500 kHz超声压电换能器储存性能

成冬冬,解立洋,谭菊琴,杨 坚,陈荷娟

(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室,江苏南京 210094)

0 引言

超声压电换能器是超声探测系统中的重要器件,实现同频率下电能与机械能的互换,要求具有简单可靠、抗干扰能力强、适用范围广等特点。本文测试压电换能器的谐振频率为500 k Hz,用于近炸引信水下目标探测系统,要求在整个可听声频范围内,换能器响应均匀、不发生共振。根据引信应用特点,换能器还必须满足十年及更长时间的长存贮性要求。设计时为避免波形瞬态畸变,尽量降低共振系统尖锐度(Q值),尤其水声声源的工作带宽有限,Q值不能太高。针对目前国内市场上缺乏高于100 k Hz换能器的情况,作者所在课题组研制了一批300～500 k Hz、波束角 14°的压电换能器[1-3]。在这种高质量换能器制作中,声学元件质量较难控制,随着存放时间的延长,发现同批、同频率换能器机械品质因素值、导纳值发生变化,输出信号失真,甚至不振动。为了找出原因,2005年重新制作了20个500 k Hz换能器,且在之后的五年内定期测试,以探索其储存性能。

1 引信用换能器结构及其实验原理

图1为换能器结构示意图,外壳厚度为6.6 mm,晶体材料为锆钛酸铅P-51,晶片尺寸:直径Φ10 mm×3.6 mm。吸声背衬为环氧绝缘板,用环氧树脂灌封。设计换能器多采用等效电路类比法,本文采用这种方法用来分析换能器的阻抗特性,等效电路见图2。忽略换能器电损耗,假设在串联谐振点换能器等效参数恒定不变,则谐振点附近的总导纳为:

式中,Y为总导纳,Y0和Y1分别为静态导纳和动态导纳,ω为施于换能器上的激励电信号角频率,C0、R1、C1和L1分别定义为压电圆片的等效静态电容、动态电阻、动态电容和动态电感。在力端增加电阻R1,主要是考虑机械内耗和辐射阻。将式(1)的实部和虚部分别用G1、B表示,称为电导和电纳,则有:

图1 换能器结构图Fig.1 The structure of transducer

图2 换能器等效电路图Fig.2 The equivalent circuit of transducer

设换能器频带宽度为ωs(简称带宽),是电导G1随角频率变化曲线上对应低于最大频响3 dB处上下两个半功率点频率之差[4],得到机械品质因素Qm时,G1最大,G1max=1/R1。若考虑换能器的静态损耗R0,则总导纳G=G1+1/R0,图3所示的电导曲线将向上平移1/R0。机械品质因数Q m决定电导曲线变化的快慢,Qm越大,G1值在谐振频率附近变化越快。

三电压法测试原理如图4所示,电压源为一正弦信号U G(正弦信号的有效值),测试换能器和一电阻串联连接,则换能器阻抗模和幅角分别为:

式中,UT为被测换能器上的电压;UR为串联阻抗电压;UG为电压源电压;ZT为换能器阻抗的模;φ为换能器阻抗的幅角;R为串联电阻阻值。

图4 压电换能器导纳测量原理Fig.4 The measuring principleof admittance of piezoelectric transducer

换能器放置姿态、被测件与测试仪器距离满足GB7965-87《声学水声换能器测量》的要求[5]。由信号发生器产生10 V正弦信号,信号频率范围:300～600 k Hz,由数字式导纳分析仪测得的数据 f、UG、UT和UR通过串口传到上位计算机,按式(1)—式(3)计算出在频率为 f时被测量导纳值,并绘制曲线,计算机操作界面见图5[6]。

图5 压电换能器导纳测量原理Fig.5 The operator interface of admittance measurement

2 换能器储存性能测试结果

2005年 、2006 年 、2007年 、2009年 4—5 月间,测试了2005年制作的换能器在空气中的导纳曲线,根据导纳曲线得到的带宽ωs、谐振频率 f、最大电导值G1max列于表1,由表1数据得到的随存放时间延长的变化见图6。

表1 测试带宽和最大电导值Tab.1 Test bandwidth and maximum conductivity

图6 按表1绘制数据的曲线Fig.6 The curve traced by data of table 1

根据表1和图6,将带宽、谐振频率、最大电导值变化归纳如下:

1)大多数换能器存放到第三年时(2007年),带宽ωs变大,带宽变化曲线明显高于其他年份。随后下降,在第五年下降到很低值(一致性很差),这时Q m很大,波形已严重畸变。

2)第一、二年(2005、2006年),这一批换能器的谐振频率变化较一致,且每个换能器的频率误差很小,最大误差值只有10.6 k Hz(09#)。第三、五年,谐振频率变化曲线明显上移,说明谐振频率都已偏离设计值。

3)最大电导值在第三年前都有下降趋势,但变化量很小。第五年的最大电导值突然上移了很多(约5 ms),说明换能器的动态电阻变小了。总导纳G=G1+1/R0,其中静态电阻R0缓慢增大对导纳影响不大,那么,动态电阻R1若突然变小则将使电导值急剧增大,从而改变阻尼系数和品质因数。从压电换能器的结构和制作工艺角度分析,背衬(声阻尼)和透声层(载声介质)材料对换能器性能影响最大[1]。

3 换能器储存规律验证

通过五年的储存测试得到:换能器带宽第五年开始降低到很低值、谐振频率和最大电导值第三年开始突变。分析原因,主要有以下几方面:

1)温湿度变化影响媒质振动速度和压电晶体极化性能。测试中还发现温度和湿度影响换能器输出波形,有的已无信号输出(这批换能器没有专门去湿干燥、恒温存放)。从声波传输特性分析,媒质的压缩特性将影响声波传输的快慢,即声速。温湿度变化,使空气媒质的密度变化,则媒质质点振动速度将改变,从而影响声波传播,导致换能器输入输出响应变化,严重的会不振动。温湿度变化也将改变晶体的极化性能,极化后铁电陶瓷内定向排列的90°畴和180°畴随时间延长而逐渐无序化。材料内部产生空间电荷,在压电晶片两面特性阻抗介质中产生的动摩擦力将增加,厚度与振动不满足半波长要求,使f偏离基频。晶体元件的厚度直径比(t/d)设计不当,也是出现谐振频率后出现多峰的主要原因,t/d值越大,越不会出现次峰。

2)透声层介质与晶体阻抗不匹配。换能器发射平面波,其声波应该处处与媒质特性阻抗相匹配(相等),这样换能器的传播损耗最小。P-51材料的Qm虽然低(一般Qm＜10),不易产生波形瞬态畸变,但其材料内损耗较大,声辐射功率较低。其次,理论计算中忽略了换能器结构中粘接层对阻抗匹配的影响,实际上压电圆片与吸声背衬、透声层粘贴在一起后,由于阻尼作用,而会使原定的谐振频率有所降低。此外,透声层材料泡水后导致阻抗改变(因这批换能器同时也进行水中测试),也会破坏匹配关系,实际观察发现透声层已经暗淡发黄,材料有老化的外在表征。透声层介质与晶体阻抗不匹配降低声辐射效率。

3)背衬和环氧胶工艺差使Q m值不一致。早期制作换能器晶体的背衬(吸声)材料采用去耦橡皮板,虽然在谐振峰的电导值有提高,同时也提高了换能器的Qm值,频带变窄,不易对准500 kHz谐振频率,耐冲击性能差。本设计背衬材料改为环氧树脂和钨粉的混合物,虽然在谐振峰的电导值有所降低,降低了值,但使前后峰连在一起,带宽有所增加,换能器能处于宽频带下工作(见表 1带宽达几十k Hz),容易保证工作频率在带宽之内,减少了透过压电晶体元件的声波因界面反射而再度返回晶体形成的次生压电效应。然而,外购环氧树脂无法检测、筛选,不能保证与钨粉的配比,Qm值一致难以保证。另一方面,粘结表面(包括电极片、垫片和陶瓷片表面)的环氧树脂涂抹不均,胶体内产生气泡,环氧胶随着存放时间延长,换能器的导电性变差和粘接不牢,累积到一定程度因振动松溃最终造成电导最大值急剧增大而损坏。

超声压电换能器是超声探测系统中的重要器件,其性能的优劣直接影响系统的总体性能。引信用换能器必须满足其应用特性,还应该牢固、耐冲击、长期储存性能稳定。通过对500 k Hz超声换能器储存实验及性能变化原因分析,提出了几点注意事项:

1)控制换能器的输出功率,保持产品性能的一致性。尤其对于引信用多个换能器组成的基阵和由串联或并联组成收发系统,产品性能一致性直接影响探测效果。因成品率低,通过筛选获得性能完全一致的换能器,成本很高,所以,制作时除了晶体圆片性能和参数尽量一致外,一个有效的方法是将分配功率相差控制在±0.5 dB,即换能器功率误差不超过1 d B,则最大电导值在1～0.8 ms内变化。

2)使用刚度好的背衬环氧绝缘板,有利于提高阻尼系数而使品质因数减小,同时可提高抗冲击能力。为了弥补背衬和环氧胶因工艺性差而使Qm值不一致的缺陷,可以在压电晶体圆片的负极浇注吸收块,吸收向背面发射的超声波,抑制径向振动和杂波,对压电圆片的振动起阻尼作用,从而起到降低晶片机械品质因数的作用。

3)对厚度振动模式换能器,当受迫振动达稳定时,厚度等于振动半波长(l=λ/2)[1,3],振动在基频附近,如按这一规律选取晶片厚度,就可减少谐振频率后多峰的出现。

4)为了提高声辐射效率,应该重新选择匹配层的厚度,尽量让结构与晶体圆片的阻抗匹配,修正理论计算模型,将粘接胶体作为声学匹配层考虑,可考虑设计多层声匹配结构。由于本换能器用于水声探测,所以可设置水密保护层以延缓透声层老化,选择更耐用透声层。

5)灌封时,均匀搅拌环氧胶和均匀涂抹粘结表面,充分溢出气泡,保证透声层厚度。固化时严格控制环氧胶的温度和时间。

4 结论

通过对500 kHz超声换能器五年的存储测试,得到了谐振频率、带宽、最大电导值随存放时间变化的规律,发现换能器谐振频率和最大电导值第三年开始突变,带宽第五年开始降低到很低值。认为长期储存中,温湿度变化、透声层介质与晶体阻抗匹配特性及背衬和环氧胶工艺性是影响换能器工作的主要因素,从结构和工艺上提出了控制换能器的输出功率的一致性,使用刚度好的背衬环氧绝缘板等改进措施,为提高长贮性、改进超声波换能器制作提供参考。

[1]陈荷娟,马宝华.水中探测超声换能器研究[J].仪表技术与传感器,2001(7):9-11.CHEN Hejuan,MA Baohua.Reserch of ultrasonic transducer for underwater detecting[J].Instrument Technique and Sensor,2001(7):9-11.

[2]陈荷娟,范志应,杨继良,等.深水炸弹声近炸引信:中国,00128005.8[P].2000-12-15.

[3]陈荷娟,马宝华.水中近距声探测器研究[J].北京理工大学学报,2002,22(2):234-236.CHEN Hejuan,M A Baohua.A study on close-range underwater detectors[J].Transactions of Beijing Instituteof Technology,2002,22(2):234-236.

[4]罗绍棠,高明仙,朱阿春.CB1125-98水声用压电陶瓷材料规范[S].北京:中国船舶工业总公司,1998.

[5]郑进鸿,宋受镒,张丽英,等.GB7965-87声学水声换能器测量[S].北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2002.

[6]赵国库.引信水中超声波探测技术研究[D].南京:南京理工大学,2006.