带匹配层的复合材料多圆管同轴堆叠换能器

王宏伟， 赵吉航

(1.北京信息科技大学 理学院， 北京 100192； 2.北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院， 北京 100192)

水声换能器按工作频率可分为低频(低于2 kHz)、中频(2～100 kHz)和高频换能器(高于100 kHz)。近年来对水声换能器的研究主要集中在增大发射功率、拓展工作带宽、提高指向性或增大波束开角、提高发射电压响应和接收灵敏度及减小换能器体积与重量等方面。中高频换能器由于尺寸、重量小，分辨率高，定位准确等优势主要应用于三维成像声呐、鱼探仪、海流剖面仪等精细成像和小目标探测以及无人航行器等领域。圆柱状水声换能器可将波束开角增大到360°，极大地扩展了换能器的探测范围，成为大开角换能器的不二选择；而为了发射和接收更多频率的信号，拓展换能器带宽一直是研究的热点。目前拓展换能器频带宽度的方式主要有以下3种[1-2]：1)使用复合材料降低换能器件的Qm(机械品质因数)值。压电复合材料是由压电相(如PZT)和聚合物相构成的，国内外研究学者在压电复合材料理论和工艺方面进行了广泛而深入的研究，总结出压电复合材料具有厚度机电耦合系数高、带宽大、振动模态纯净、声阻抗小等优点[3-8]，此外根据添加的聚合物不同，压电复合材料柔性可控，易于加工成曲面，从而实现宽波束发射。总之，采用压电复合材料作为有源材料可以拓宽换能器的带宽。2)多模态耦合技术。该技术是换能器展宽带宽的常用方法[9]。多模耦合方式有多种，如纵振换能器中的纵弯耦合技术[10]、复合结构[11]、单端激励[12-13]、多质量-弹簧振动系统[14-15]等，合理设计换能器元件的结构参数，使其产生2种或2种以上的振动模态并发生耦合，可以有效地达到拓展带宽的目的。3)添加匹配层[14-16]。该技术也可归属于多模耦合理论，一般采用厚度为1/4波长的匹配层。添加匹配层的主要作用包括3方面：1)阻抗匹配；2)使振动系统产生多谐振动达到拓宽工作频带的目的；3)使频带内发送电压响应平坦化。在实际制作过程中当换能器匹配层材料的声阻抗率不能做到理论要求值时，可以采用适当改变匹配层厚度的方法达到目标[17]。总之，要拓宽换能器的带宽单靠一种技术很难达到预期效果，通常是将2种或2种以上技术并用。本文在研制压电复合材料曲面成环工艺，保证换能器水平全向发射声波的基础上，综合上述的3种拓展换能器频带的方式，最大限度地拓宽换能器带宽。通过ANSYS有限元仿真软件对敏感元件建模仿真，特殊工艺实现敏感元件叠堆，最终设计制作了带匹配层的复合材料多圆管同轴堆叠换能器。

1 换能器敏感元件结构

换能器敏感元件是影响换能器谐振频率和带宽的重要因素，带匹配层的多复合材料圆管同轴堆叠宽带换能器敏感元件，由3个不同厚度的复合材料曲面成环堆叠后添加匹配层形成。换能器敏感元件的工艺流程如图 1所示，包括：在不同厚度的压电陶瓷正面分别沿着x方向和y方向进行切割；正面灌注柔性硅胶固化成型；反面对缝切割压电陶瓷，设计模具弯曲成型，反灌注环氧树脂并固化脱膜成型，制备电极和添加匹配层等。

图1 换能器敏感元件工艺流程Fig.1 Process flow chart of transducer sensitive element

课题组实验研究表明[18]，圆环谐振频率和带宽随着圆环的壁厚和圆环高度的增加而降低。制作敏感元件的压电复合材料是三相压电复合材料，根据已有理论知识[19]，当研制的换能器作为收发共用型换能器时，压电陶瓷相在复合材料中的体积比应该控制在0.3～0.5，当要求换能器有更大的声波发射能力时，压电陶瓷相在复合材料中的体积比应该为0.3～0.8。对于聚合物相，考虑到压电陶瓷的机电耦合系数、圆环曲面成型和固化后环氧的支撑力等因素的影响，硅橡胶和环氧树脂的比例控制在1∶3附近较为合适。利用ANSYS有限元分析软件对压电复合材料圆环仿真计算，本文选取的压电陶瓷厚度分别为3.5、4和4.5 mm，曲面成环后每个圆环外径相同均为20 mm，内径不同分别为16.5、16和15.5 mm。图 2所示为压电复合材料单圆环结构示意图，压电复合材料和聚合物间隔排列组成复合材料圆环，每个圆环由60个单元组成，每个单元包含6个压电陶瓷小柱，每个环高均为11.55 mm。

图2 压电复合材料单圆环结构Fig.2 Piezoelectric composite single ring structure diagram

为了进一步达到拓展带宽的目的，本文依据匹配全透射理论在叠堆压电复合材料外围添加了匹配层，使叠堆圆环和匹配层产生多模振动。其结构如图 3所示。

图3 带匹配层的叠堆敏感元件Fig.3 Stacked sensor with matching layer

2 有限元分析

设计的带匹配层的多复合材料圆管同轴堆叠宽带换能器在结构上具有明显的对称性，因此为了减少计算量，在使用ANSYS软件进行仿真时采取对周期单元施加对称边界条件。如图 4所示为近似简化得到的叠堆圆环单元仿真模型。其中，PZT-5A小柱宽度为1.55 mm，每层厚度分别为3.5、4和4.5 mm。每2个陶瓷小柱之间的宽度为0.45 mm，并向其中填充聚合物环氧树脂和硅橡胶，硅橡胶的厚度为1.2 mm，环氧树脂厚度分别为2.3、2.8和3.3 mm。不同厚度的敏感元件圆环之间的硅胶垫圈高度为1 mm。

划分网格后，在敏感元件外径表面加载0 V电压，内径表面加载1 V电压并进行点耦合。计算完成后通过ANSYS有限元软件后处理得到仿真导纳曲线如图 5所示，其中图5(a)为不同厚度的单元仿真结果，图5(b)为三环叠堆单元仿真结果。

图4 三环叠堆模型与单元仿真模型Fig.4 Three-ring stack model and unit simulation model diagram

图5 仿真电导曲线Fig.5 Simulated conductivity curve

从仿真结果可以看出，叠堆敏感元件的电导曲线产生了3个谐振峰分别为F1=328.570 kHz、F2=364.290 kHz和F3=394.430 kHz，对比单圆环单元仿真结果发现，叠堆圆环产生的谐振峰频率比相应的单环降低了1～3 kHz，这是因为不同厚度的敏感元件中间加入了硅橡胶垫圈造成质量增加所致。仿真结果表明通过叠堆厚度不同的压电复合材料可以实现多模耦合振动，达到拓展换能器带宽的目的。

3 敏感元件制作

3.1 敏感元件制作过程

根据仿真结果，选取厚度为3.5、4和4.5 mm的压电陶瓷，利用MACROACE II 切割机对压电陶瓷进行切割。首先沿着x方向进行切割，陶瓷小柱缝宽设定为0.45 mm，柱宽为1.55 mm,切割深度约为1.2 mm，切割机步进设为2 mm；在y方向上的切割方法类似。切割之后得到3种不同厚度带基底的周期性压电陶瓷小柱阵列，如图 6所示。

图6 不同厚度带基底的周期性压电陶瓷小柱阵列Fig.6 Periodic piezoelectric ceramic post arrays with substrates of different thickness

向带基底的周期性压电陶瓷小柱阵列缝隙中填充704硅橡胶，待24 h室温固化之后将样品反向对缝切割，切割深度控制在刚好切透陶瓷触碰到底面的硅橡胶(不同厚度的压电陶瓷切割深度不同，如3.5 mm厚的压电陶瓷切割深度为2.3 mm)。由于填充的硅橡胶较为柔软，切割完的样品阵列可绕不同尺寸的圆柱模具围成3个外径相同、内径不同的圆环。用实验胶带将压电陶瓷小柱围绕，并将配置好的环氧树脂灌注到陶瓷小柱的缝隙中。然后将样品放置在温度为35 ℃的真空干燥箱中12 h等待曲面固化成型并脱膜，得到如图 7所示的压电复合材料单圆环样品。

图7 单圆环压电复合材料Fig.7 Single ring piezoelectric composite

电极制备工艺是在复合材料单圆环的内外表面均匀地镀一层银浆薄膜，将涂好银浆的复合材料圆环用热风枪烘吹15～20 min，直至银浆完全固化、粘附在复合材料圆环表面，得到如图 8(a)所示的单圆环敏感元件，并引出电极线如图 8(b)所示。

图8 压电复合材料单圆环敏感元件Fig.8 Piezoelectric composite single-ring sensitive element

将电极引线从硬质泡沫背衬预留的走线槽和走线孔中引出(背衬起到对敏感元件圆环支撑的作用)，并在不同壁厚的圆环之间添加硅胶垫圈，得到如图 9所示的叠堆敏感元件。

图9 三环叠堆敏感元件Fig.9 Three-ring stacked sensor

3.2 敏感元件性能测试

通过以上复合材料的加工制作，得到了外径均为20 mm，高度均为11.55 mm，壁厚分别为3.5、4和4.5 mm的叠堆圆环敏感元件。利用Agilent429A精密阻抗分析仪分别对单圆环敏感元件和叠堆敏感元件进行测试，得到如图 10所示的电导曲线。

由图10(b)看出,叠堆后的敏感元件电导曲线上出现了3个谐振峰，对应的频率分别为329.460、359.519和381.563 kHz；图 10(a)叠堆前单个压电复合材料圆环的谐振频率分别为387.575、359.519和330.461 kHz。通过对比发现叠堆后敏感元件的谐振频率相对于单圆环敏感元件谐振频率降低了1～6 kHz。将图10测试结果与图 5仿真结果对比，仿真结果与测试结果基本吻合。由于水中的损耗大于空气中的损耗，3个谐振模态会在水中形成耦合，使换能器在水中带宽拓展。

图10 实测敏感元件电导曲线Fig.10 Measured conductivity curve of sensitive components

4 换能器制备与性能检测

4.1 匹配层制作

匹配层设计的理论依据是1/4波长的奇数倍的匹配全透射理论[20]，即：

根据该理论，设计了环氧添加钨粉的匹配层，声阻抗为5.4 MRayls。

根据图 10(b)结果显示叠堆敏感元件的中心频率大概为300～400 kHz，因此设计的换能器在工作频率范围内振动时，超声波的频率也在300～400 kHz。声波在环氧树脂中的传播速度约为2 540 m/s，因此超声波在材料中的波长约为8 mm，1/4波长的厚度约为2 mm，可得匹配层的厚度设计为2 mm。

通过Agilent429A精密阻抗分析仪对添加匹配层的叠堆敏感元件进行测试，其导纳曲线如图 11所示。由图 11可以看出添加匹配层后叠堆敏感元件的谐振频率为387.575 kHz，与图10(b)对比发现谐振模态实现了耦合且谐振频率有所提高，达到了设计目的。

图11 添加匹配层后叠堆敏感元件电导曲线Fig.11 Conductivity curve after adding matching layer

4.2 换能器装配

将圆形金属盖板(金属盖板半径与敏感元件外径相同)与叠堆圆环敏感元件上的背衬用硅橡胶进行无缝粘连，并将电极引线从金属盖板预留的导线孔中引出，然后用硅橡胶将导线孔密封完成敏感元件的固定。

根据叠堆敏感元件的高度、直径以及防水聚氨酯层的厚度设计相应的灌封模具，把装配完成的敏感元件放入灌封模具中，如图 12所示。将配置好的聚氨酯液沿着灌胶口缓缓地倒入，观察无气泡后将模具置于保温干燥箱中12 h固化后脱模，得到如图 13所示的带匹配层的多复合材料圆管同轴堆叠宽带换能器。

4.3 换能器性能测试

首先对换能器在水中的导纳进行测试，测试结果如图14所示。接着在消声水池中利用水声测量系统对水声换能器的发送电压响应、工作带宽、发射声源级、发射指向性和接收电压灵敏度等指标进行测量。水声测量系统主要包括信号发生器、功率放大器、放大滤波器、示波器、标准水听器和运动控制器等设备。该系统如图15所示。

图12 换能器灌胶模具Fig.12 Transducer potting mold

图13 带匹配层的多复合材料圆管同轴堆叠宽带换能器Fig.13 Multi-composite round tube coaxial stacked broadband transducer with matching layer

图14 换能器水中电导曲线Fig.14 Conductance curve of transducer in water

经测试，换能器的发送电压响应如图16所示，接收电压灵敏度如图17所示，声源级曲线如图 18所示，归一化指向性曲线如图 19所示。

根据测试结果分析，带匹配层的复合材料圆管同轴堆叠换能器谐振频率为380 kHz，发送电压响应最大为163.4 dB，-3 dB频带范围为330～430 kHz，带宽达100 kHz，在带宽工作范围内发送电压响应均大于160 dB。换能器的最大接收灵敏度为-204.5 dB，在工作带宽范围内声源级大于195 dB，当频率为220 kHz时声源级达到最大值201.7 dB。

图16 发送电压响应Fig.16 Send voltage response

图17 接收电压灵敏度Fig.17 Receive voltage sensitivity

图18 声源级曲线Fig.18 Sound source level curve

测试指向性时测试频率点设为380 kHz(即换能器谐振频率处)，将换能器固定在运动控制转台上，以2°为步进，通过改变运动控制器转动角度实现换能器360°旋转，利用示波器读取标准水听器的接收电压；最后将接收电压转换成分贝，并绘制成如图 17所示的指向性图形。图17中，沿着逆时针方向从330°至120°波形曲线向圆心靠拢，这明显是由外电极面焊点所导致，此外曲面成环时系统误差、聚合物粘接均匀性等也可能导致这一结果，但在下降-6 dB内，换能器可以实现辐射声波的360°全覆盖，换能器在水平方向上实现全向发射。

图19 换能器指向性Fig.19 Transducer directivity diagram

5 结论

1)通过对压电陶瓷切割、填充聚合物、压电复合材料曲面成型、堆叠不同壁厚的三个圆环、匹配层设计、换能器封装等一系列工艺，制备出带匹配层的多复合材料圆管同轴堆叠宽带换能器敏感元件;

2)测试结果表明，该换能器大幅度拓展了带宽，同时在水平方向上实现了全向发射;

3)与现行压电陶瓷圆柱换能器(发送电压响应约140 dB，带宽约3～5 kHz)相比，发送电压响应提高22.4 dB，带宽扩展30倍。