金字塔型宽带平面水声换能器的研制*

荣 畋，王宏伟，于肇贤，惠 辉

(北京信息科技大学理学院，北京 100192)

迄今为止，声波是唯一可以在水下远距离传播信号的能量载体，海洋军事、科研以及资源开发都离不开水声技术[1]，而“海洋之耳目”—水声换能器在水声通讯技术中起着至关重要的作用。随着水声通信技术的迅猛发展，需要获得更多、更精确的信息，如高数据速率水下通信、高分辨率图像传输等，这就要求换能器在高频状态下发射、接收更多的信息，也即需要一个换能器在高频段覆盖更宽的工作区域。因此高频宽带换能器在军事、科研以及民用领域展现出越来越重要的作用。然而换能器谐振模态下频率和尺寸近似反比的关系，使得高频状态下，制作宽带发射换能器具有一定的难度[2]。目前拓展换能器频带宽度的方式主要有以下三种[2－3]:一是使用单匹配层或多匹配层[4－7]；二是使用复合材料，降低换能器敏感元器件的Qm值(机械品质因数)[8－9]；三是多模态耦合[10－11]。然而，虽然使用匹配层可以拓展带宽，但随着时间的推移，匹配层的性能会退化，这也造成换能器性能的不稳定[12]；而使用的柔性复合材料虽然具有声阻抗低、易与水声阻抗相匹配的优势，但是增大了损耗，在大面积使用时还会降低机电耦合系数[13]。多模态耦合则是利用两个及以上振动模态的耦合来拓展带宽，是目前拓展带宽的有效方法之一。此外，PZT5(锆钛酸铅)[14]材料具有居里点高，压电效应显著，机电耦合系数高的优势，因此本文采用多PZT5振动层耦合，层与层之间使用柔性硅橡胶进行黏连嵌套，拓展带宽的同时，保证振动模态的独立性。通过SolidWorks软件对金字塔模型进行架构，ANSYS有限元仿真软件对敏感压电元件进行建模仿真，特殊工艺嵌套粘合，最终设计制作出性能优良的高频宽带水声换能器。

1 金字塔水声换能器敏感元件结构

金字塔型水声换能器敏感元件由纯压电陶瓷块和“口”字型压电陶瓷块两种结构组成，而换能器的谐振频率以及带宽等性能主要由敏感元件的厚度振动特性决定，因此研究确定其每一层厚度振动的特性对制作金字塔型换能器至关重要。本文通过切割压电陶瓷—涂抹环氧树脂—补偿电极—涂抹硅橡胶等工艺制作的金字塔敏感元件结构如图1所示。

图1 金字塔敏感元件

该金字塔型敏感元件由四层不同尺寸压电陶瓷层嵌套而成。第一层为压电陶瓷小块；第二层、第三层、第四层为压电陶瓷条镶拼而成的“口字型”压电陶瓷块。每一层均较下一层在厚度(Y轴正方向)方向上高出一定高度，Y轴正方向为正电极面，Y轴负方向为负电极辐射平面。

本文通过等效电路法对敏感元件进行理论分析，用机电类比的方式将换能器的机械振动、机电转换过程组合在一个等效图中，以便于求解各层换能器敏感元件的频率。

1.1 纯压电陶瓷小块等效电路分析

压电陶瓷小块是金字塔水声换能器敏感元件基础结构之一，因此确定压电陶瓷小块的尺寸对最终确定敏感元件整体谐振频率至关重要。敏感元件中纯压电陶瓷小块是厚度振动模态，其谐振频率与厚度有关。设压电陶瓷小块厚度为t1，利用等效电路法[15]，可得压电陶瓷小块的电路状态方程为:

式中，Sone为第一层纯压电陶瓷块电极面面积，ν1、ν2为上下边界x＝0、x＝l处的厚度振动速度，波数k1＝，ν＝3 693.2 m/s为陶瓷中纵波波速，n1为PZT5材料的机电转换系数，F1、F2为x＝0、x＝l处端面的外力，C0为其截止电容，ρ为压电陶瓷密度。

则根据机械振动方程(1)，纯压电陶瓷小块谐振频率机电等效图如图2所示。当模块位于空气中振动，可以认为其处于自由状态，模块两侧外力为零，得到其自由振动电路如图3所示。

图2 纯压电陶瓷小块机电等效图

图3 空气中纯压电陶瓷小块机电等效图

经过机械阻抗和电导电纳运算，可以得到等效阻抗:

图4 MATLAB求解结果

根据ω＝2πf换算频率，即可得此模块谐振频率约为188 kHz。

1.2 “口”字形纯压电陶瓷结构等效电路分析

将压电陶瓷条粘合即可得到“口”字形纯压电陶瓷结构。设三层“口”字形纯压电陶瓷结构厚度分别为t2、t3、t4，则第二、三、四层“口”字型纯压电陶瓷结构等效阻抗分别为:

根据式(3)的形式，在MATLAB中分别代入每一层具体参数并换算频率，可得其余各层谐振频率。当厚度分别为6.9 mm、6.6 mm、6.2 mm时，谐振频率分别为199 kHz、208 kHz、221 kHz。此时每层模块谐振频率不同且差值适中，当敏感元件参数设置合理时，四层敏感元件振动可发生耦合，即可有效地拓展带宽。

2 “金字塔”型宽带水声换能器敏感元件的设计

敏感元件的厚度振动特性对换能器的性能至关重要，而金字塔型敏感元件是由纯压电陶瓷块和“口”字形压电陶瓷共同组成的，因此分析纯压电陶瓷块的谐振频率随纯压电陶瓷块厚度的变化规律以及“口”字形压电陶瓷谐振频率随厚度的变化规律则是分析该换能器敏感元件的基础。

2.1 纯压电陶瓷块谐振频率随厚度的变化规律

纯压电陶瓷谐振频率随振动方向厚度的变化规律研究学者们已经有相关结论。在栾桂冬先生的《压电换能器和换能器阵》[15]一书中，可以得出:PZT5纯压电陶瓷振动方向的厚度愈厚，其谐振频率愈低。根据这一结论，利用SolidWorks建模软件搭建概念模型，使用ANSYS有限元仿真软件对纯压电陶瓷块材料进行电场仿真。纯压电陶瓷块长15 mm，宽15 mm，高度作为自变量，通过微调厚度，分别选取6 mm，6.1 mm，6.2 mm，6.3 mm，6.4 mm，6.5 mm，6.6 mm，6.7 mm，6.8 mm，6.9 mm，7 mm，7.1 mm，7.2 mm，7.3 mm进行仿真。压电陶瓷相采用三维耦合场单元Solid5，划分网格后，在下底面加载0 V电压，上表面加载1 V电压并进行点耦合。计算完成后通过ANSYS有限元软件后处理功能可以得到该类模型在谐振频率下的振动模态，如图5所示。

图5 纯压电陶瓷块振动模态

通过对模型的谐振响应分析，可以计算得到导纳图和导纳数据表以此得到谐振频率数值。根据每一厚度对应的谐振频率，可以得到纯压电陶瓷模块谐振频率随厚度的变化曲线，如图6所示。

根据已有理论和图6的计算仿真结果，随着压电陶瓷块在振动方向厚度的增大，其谐振频率呈下降趋势。这对纯压电陶瓷块振子参数的设置至关重要。

图6 纯压电陶瓷模块谐振频率随厚度的变化曲线

2.2 “口”字形压电陶瓷块谐振频率随厚度的变化规律

“口”字形压电陶瓷块作为敏感元件的重要组成之一，对“金字塔”型换能器拓展带宽起着重要作用。金字塔模型第二、三、四层都为“口”字型压电陶瓷模块。在ANSYS中，划分网格后分别在压电陶瓷的上下表面加载1 V和0 V的电压，对1 V电压面的网格点进行耦合。计算完成后可得其振动模态如图7所示。

图7 “口”字型压电陶瓷块振动模态

图7中，该结构振动模式与纯压电陶瓷块类似，皆为电场平行于极化方向的厚度振动，所以随压电陶瓷厚度的增加，其谐振频率应逐渐降低，与计算所得到的规律相吻合。

为进一步探究陶瓷块的宽度对其性能的影响，在同一厚度参数下，微调宽度[16]，可得如下结论:在同一厚度参数下，压电陶瓷块的谐振频率和带宽随宽度的增加略有降低。因此，陶瓷块的宽度直接影响着敏感元件每一层间的耦合程度和整体的带宽。四层合适的厚度、宽度参数，会使敏感元件导纳曲线具有宽频带的同时不会产生大的凹谷，而不合适的参数会使得敏感元件不能达到耦合，以至于不能达到拓展带宽的目的。

2.3 “金字塔”型敏感元件的设计

为保证“金字塔”型换能器达到拓展带宽的目的，根据计算、仿真规律，选取尺寸相近的模块进行组合并不断优化匹配尺寸，最终选取各层的尺寸参数如表1所示。

表1 金字塔敏感元件各层平面尺寸

根据表1参数设计的敏感元件的三维爆炸示意图如图8所示。

图8 金字塔敏感元件三维爆炸示意图

根据单层的仿真结果，对金字塔敏感元件进行仿真。适当调整陶瓷块的宽度以优化整体的耦合效果。最终得到“金字塔”型敏感元件在空气中的导纳频谱图，如图9所示。

图9 金字塔敏感元件仿真导纳图

在图9中，第一层的纯压电陶瓷块，其振动模态复杂且振动幅度在同条件下较小；第一、二、三、四压电陶瓷层曲线的横向宽度(带宽)小于总体的横向宽度，总体的带宽得到有效的拓展；四层谐振频率依次为190 kHz、210 kHz、220 kHz，240 kHz，与计算结果相近。因此本模型切实可行。

3 “金字塔”型敏感元件的制备

根据参数设计结果，制作换能器敏感元件。采用切割压电陶瓷块－打磨陶瓷厚度的方式将110 mm×110 mm×7.5 mm标准压电陶瓷件切割成拼接用的压电陶瓷块。采用环氧树脂618对不同尺寸压电陶瓷层接缝处进行粘合，采用银浆对模块进行电极披覆。最终制得换能器单层元件示意图如图10(a)、10(b)所示，敏感元件如图10(c)所示。

图10 叠堆金字塔敏感元件

经测试，其各层谐振频率分别为179 kHz、212 kHz、214 kHz、238 kHz，与计算仿真结果相近，效果良好。

4 “金字塔”型水声换能器制备及性能测试

将敏感元件黏贴背衬和金属盖板后置于自主设计的换能器封装模具中进行封装，最终制得的换能器如图11所示。

图11 叠堆金字塔敏感元件

根据标准测试流程，将制作的换能器置于消声水池中并使用阻抗分析仪测量其导纳曲线，结果如图12所示。

图12 “金字塔”型换能器水中导纳曲线

根据测试结果，该换能器－3 dB带宽约为57.7 kHz。对比分析空气、水中实测的导纳曲线，水中实测曲线振动模态耦合凹谷较小，整体耦合状况较好，主要原因是水中仿真时，添加了聚氨酯外壳并将换能器置于水中，相当于给敏感元件附加负载，其每阶振动幅度都略有不同幅度的下降，这就使得各模态之间耦合程度更高。该换能器发射电压响应如图13(a)所示、接收电压灵敏度13(b)所示、水平指向性如图14所示。

图13 “金字塔”型换能器发送电压响应和接收电压灵敏度

图14 “金字塔”型换能器发送电压响应、接收电压灵敏度和指向性

由测试结果分析可知，金字塔型平面水声换能器最大发射电压响应为165.8 dB，最大接受灵敏为－180.7 dB。根据声源级和发射电压响应的计算公式

由测试软件计算得到该换能器的最大声源级为195.9 dB。测量指向性时，以2°为步进，通过旋转换能器测量180°辐射平面内发送电压响应随方位角的变化，经换算可得该换能器指向性主瓣峰值下降－3 dB处开角约为10°。

与现行大多在材料上具有优势的复合材料换能器相比，本“金字塔”型换能器具有更宽的带宽(多数小于20 kHz)，更高的发射电压响应和接收灵敏度(多数小于150 dB)，并且本平面换能器波束开角较大，可以探测更多、更加微弱的信号。

5 结束语

本文通过ANSYS有限元仿真软件分析“金字塔”型敏感元件的尺寸特性，采用特殊工艺制作出高频宽带高灵敏度水声换能器。测试结果表明，该换能器在水中可实现良好的四模态耦合，大幅度提高换能器带宽，同时该换能器还具有较高的灵敏度，可探测微弱信号。

此外，该换能器可增加耦合层数以进一步拓展换能器的带宽；敏感元件材料可以由PZT5型压电陶瓷替换为压电单晶PMNT，可进一步提高换能器性能。