltage,current response of transducer

表2給出了本文研制換能器發(fā)射性能與丹麥Reson公司出產(chǎn)的TC2084型高功率寬帶換能器的性能對比。通過對比可知，TC2084型換能器諧振頻率為33 kHz，發(fā)射電壓響應為166 dB，-3 dB指向性開角為20°，根據(jù)活塞輻射的指向性公式可知粗略計算其輻射面半徑為130 mm。若將本文的換能器發(fā)射響應折算成等面積的情況，則發(fā)射電壓響應應該增加38.9 dB，達到159 dB。相應的聲源級在405 V電壓驅(qū)動時將可達到210 dB。再考慮輻射面積增加后所獲得的指向性增益，則發(fā)射響應會進一步提高。

表2 水聲換能器發(fā)射性能對比Tab.2 The comparison of underwater transducer launch performance

5 結(jié) 論

通過巧妙設計被動相過渡層結(jié)構(gòu)，我們將壓電陶瓷的剪切振動形式成果轉(zhuǎn)化為被動相表面的厚度振動。研究發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)在整體厚度為47.7 mm的情況下產(chǎn)生了約28 kHz的諧振，相比于應用d33模態(tài)的壓電復合材料，其頻率常數(shù)較低，可以用較小的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低頻振動。通過有限元分析軟件得出，當使用如硬鋁等楊氏模量較高的材料作為過渡層材料時，剪切振動與厚度振動間的傳遞效果更好。對設計結(jié)構(gòu)進行進一步簡化，將工作于d15模態(tài)的壓電陶瓷沿極化方向交替粘接，在接縫處直接連接被動相過渡輻射層。實驗研究表明簡化結(jié)構(gòu)同樣達到將剪切振動轉(zhuǎn)化為輻射面厚度振動的目的。最后我們將簡化結(jié)構(gòu)制作水下?lián)Q能器，測試結(jié)果表明在輻射面積為15 mm×40 mm時，在24～60 kHz平均發(fā)射電壓響應可以達到120 dB。且可通過繼續(xù)增加振子數(shù)量，增大輻射面積從而有效提高發(fā)射電壓響應及聲源級。該類型換能器的研發(fā)為低頻小尺寸發(fā)射換能器提供了新思路。