王宏偉， 趙吉航

(1.北京信息科技大學 理學院， 北京 100192； 2.北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院， 北京 100192)

水聲換能器按工作頻率可分為低頻(低于2 kHz)、中頻(2～100 kHz)和高頻換能器(高于100 kHz)。近年來對水聲換能器的研究主要集中在增大發(fā)射功率、拓展工作帶寬、提高指向性或增大波束開角、提高發(fā)射電壓響應和接收靈敏度及減小換能器體積與重量等方面。中高頻換能器由于尺寸、重量小，分辨率高，定位準確等優(yōu)勢主要應用于三維成像聲吶、魚探儀、海流剖面儀等精細成像和小目標探測以及無人航行器等領域。圓柱狀水聲換能器可將波束開角增大到360°，極大地擴展了換能器的探測范圍，成為大開角換能器的不二選擇；而為了發(fā)射和接收更多頻率的信號，拓展換能器帶寬一直是研究的熱點。目前拓展換能器頻帶寬度的方式主要有以下3種[1-2]：1)使用復合材料降低換能器件的Qm(機械品質因數(shù))值。壓電復合材料是由壓電相(如PZT)和聚合物相構成的，國內(nèi)外研究學者在壓電復合材料理論和工藝方面進行了廣泛而深入的研究，總結出壓電復合材料具有厚度機電耦合系數(shù)高、帶寬大、振動模態(tài)純凈、聲阻抗小等優(yōu)點[3-8]，此外根據(jù)添加的聚合物不同，壓電復合材料柔性可控，易于加工成曲面，從而實現(xiàn)寬波束發(fā)射?？傊捎脡弘姀秃喜牧献鳛橛性床牧峡梢酝貙挀Q能器的帶寬。2)多模態(tài)耦合技術。該技術是換能器展寬帶寬的常用方法[9]。多模耦合方式有多種，如縱振換能器中的縱彎耦合技術[10]、復合結構[11]、單端激勵[12-13]、多質量-彈簧振動系統(tǒng)[14-15]等，合理設計換能器元件的結構參數(shù)，使其產(chǎn)生2種或2種以上的振動模態(tài)并發(fā)生耦合，可以有效地達到拓展帶寬的目的。3)添加匹配層[14-16]。該技術也可歸屬于多模耦合理論，一般采用厚度為1/4波長的匹配層。添加匹配層的主要作用包括3方面：1)阻抗匹配；2)使振動系統(tǒng)產(chǎn)生多諧振動達到拓寬工作頻帶的目的；3)使頻帶內(nèi)發(fā)送電壓響應平坦化。在實際制作過程中當換能器匹配層材料的聲阻抗率不能做到理論要求值時，可以采用適當改變匹配層厚度的方法達到目標[17]。總之，要拓寬換能器的帶寬單靠一種技術很難達到預期效果，通常是將2種或2種以上技術并用。本文在研制壓電復合材料曲面成環(huán)工藝，保證換能器水平全向發(fā)射聲波的基礎上，綜合上述的3種拓展換能器頻帶的方式，最大限度地拓寬換能器帶寬。通過ANSYS有限元仿真軟件對敏感元件建模仿真，特殊工藝實現(xiàn)敏感元件疊堆，最終設計制作了帶匹配層的復合材料多圓管同軸堆疊換能器。

1 換能器敏感元件結構

換能器敏感元件是影響換能器諧振頻率和帶寬的重要因素，帶匹配層的多復合材料圓管同軸堆疊寬帶換能器敏感元件，由3個不同厚度的復合材料曲面成環(huán)堆疊后添加匹配層形成。換能器敏感元件的工藝流程如圖 1所示，包括：在不同厚度的壓電陶瓷正面分別沿著x方向和y方向進行切割；正面灌注柔性硅膠固化成型；反面對縫切割壓電陶瓷，設計模具彎曲成型，反灌注環(huán)氧樹脂并固化脫膜成型，制備電極和添加匹配層等。

圖1 換能器敏感元件工藝流程Fig.1 Process flow chart of transducer sensitive element

課題組實驗研究表明[18]，圓環(huán)諧振頻率和帶寬隨著圓環(huán)的壁厚和圓環(huán)高度的增加而降低。制作敏感元件的壓電復合材料是三相壓電復合材料，根據(jù)已有理論知識[19]，當研制的換能器作為收發(fā)共用型換能器時，壓電陶瓷相在復合材料中的體積比應該控制在0.3～0.5，當要求換能器有更大的聲波發(fā)射能力時，壓電陶瓷相在復合材料中的體積比應該為0.3～0.8。對于聚合物相，考慮到壓電陶瓷的機電耦合系數(shù)、圓環(huán)曲面成型和固化后環(huán)氧的支撐力等因素的影響，硅橡膠和環(huán)氧樹脂的比例控制在1∶3附近較為合適。利用ANSYS有限元分析軟件對壓電復合材料圓環(huán)仿真計算，本文選取的壓電陶瓷厚度分別為3.5、4和4.5 mm，曲面成環(huán)后每個圓環(huán)外徑相同均為20 mm，內(nèi)徑不同分別為16.5、16和15.5 mm。圖 2所示為壓電復合材料單圓環(huán)結構示意圖，壓電復合材料和聚合物間隔排列組成復合材料圓環(huán)，每個圓環(huán)由60個單元組成，每個單元包含6個壓電陶瓷小柱，每個環(huán)高均為11.55 mm。

圖2 壓電復合材料單圓環(huán)結構Fig.2 Piezoelectric composite single ring structure diagram

為了進一步達到拓展帶寬的目的，本文依據(jù)匹配全透射理論在疊堆壓電復合材料外圍添加了匹配層，使疊堆圓環(huán)和匹配層產(chǎn)生多模振動。其結構如圖 3所示。

圖3 帶匹配層的疊堆敏感元件Fig.3 Stacked sensor with matching layer

2 有限元分析

設計的帶匹配層的多復合材料圓管同軸堆疊寬帶換能器在結構上具有明顯的對稱性，因此為了減少計算量，在使用ANSYS軟件進行仿真時采取對周期單元施加對稱邊界條件。如圖 4所示為近似簡化得到的疊堆圓環(huán)單元仿真模型。其中，PZT-5A小柱寬度為1.55 mm，每層厚度分別為3.5、4和4.5 mm。每2個陶瓷小柱之間的寬度為0.45 mm，并向其中填充聚合物環(huán)氧樹脂和硅橡膠，硅橡膠的厚度為1.2 mm，環(huán)氧樹脂厚度分別為2.3、2.8和3.3 mm。不同厚度的敏感元件圓環(huán)之間的硅膠墊圈高度為1 mm。

劃分網(wǎng)格后，在敏感元件外徑表面加載0 V電壓，內(nèi)徑表面加載1 V電壓并進行點耦合。計算完成后通過ANSYS有限元軟件后處理得到仿真導納曲線如圖 5所示，其中圖5(a)為不同厚度的單元仿真結果，圖5(b)為三環(huán)疊堆單元仿真結果。

圖4 三環(huán)疊堆模型與單元仿真模型Fig.4 Three-ring stack model and unit simulation model diagram

圖5 仿真電導曲線Fig.5 Simulated conductivity curve

從仿真結果可以看出，疊堆敏感元件的電導曲線產(chǎn)生了3個諧振峰分別為F1=328.570 kHz、F2=364.290 kHz和F3=394.430 kHz，對比單圓環(huán)單元仿真結果發(fā)現(xiàn)，疊堆圓環(huán)產(chǎn)生的諧振峰頻率比相應的單環(huán)降低了1～3 kHz，這是因為不同厚度的敏感元件中間加入了硅橡膠墊圈造成質量增加所致。仿真結果表明通過疊堆厚度不同的壓電復合材料可以實現(xiàn)多模耦合振動，達到拓展換能器帶寬的目的。

3 敏感元件制作

3.1 敏感元件制作過程

根據(jù)仿真結果，選取厚度為3.5、4和4.5 mm的壓電陶瓷，利用MACROACE II 切割機對壓電陶瓷進行切割。首先沿著x方向進行切割，陶瓷小柱縫寬設定為0.45 mm，柱寬為1.55 mm,切割深度約為1.2 mm，切割機步進設為2 mm；在y方向上的切割方法類似。切割之后得到3種不同厚度帶基底的周期性壓電陶瓷小柱陣列，如圖 6所示。

圖6 不同厚度帶基底的周期性壓電陶瓷小柱陣列Fig.6 Periodic piezoelectric ceramic post arrays with substrates of different thickness

向帶基底的周期性壓電陶瓷小柱陣列縫隙中填充704硅橡膠，待24 h室溫固化之后將樣品反向對縫切割，切割深度控制在剛好切透陶瓷觸碰到底面的硅橡膠(不同厚度的壓電陶瓷切割深度不同，如3.5 mm厚的壓電陶瓷切割深度為2.3 mm)。由于填充的硅橡膠較為柔軟，切割完的樣品陣列可繞不同尺寸的圓柱模具圍成3個外徑相同、內(nèi)徑不同的圓環(huán)。用實驗膠帶將壓電陶瓷小柱圍繞，并將配置好的環(huán)氧樹脂灌注到陶瓷小柱的縫隙中。然后將樣品放置在溫度為35 ℃的真空干燥箱中12 h等待曲面固化成型并脫膜，得到如圖 7所示的壓電復合材料單圓環(huán)樣品。

圖7 單圓環(huán)壓電復合材料Fig.7 Single ring piezoelectric composite

電極制備工藝是在復合材料單圓環(huán)的內(nèi)外表面均勻地鍍一層銀漿薄膜，將涂好銀漿的復合材料圓環(huán)用熱風槍烘吹15～20 min，直至銀漿完全固化、粘附在復合材料圓環(huán)表面，得到如圖 8(a)所示的單圓環(huán)敏感元件，并引出電極線如圖 8(b)所示。

圖8 壓電復合材料單圓環(huán)敏感元件Fig.8 Piezoelectric composite single-ring sensitive element

將電極引線從硬質泡沫背襯預留的走線槽和走線孔中引出(背襯起到對敏感元件圓環(huán)支撐的作用)，并在不同壁厚的圓環(huán)之間添加硅膠墊圈，得到如圖 9所示的疊堆敏感元件。

圖9 三環(huán)疊堆敏感元件Fig.9 Three-ring stacked sensor

3.2 敏感元件性能測試

通過以上復合材料的加工制作，得到了外徑均為20 mm，高度均為11.55 mm，壁厚分別為3.5、4和4.5 mm的疊堆圓環(huán)敏感元件。利用Agilent429A精密阻抗分析儀分別對單圓環(huán)敏感元件和疊堆敏感元件進行測試，得到如圖 10所示的電導曲線。

由圖10(b)看出,疊堆后的敏感元件電導曲線上出現(xiàn)了3個諧振峰，對應的頻率分別為329.460、359.519和381.563 kHz；圖 10(a)疊堆前單個壓電復合材料圓環(huán)的諧振頻率分別為387.575、359.519和330.461 kHz。通過對比發(fā)現(xiàn)疊堆后敏感元件的諧振頻率相對于單圓環(huán)敏感元件諧振頻率降低了1～6 kHz。將圖10測試結果與圖 5仿真結果對比，仿真結果與測試結果基本吻合。由于水中的損耗大于空氣中的損耗，3個諧振模態(tài)會在水中形成耦合，使換能器在水中帶寬拓展。

圖10 實測敏感元件電導曲線Fig.10 Measured conductivity curve of sensitive components

4 換能器制備與性能檢測

4.1 匹配層制作

匹配層設計的理論依據(jù)是1/4波長的奇數(shù)倍的匹配全透射理論[20]，即：

根據(jù)該理論，設計了環(huán)氧添加鎢粉的匹配層，聲阻抗為5.4 MRayls。

根據(jù)圖 10(b)結果顯示疊堆敏感元件的中心頻率大概為300～400 kHz，因此設計的換能器在工作頻率范圍內(nèi)振動時，超聲波的頻率也在300～400 kHz。聲波在環(huán)氧樹脂中的傳播速度約為2 540 m/s，因此超聲波在材料中的波長約為8 mm，1/4波長的厚度約為2 mm，可得匹配層的厚度設計為2 mm。

通過Agilent429A精密阻抗分析儀對添加匹配層的疊堆敏感元件進行測試，其導納曲線如圖 11所示。由圖 11可以看出添加匹配層后疊堆敏感元件的諧振頻率為387.575 kHz，與圖10(b)對比發(fā)現(xiàn)諧振模態(tài)實現(xiàn)了耦合且諧振頻率有所提高，達到了設計目的。

圖11 添加匹配層后疊堆敏感元件電導曲線Fig.11 Conductivity curve after adding matching layer

4.2 換能器裝配

將圓形金屬蓋板(金屬蓋板半徑與敏感元件外徑相同)與疊堆圓環(huán)敏感元件上的背襯用硅橡膠進行無縫粘連，并將電極引線從金屬蓋板預留的導線孔中引出，然后用硅橡膠將導線孔密封完成敏感元件的固定。

根據(jù)疊堆敏感元件的高度、直徑以及防水聚氨酯層的厚度設計相應的灌封模具，把裝配完成的敏感元件放入灌封模具中，如圖 12所示。將配置好的聚氨酯液沿著灌膠口緩緩地倒入，觀察無氣泡后將模具置于保溫干燥箱中12 h固化后脫模，得到如圖 13所示的帶匹配層的多復合材料圓管同軸堆疊寬帶換能器。

4.3 換能器性能測試

首先對換能器在水中的導納進行測試，測試結果如圖14所示。接著在消聲水池中利用水聲測量系統(tǒng)對水聲換能器的發(fā)送電壓響應、工作帶寬、發(fā)射聲源級、發(fā)射指向性和接收電壓靈敏度等指標進行測量。水聲測量系統(tǒng)主要包括信號發(fā)生器、功率放大器、放大濾波器、示波器、標準水聽器和運動控制器等設備。該系統(tǒng)如圖15所示。

圖12 換能器灌膠模具Fig.12 Transducer potting mold

圖13 帶匹配層的多復合材料圓管同軸堆疊寬帶換能器Fig.13 Multi-composite round tube coaxial stacked broadband transducer with matching layer

圖14 換能器水中電導曲線Fig.14 Conductance curve of transducer in water

經(jīng)測試，換能器的發(fā)送電壓響應如圖16所示，接收電壓靈敏度如圖17所示，聲源級曲線如圖 18所示，歸一化指向性曲線如圖 19所示。

根據(jù)測試結果分析，帶匹配層的復合材料圓管同軸堆疊換能器諧振頻率為380 kHz，發(fā)送電壓響應最大為163.4 dB，-3 dB頻帶范圍為330～430 kHz，帶寬達100 kHz，在帶寬工作范圍內(nèi)發(fā)送電壓響應均大于160 dB。換能器的最大接收靈敏度為-204.5 dB，在工作帶寬范圍內(nèi)聲源級大于195 dB，當頻率為220 kHz時聲源級達到最大值201.7 dB。

圖16 發(fā)送電壓響應Fig.16 Send voltage response

圖17 接收電壓靈敏度Fig.17 Receive voltage sensitivity

圖18 聲源級曲線Fig.18 Sound source level curve

測試指向性時測試頻率點設為380 kHz(即換能器諧振頻率處)，將換能器固定在運動控制轉臺上，以2°為步進，通過改變運動控制器轉動角度實現(xiàn)換能器360°旋轉，利用示波器讀取標準水聽器的接收電壓；最后將接收電壓轉換成分貝，并繪制成如圖 17所示的指向性圖形。圖17中，沿著逆時針方向從330°至120°波形曲線向圓心靠攏，這明顯是由外電極面焊點所導致，此外曲面成環(huán)時系統(tǒng)誤差、聚合物粘接均勻性等也可能導致這一結果，但在下降-6 dB內(nèi)，換能器可以實現(xiàn)輻射聲波的360°全覆蓋，換能器在水平方向上實現(xiàn)全向發(fā)射。

圖19 換能器指向性Fig.19 Transducer directivity diagram

5 結論

1)通過對壓電陶瓷切割、填充聚合物、壓電復合材料曲面成型、堆疊不同壁厚的三個圓環(huán)、匹配層設計、換能器封裝等一系列工藝，制備出帶匹配層的多復合材料圓管同軸堆疊寬帶換能器敏感元件;

2)測試結果表明，該換能器大幅度拓展了帶寬，同時在水平方向上實現(xiàn)了全向發(fā)射;

3)與現(xiàn)行壓電陶瓷圓柱換能器(發(fā)送電壓響應約140 dB，帶寬約3～5 kHz)相比，發(fā)送電壓響應提高22.4 dB，帶寬擴展30倍。