一种提高换能器产品合格率的改进结构和工艺

边　翔，吴燕妮

（1. 山西平阳重工机械有限责任公司， 山西 侯马， 043002； 2. 西安文理学院， 陕西 西安， 710065）

一种提高换能器产品合格率的改进结构和工艺

边翔1，吴燕妮2

（1. 山西平阳重工机械有限责任公司， 山西 侯马， 043002； 2. 西安文理学院， 陕西 西安， 710065）

针对声呐换能器在研制生产中合格率较低的问题， 采用换能器等效电路理论分析出现这一问题的原因，提出了采用非极化陶瓷片和金属材料热过渡的换能器改进结构及工艺， 试制了改进后的换能器样品并对其进行测试。测试结果表明， 该改进措施可有效提高换能器批量生产中的产品合格率， 为换能器设计和生产提供参考。关键词： 声呐换能器； 等效电路； 热过渡

0　引言

声呐换能器是声呐设备的重要组成部分， 其产品一致性的好坏直接影响声呐系统的性能指标。在换能器的生产过程中， 经常存在换能器产品合格率低的问题， 其主要原因是设计参数存在较大的差异， 结构设计不尽合理， 导致换能器在生产工艺中出现材料物理及结构性质发生变化，从而出现总体参数的改变， 造成换能器生产合格率低。例如， 在测试某型换能器过程中就出现了大功率非线性失真、电声参数一致性差的问题。

针对上述问题， 文中结合理论公式解释了导致问题产生的原因， 提出了改进结构和工艺方法，并通过了试验验证。经验证， 产品合格率提高到90%。

1　换能器等效电路模型

经典复合棒换能器一般由前盖板、压电陶瓷晶堆和后盖板组成， 其前、后盖板一般为圆柱形。根据换能器各部件的机电等效网络， 由边界条件（力的连续性或速度的连续性）将各部分级联起来就可以得到整个换能器的机电等效图［1］， 如图1所示。

图1中： Zs1和Zs2分别是后盖板和前盖板辐射阻抗； n和c0分别为换能器的机电转换系数和静态电容。且

图1　换能器分布参数等效电路模型Fig. 1　Equivalent circuit model of transducer with distributed parameters

当换能器工作在谐振频率附近时［2］， 可将图1进一步简化， 如图2。图中， C1，L1和R1分别为换能器的动态电容、动态电感和动态电阻。

图2　换能器集中参数等效电路模型Fig. 2　Equivalent circuit model of transducer with lumped parameters

根据图2可以获得换能器的动态导纳为

当B1=0时， 换能器处于机械谐振状态， 此时换能器的谐振频率

根据等效刚度计算公式

和 l分别为杨氏模量、等效面积和长度）可知， 当换能器的杨氏模量减少时， 换能器的等效刚度降低，谐振频率下降

［3］

。

换能器的静态电容为［4］

根据式（5）， 当压电陶瓷片的面积减小时， 换能器的静态电容降低。

2　基于换能器质量提高的产品工艺改进

2.1问题描述

图3为一种大功率超声发射换能器， 主要包括前盖板、压电陶瓷、预应力螺杆及后盖板等。加工中完成了换能器装配、粘接、加热固化等工艺流程， 测试了换能器的电声参数。对测试数据统计、归纳后发现， 多数换能器单元存在以下一些问题：

1） 换能器大功率发射时， 输出波形出现非线性失真， 导致换能器大功率工作电声效率降低，无法达到要求的发射声功率；

2） 换能器电声参数一致性较差， 主要表现在谐振频率和静态电容偏低且一致性较差， 谐振频率一致性差意味着组阵后换能器单元之间相位差大， 会造成发射波束和接收波束的畸变。静态电容一致性差使得发射匹配困难， 对系统电源的功率需求提高。

这些问题降低了换能器单元的合格率， 产生大量废品。

图3　改进前换能器结构示意图Fig. 3　Schematic of transducer before improvement

2.2原因分析

结合换能器等效电路理论针对上述问题分析如下。

1） 非线性失真分析

非线性现象一般是由换能器某些零件出现损伤引起的。当发射功率超过材料的耐受程度时，材料工作在非线性区， 表现出来就是换能器发射波形失真。一般换能器前后盖板采用铝和钢金属材料， 强度高不易损坏， 而换能器压电陶瓷片较脆， 容易开裂， 因此应重点关注是否由于陶瓷片的损伤造成换能器出现非线性。通过仔细观察发现， 换能器加热固化完成后， 在压电陶瓷片与前后盖板尤其是与前盖板结合处压电陶瓷片出现裂纹， 有些甚至出现豁口， 这是导致换能器出现非线性的根本原因。

结合换能器的使用材料和制作工艺可以解释非线性失真形成的原因， 是压电陶瓷片与金属材料热力学特性的巨大差异造成的。根据文献［5］，压电陶瓷片的热膨胀系数为3×10-6m/℃， 而前盖板（硬铝合金）的热膨胀系数为23.8×10-6m/℃， 后盖板（钢）的热膨胀系数为15×10-6m/℃。当换能器90℃高温加热固化时， 压电陶瓷片的膨胀尺寸较小， 金属盖板尤其是铝盖板膨胀尺寸较大。当固化完成后， 在陶瓷与金属的粘接面产生较大的剪切力， 当换能器温度降至常温时， 因为材料收缩的程度不同， 剪切应力可能将粘接面内部撕裂，造成陶瓷片电极层不同程度的脱落或陶瓷片出现裂纹。

2） 谐振频率分析

基于上述分析， 当压电陶瓷片出现裂纹时，相当于压电陶瓷片变“软”， 陶瓷片杨氏模量降低， 根据刚度与杨氏模量的公式， 其等效刚度K降低， 再根据式（4）， 换能器的谐振频率降低。压电陶瓷片损伤程度不同， 换能器谐振频率下降的程度就会不同， 表现出来就是一批产品的一致性差。

3） 静态电容分析

同样， 根据式（5）可知， 静态电容与陶瓷片的有效面积成正比， 当电极层脱落或开裂时， 陶瓷片的有效面积Sp减小， 因此， 换能器的静态电容下降。由于电极层破坏程度的差别， 静态电容变化率不同， 导致换能器个体之间的一致性变差。

综上所述， 将换能器出现上述现象和问题的原因归结为换能器材料之间热性能差异的结论是成立的。

2.3改进措施

由上述原因分析可知， 要解决问题必须改进换能器的结构设计和制作工艺。即采用不同热力学材料及非极化陶瓷进行热过渡结构和工艺， 具体改进方案如下。

1） 结构改进

前盖板采用的是铝材料， 同样加热温度下尺寸变化相对压电陶瓷更大， 容易在结合面处产生剪切力。因此， 在两者之间添加热力特性介于2种材料之间的过渡材料， 改进后换能器如图4所示。

图4　改进后换能器结构示意图Fig. 4　Schematic of transducer after improvement

在前盖板后分别增加1个不锈钢垫片和无极化压电陶瓷片， 同时在后盖板处增加1个无极化压电陶瓷片。

增加不锈钢垫片是因为其热膨胀系数介于前盖板与压电陶瓷片之间， 可以起到缓冲作用， 从而降低剪切应力。

增加无极化陶瓷垫片是因为其热膨胀系数与压电陶瓷片相同， 但其是无源的， 可以起到保护有源压电陶瓷片电极层的作用， 避免造成有源压电陶瓷片的损坏。

因为增加了换能器的总长度， 为了保持谐振频率在设计范围内， 应适当缩短后盖板的长度。

2） 工艺改进

零件受到的温度越高， 其尺寸变化越大， 产生的剪切应力越大， 因此适当降低温度并改进加热固化工艺， 可以有效改善上述情况。采用阶梯型加热固化流程， 可使固化过程更缓和， 从而使其热过渡特性更好， 避免由于热应力剧烈变化引起压电陶瓷片产生裂纹。

3　试验验证

按照改进方案， 试制了10件换能器样品， 测试了其电声参数， 并与改进前的样品进行了对比，改进前后大功率发射试验结果如表1。

从表1可以看出， 在同样的发射功率条件下，改进后的换能器9只发射波形正常无畸变， 改进效果明显。

采用阻抗分析仪测试了换能器的谐振频率和静态电容， 结果见表2和表3。

由表2可知， 改进前换能器谐振频率在18.3～19.8 kHz之间， 一致性差别为1.5 kHz； 改进后换能器谐振频率在19.9～20.5 kHz之间， 一致性差别为0.6 kHz。

由表3可知， 改进前换能器静态电容在1.82～2.11 nF之间， 一致性差别为0.29 nF； 改进后换能器谐振频率在2.10～2.21 nF之间， 一致性差别为0.11 nF。

表1　功率发射结果表Table 1　Power transmitting results

表2　谐振频率记录表Table 2　Record of resonant frequency

表3　静态电容记录表Table 3　Record of static capacitance

试验结果证明， 文中介绍的改进措施是有效的， 可以大幅提高产品的合格率和一致性。

4　结束语

文中针对换能器合格率低的问题进行了分析，提出了采用无源垫片热过渡结构及工艺方法， 并随样本展开了研制及测试， 试验结果表明了改进方案的有效性。文中介绍的工艺方法可为提高纵振式换能器的合格率提供依据。

［1］栾桂冬， 张金铎， 王仁乾. 压电换能器和换能器基阵［M］. 北京： 北京大学出版社， 2005.

［2］Charles H. S， John L. B. Transducers and Arrays for Underwater Sound［M］. Berlin： Springer Verlag， 2007.

［3］刘望生， 俞宏沛， 周利生. 双激励加匹配层宽带水声换能器研究［J］. 声学技术， 2008，27（2）： 285-288.

Liu Wang-sheng， Yu Hong-pei， Zhou li-sheng. The Study of Broadband Underwater Acoustic Transducer with Doubly Exciting Plus Matching layer［J］. Technical Acoustics，2008， 27（2）： 285-288.

［4］洪有才， 俞宏沛， 杜纪新. 纵向振动换能器驱动元件机电等效参数的计算［J］. 声学与电子工程， 2003， 70（2）：2-4.

［5］成大先. 机械设计手册［M］. 第5版. 北京： 电子工业出版社， 2009.

（责任编辑： 杨力军）

Improvement of Structure and Procedure for Raising Acceptance Rate of Sonar Transducer

BIAN Xiang1，WU Yan-ni2
（1. Shanxi Pingyang Heavy Industry Machinery Co. Ltd， Houma 043002， China； 2. Xi′an University， Xi′an 710065， China）

To raise the acceptance rate of sonar transducer in its development and production processes， an equivalent circuit model was built to analyze the factors influencing the acceptance rate. Consequently， a non-polarized piezoelectric ceramic was adopted in the structure of the transducer， and thermal transition of metallic material was applied to the procedure. A prototype of the sonar transducer with the improved structure and procedure was produced and tested. The results indicate that this improvement can raise the acceptance rate of the product.

sonar transducer； equivalent circuit； thermal transition

TJ630.34； TB564

A

1673-1948（2015）03-0183-04

2015-01-08；

2015-03-01.

边翔（1978-）， 男， 技师， 长期从事动力及总体装配工艺研究.