一種非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器設(shè)計(jì)

李曉雷，滕 超，涂其捷，周 瑜

（中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

1 引言

水聲換能器作為聲納系統(tǒng)的重要部件，可實(shí)現(xiàn)水下聲能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換。換能器按功能可分為發(fā)射換能器和接收換能器兩種。其中：發(fā)射換能器可把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波發(fā)射出去；接收換能器可把水下聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)供系統(tǒng)處理分析。按工作帶寬，換能器又可分為寬帶換能器和窄帶換能器。寬帶換能器由于傳輸信號(hào)的高保真性、完整性以及多樣性，一直是國內(nèi)外研究者重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

換能器拓展帶寬的方法主要有以下幾種：一是通過多模耦合方法實(shí)現(xiàn)，如多模諧振技術(shù)、匹配層技術(shù)和縱彎復(fù)合技術(shù)等；二是利用新型的材料技術(shù)，通過降低材料元件的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)拓展帶寬，如1-3 型壓電復(fù)合材料［1］；三是應(yīng)用非諧振頻段工作技術(shù)，即把換能器的諧振頻率設(shè)計(jì)得遠(yuǎn)大于工作頻段的上限值。

某種水下聲探測(cè)設(shè)備要求換能器的接收靈敏度≥-195 dB（60～100kHz），且?guī)?nèi)起伏≤4 dB。針對(duì)這一需求，本文將1-3 型壓電復(fù)合材料拓展帶寬技術(shù)和非諧振頻段工作技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器，并進(jìn)行了仿真分析和換能器的制備與測(cè)試。

2 換能器仿真設(shè)計(jì)

非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器主要包括電纜、金屬殼體、1-3 型壓電復(fù)合材料敏感單元、吸聲泡沫以及防水透聲層，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.1 1-3 型壓電復(fù)合材料敏感單元結(jié)構(gòu)

非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器的敏感單元由基于1-3 型結(jié)構(gòu)的壓電復(fù)合材料組成，結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括壓電相、聚合物相和上（下）電極。圖2 中，方柱部分為壓電相（本文選用壓電陶瓷），僅在Z 方向上連通；壓電柱周圍填充的是聚合物相，在X、Y、Z 這3 個(gè)方向上均連通。1-3 型壓電復(fù)合材料在垂直于極化方向上，壓電柱與聚合物屬于串聯(lián)關(guān)系，可減小復(fù)合材料的橫向耦合，大幅提高了復(fù)合材料的等靜壓下的壓電常數(shù)，從而提高了換能器的接收靈敏度。同時(shí)，聚合物的低密度和低聲速等材料特性，降低了壓電復(fù)合材料特性阻抗和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，使其具有容易與水特性阻抗匹配的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 換能器仿真設(shè)計(jì)

采用有限元數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)如圖1 所示的非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器進(jìn)行仿真分析，包括模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。根據(jù)換能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立等效四分之一對(duì)稱模型，設(shè)置邊界條件和邊界載荷。同時(shí)，為了減小計(jì)算量，忽略對(duì)換能器性能影響較小的電纜、吸聲泡沫、金屬殼體和防水透聲層等結(jié)構(gòu)。添加四分之一水域結(jié)構(gòu)并劃分網(wǎng)格，如圖3 所示。

2.2.1 模態(tài)分析

首先進(jìn)行模態(tài)分析，通過調(diào)整1-3 型壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)（主要是厚度），使其諧振頻率遠(yuǎn)大于工作頻帶60～100 kHz 的上限，最終確定壓電復(fù)合材料長(zhǎng)115 mm、寬22 mm、厚7.3 mm，對(duì)應(yīng)的一階縱振模態(tài)如圖4 所示，頻率為204.25 kHz。

2.2.2 諧響應(yīng)分析

通過進(jìn)行諧響應(yīng)分析，計(jì)算非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器在遠(yuǎn)離諧振頻率204.25 kHz 的工作頻段60～100 kHz 范圍內(nèi)的接收靈敏度，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，在60～100 kHz 頻率范圍內(nèi)，換能器的接收靈敏度≥-191 dB，且?guī)?nèi)起伏≤2 dB。

3 換能器制作與測(cè)試

3.1 換能器制作

根據(jù)仿真優(yōu)化計(jì)算確定的結(jié)構(gòu)尺寸，制作相應(yīng)的換能器樣機(jī)。首先制備1-3 型壓電復(fù)合材料，制作過程包括切割、灌注、固化、研磨及制備電極，實(shí)物如圖6 所示。

把制備好的1-3 型壓電復(fù)合材料裝進(jìn)支撐結(jié)構(gòu)，并用防水透聲橡膠密封，制作成的換能器樣機(jī)如圖7 所示。

3.2 換能器測(cè)試

非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器的空氣中性能主要利用E4990A 精密阻抗分析儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量頻率范圍50～300 kHz。圖8 是非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器在空氣中導(dǎo)納曲線圖。由圖8可知，非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器在空氣中的諧振頻率為206 kHz，與模態(tài)分析計(jì)算出的一階縱振頻率204.25 kHz 幾乎一致，對(duì)應(yīng)的最大電導(dǎo)值為20.3 mS。

圖9 是非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器在空氣中的阻抗曲線圖。由圖9 可知，非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器在空氣中的反諧振頻率為246 kHz，電阻峰值為5.3 kΩ。

由圖8 和圖9 可知，非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器在工作頻帶60～100 kHz 內(nèi)，空氣中導(dǎo)納和阻抗曲線平滑，無較大起伏。

利用水聲自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在消聲水池測(cè)量非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器的接收靈敏度。水池尺寸5 m×2 m×2 m，測(cè)量結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可知，在工作頻帶60～100 kHz 內(nèi)，換能器的接收靈敏度≥-192 dB，且?guī)?nèi)起伏≤3 dB。

3.3 仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比分析

把非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器接收靈敏度的仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可知，換能器接收靈敏度的實(shí)測(cè)值與仿真值基本相符，曲線趨勢(shì)一致，各頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)值相差小于1.5 dB，說明有限元仿真計(jì)算可為換能器制作提供前期設(shè)計(jì)支撐。

4 結(jié)語

本文利用有限元數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)基于1-3型壓電復(fù)合材料的非諧振寬帶換能器進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，并在仿真優(yōu)化計(jì)算的基礎(chǔ)上制作了非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器樣機(jī)。利用E4990A 精密阻抗分析儀測(cè)試換能器空氣中的導(dǎo)納和阻抗，測(cè)試結(jié)果與模態(tài)分析仿真計(jì)算中的一階縱振頻率基本一致。此外，利用水下聲學(xué)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在消聲水池中測(cè)量換能器的接收靈敏度，并與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示兩條曲線基本吻合。由測(cè)量結(jié)果可知，采用1-3 型壓電復(fù)合材料降低機(jī)械品質(zhì)因數(shù)與工作頻段上限遠(yuǎn)離一階縱振頻率相結(jié)合的方法，可實(shí)現(xiàn)換能器工作頻段內(nèi)的寬帶接收。因此，這種基于1-3 型壓電復(fù)合材料的非諧振寬帶換能器可作為水下探測(cè)、識(shí)別和成像設(shè)備上接收陣列的陣元組成部分。