堆叠压电复合材料圆环换能器研究

王宏伟， 王丽坤， 秦雷， 李超， 张浩

(北京信息科技大学 理学院 传感技术研究中心，北京 100192)

堆叠压电复合材料圆环换能器研究

王宏伟， 王丽坤， 秦雷， 李超， 张浩

(北京信息科技大学 理学院 传感技术研究中心，北京 100192)

针对目前换能器亟待扩展带宽的问题，本文通过将两个不同共振频率的圆环进行轴向堆叠产生双模态耦合的方式研制了一种宽带压电复合材料圆环水声换能器的敏感元件。该换能器敏感元件由两个压电复合材料圆环进行轴向堆叠，从而实现厚度方向的双模耦合振动。通过径向切割压电陶瓷圆环、灌注柔性聚合物(如环氧树脂、聚氨酯等)、样品打磨、被覆电极等一系列工艺制备出压电复合材料圆环。再将制备出的相同外径、不同壁厚的压电复合材料圆环进行轴向叠堆，制备出叠堆压电复合材料敏感元件。用制备出的敏感元件通过灌注防水透声层、封装得到的换能器进行水下性能测试。测试结果显示：该换能器谐振频率为410 kHz，-3 dB带宽达60 kHz。实现了换能器宽带发射声波的目标。

换能器；压电复合材料；圆环阵；轴向堆叠；宽带；高频

声波是唯一能在水下存在的信号传播形式，水声换能器是一切水下信号发射、接收的最关键的前端设备，是水下“电台”，它的性能好坏直接影响用它进行水下通信、目标探测、识别、成像等技术的水平。

带宽是衡量水声换能器的一个重要的性能指标。无论是发射信号，还是接收信号，换能器本身具有的宽频带都会给声呐系统整体性能的提高奠定一个好的基础。宽带对单个水声换能器的好处就不用说了。由多个换能器单元组成的换能器阵，对于发射换能器来说，宽带可以通过阵元相干提高发射距离和指向性；而对于接收换能器来说，宽带可以使分辨率进一步提高。所以世界各国的水声换能器研究单位都以各种方式竞相拓宽换能器的带宽[1-4]。

目前研究人员以各种手段拓展换能器的带宽，但归纳起来主要有三种[1-4]：1)复合材料[5-7]，即通过在压电材料中将添加柔性材料，增大损耗，降低换能元件的机械品质因数(Qm)值，从而扩展带宽；2)多振动模态耦合[8-18]；设法使换能器的振动结构产生多种振动模式，这些振动模式的共振频率接近到适当位置从而产生耦合，继而展开带宽，如弯张换能器、复合棒换能器、单端激励等。3)添加匹配层[19-21]。添加匹配层有两个作用，一是降低换能器的辐射或接收面的声阻抗，另一方面是和压电体构成多模振动，形成耦合，展宽带宽。通过恰当配比压电复合材料的压电相和柔性材料的体积比，可以使复合材料既保留了压电相材料的强压电性，同时克服了单压电相材料大的机械品质因数，利用其制作的换能器具有较高效机电耦合系数。如果同时采用复合材料和多模耦合两种展宽带宽的方法，不失为可取之路。

1 轴向堆叠压电复合材料圆环结构

如图1所示，将壁厚分别为4.0 mm和3.5 mm的两个压电复合材料圆环进行轴向堆叠，在两环之间安置一个厚度为1.0 mm的橡胶垫，橡胶垫起到柔性粘接和隔离作用。利用ANSYS软件对该模型在空气中进行谐响应分析，得到其电导曲线如图2所示[22]。

图1 串叠压电复合材料敏感元件结构Fig.1 The structure of the cascade piezoelectric composite material sensitive element

图2 串叠压电复合材料敏感元件电导图Fig.2 The conductance map of the cascade piezoelectric composite material sensitive element

由图2看出，堆叠后的双环在364 kHz和405 kHz附近产生了两个谐振峰，而复合材料单管的谐振频率分别为172 kHz和414 kHz，堆叠后谐振频率普遍降低大约2%左右。图2所示的两环还未达到完全耦合，但考虑在水中，由于声辐射负荷加大，这时在空气中未完全耦合的双环就可能在水中完全耦合。因此合理控制两单环的频率差，可以通过它们耦合得到拓宽带宽的作用。

2 压电复合材料圆环制备工艺研究

2.1 压电复合材料(2-2型)圆环阵结构

压电复合材料圆环结构如图3所示，它由压电陶瓷和硬性环氧树脂组成。通过精密切割机沿压电陶瓷圆环径向进行切割，制备出陶瓷骨架。配制环氧树脂，在阵列的切槽中浇注环氧树脂，固化后即可制得2-2型压电复合材料圆环。

图3 压电复合材料圆环结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the ring structure of piezoelectric composite material

在该压电复合材料中，压电陶瓷圆环高度为3 mm，外径均为25 mm，而内径不等(即径向厚度不等)，其被分为24个周期性单元，每个周期性单元的圆心角为15°。一个周期性单元中包括陶瓷相(PZT)和聚合物相(聚氨酯、环氧树脂、硅橡胶等)，其中压电陶瓷相和聚合物相体积比约为3∶1，即压电陶瓷相约占整体体积的75%，聚合物相约占整体体积的25%。

2.2 复合材料中各相材料的选取

2.2.1 压电陶瓷的选取

PZT压电陶瓷主要有以下系列：PZT-4、PZT-5A、PZT-5H、PZT-8等，PZT-4和PZT-8相对介电常数较小，能够快速的充放电，适合作为高频换能器制作材料，而PZT-5介电常数较大，充放电速度慢，适合作为中低频换能器制作材料。此外，PZT-4还具有较高的机电耦合系数和压电应变系数，用作换能器材料一般能做到收发兼顾，因此选取PZT-4作为换能器敏感元件制作材料。

2.2.2 聚合物的选取

压电复合材料中的聚合物相材料常选用环氧树脂，我们选用型号为WSR618的环氧树脂作为复合材料圆环聚合物相材料。其配置过程如下：

1)称取一定质量的环氧树脂材料；

2)在通风橱中用胶头滴管向环氧树脂中加入质量为环氧树脂1/10的固化剂(本文选用乙二胺)，此步骤主要是让环氧与固化剂在一定温度下发生交联固化反应，生成体形网状结构的高聚物；

3)继续环氧树脂中加入质量为环氧树脂的1/10的增韧剂(本文选用邻苯二甲酸二丁酯)，增韧剂的加入主要是为了提高环氧树脂的韧性。

4)用玻璃棒将上述混合溶液充分搅拌均匀，将混合液放入真空箱内抽真空20～30 min，直至混合液中气泡完全排出，至此环氧树脂配制完成。

2.3 压电复合材料(2-2型)圆环制备工艺流程

如图4为2-2型压电复合材料圆环制备工艺流程图。图4中，复合材料圆环结构设计和陶瓷圆环的切割为整个工艺流程的关键步骤。复合材料圆环是叠堆敏感元件的组成部件，其性能的好坏直接关系到敏感元件的整体性能，所以在制作复合材料圆环过程中要综合考虑其结构参数和切割工艺。

图4 压电复合材料圆环制备工艺流程Fig.4 Preparation process flow of piezoelectric composite material ring

2.3.1 压电陶瓷圆环的切割

使用的压电陶瓷切割机为英国Loadpoint Limited公司生产的MicroACE精密切割机，能够根据设定的参数自动切割压电陶瓷，其精度可达到0.001 mm。

对于普通的平面陶瓷切割，可以设定切割机的数控程序，选取合适的步径进行自动切割。但是对于陶瓷圆环，由于其每一步的切割都需要旋转一定的角度，而固定在石墨板上的陶瓷圆环的轴心与切割机转盘轴心一般不会精确重合，若设定程序使切割机进行自动切割则难以保证切割精度，所以切割陶瓷圆环时并不适合设置步径进行自动切割。在实际切割陶瓷圆环操作中，具体步骤如下所示：

1)在进行第一刀切割时需找到陶瓷圆环的圆心，使刀片切割时经过圆环圆心以完成径向切割。

2)第一刀切割完毕后，将切割机转盘旋转一定的角度(15°)，再次定位圆环圆心进行第二次切割，这样就能使刀片切割时沿着直径方向，保证了切割的精度和陶瓷骨架结构的均匀性。

3)继续重复以上过程，直到完成整个陶瓷圆环的切割。

通过以上切割方法，即可得到结构均匀的陶瓷骨架，如图5所示。

图5 切割后的压电陶瓷圆环Fig.5 The piezoelectric ceramic ring after cutting

2.3.2 配制、浇注、固化环氧树脂

环氧树脂配制、浇注和固化步骤如下：

1)将切割完的陶瓷骨架进行清洗，用脱脂棉沾取适量无水乙醇将陶瓷骨架轻轻擦拭干净，然后放在洁净、干燥通风处晾干。

2)将陶瓷骨架四周缠上胶带，防止环氧树脂流出，以形成浇注模具。选取环氧树脂WSR618作为浇注材料，其中树脂的弹性模量大于0.3 GPa，软化温度大于100℃。配制环氧树脂，将配制好的环氧树脂缓慢地浇注到压电陶瓷骨架中，待其填充均匀后放入真空保温箱抽真空10～20 min(保证填充在陶瓷骨架中的环氧无气泡)，最后放入保温箱，温度设为35℃，固化12 h即可。

3)待环氧树脂完全固化后，用手术刀片将其表面打磨干净，尤其是在需要镀电极的复合材料圆环表面，不能有残留的环氧树脂，防止残留环氧影响其导电性。

2.3.3 复合材料的电极制备

将打磨好的的压电复合材料圆环用酒精擦拭干净，晾干后在其内、外环面均匀地涂覆一层纯度为99.99%的银浆薄层，将涂好银浆的复合材料圆环放入保温箱中进行低温烧银，温度设定为80℃，保温4 h以上，直至银浆完全固化、粘附在复合材料圆环表面。

3 叠堆压电复合材料圆环制作与性能测试

将内径不同外径相同的两个圆环轴向堆叠，轴心插入支架，将硬质泡沫圆环穿过换能器支架并套在其上，再在敏感元件上方叠加一个硬质泡沫圆环，上端盖旋入支架，使泡沫圆环、敏感元件、上端盖形成层叠结构，完成敏感元件的固定，用聚氨酯浇注封装后得到换能器，如图6所示。

图6 水声换能器Fig.6 Underwater acoustic transducer

我们对制作的堆叠敏感元件导纳和阻抗进行测试，得到其导纳曲线(G-B曲线)和阻抗特性曲线(R-X曲线)如图7、8所示。

测试结构得到，叠堆后的敏感元件电导曲线有两个谐振峰，其所对应的频率为380 kHz和410 kHz，与堆叠前两个单环的谐振频率(382 kHz和415 kHz)相比，差别很小，可以忽略。

图7 叠堆圆环导纳曲线Fig.7 Admittance curves of stacked ring

4 换能器发射电压响应测试

将制作得到的换能器放入声学测试水池中，利用水声测量系统测试换能器的发射电压响应，测得的换能器发射电压响应曲线如图9所示。

图8 叠堆圆环阻抗曲线Fig.8 Impedance curve of stacked ring

图9 发射电压响应曲线Fig.9 Response curves of transmitting voltage

由图9可看出，换能器谐振频率为410 kHz，发射电压响应最大为150 dB，-3 dB带宽达60 kHz，相比传统复合材料换能器，其带宽得到了明显地拓展。

5 结论

介绍了压电复合材料圆环及叠堆敏感元件的制备工艺，并实际制备了2种壁厚不等的压电复合材料陶瓷圆环和一个壁厚差为0.5 mm的叠堆敏感元件。利用Agilent4294A精密阻抗分析仪对制得的叠堆敏感元件进行测试，得到其导纳曲线和阻抗特性曲线。

通过将两个压电复合材料圆环进行堆叠，产生了两种模态的振动耦合，在分析问题过程中，完全可以对各个单环进行单独分析，调整单环的结构尺寸，可以调整其谐振频率，之后再将设计好的单环进行堆叠，堆叠后的振动情况基本可以由堆叠前各单环的谐振频率得到。在本试验中，堆叠前两个单环的振动频率分别为382 kHz和415 kHz，堆叠后的两个谐振峰分别为380 kHz和410 kHz。它们相比，误差小于0.01。

对加工得到的水声换能器进行水中测试，换能器发射电压响应最大值为150 dB，对应频率为410 kHz，-3 dB带宽达60 kHz，相比传统复合材料换能器，其带宽得到了明显地拓展。

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Research on the stacked piezoelectric composites ring transducer

WANG Hongwei, WANG Likun, QIN Lei, LI Chao, ZHANG Hao

(Sensing Technology Research Center, School of Science, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

In view of the problem that the current transducer needs to expand the bandwidth, in this paper, a kind of transducer made of wide band piezoelectric composite material was developed, by axial stacking of two circular rings with different resonance frequencies, the double mode coupling is generated. The transducer sensing element was axially stacked by two piezoelectric composite rings, so as to realize the dual mode coupling vibration in the thickness direction. By a series of workmanship such as cutting piezoelectric ceramic ring, filling in flexible polymer (epoxy resin, polyurethane, etc.), grinding sample, coating electrode, etc., the piezoelectric composite ring was made. Later, rings with the same outer diameter and different thicknesses were stacked together along the axial direction for fabricating sensitive elements made of stacked piezoelectric composites. The transducer was processed by filling in with a waterproof sound transparent layer and sealing for forming a transducer. The transducer was tested for its underwater performances. The experimental results show that the resonant frequency of the transducer is 410 kHz, the bandwidth of -3 dB is 60 kHz, and the target of broadband transmission for sound waves is realized.

transducer; piezoelectric composites; circular array; axial stacking; broadband; high frequency

2016-01-20.

日期：2017-01-11.

国家自然科学基金项目(614710470).

王宏伟(1967-), 男,教授,博士.

王宏伟，E-mail: drhwh@bistu.edu.cn.

10.11990/jheu.201601072

TB156.1

A

1006-7043(2017)03-0484-05

王宏伟， 王丽坤， 秦雷，等.堆叠压电复合材料圆环换能器研究[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2017, 38(3):484-488.

WANG Hongwei, WANG Likun, QIN Lei，et al.Research on the stacked piezoelectric composites ring transducer[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2017, 38(3):484-488.

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170111.1509.030.html