一种高频宽带水声换能器的研制*

王宏伟

（北京信息科技大学，北京100192）

一种高频宽带水声换能器的研制*

王宏伟*

（北京信息科技大学，北京100192）

研制了一种宽带、高频压电复合材料圆环阵水声换能器。该换能器的宽带结果是通过采用降低压电材料机械品质因数Qm值和多模耦合振动两种方法实现的。通过径向切割压电陶瓷圆环、灌注环氧树脂得到压电复合材料圆环，再将不同壁厚的压电复合材料圆环轴向叠堆而成敏感元件，对敏感元件进行模具封装，引出电极引线，得到换能器。利用ANSYS软件对结构进行仿真，得到敏感元件谐振频率和带宽随压电陶瓷圆环厚度、高度和平均半径的变化规律，并根据仿真结果确定了换能器敏感元件的最优设计方案。将由最优参数得到的两个压电复合材料圆环轴向叠堆，制作了双圆环叠堆复合材料换能器。经测试，该换能器形成了明显的双模耦合振动，该换能器谐振频率为375 kHz，其-3 dBd工作带宽为90 kHz，最大发送电压响应达148 dB。实现了换能器的高频、宽带、水平全向发射声波的设计目标。

水声换能器；宽带；复合材料；圆环

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.05.007

随着水声技术迅速发展，要求换能器发射/接收更多的信息，即一个换能器需要覆盖更宽的工作频段，因此换能器宽带技术的研究突显出越来越重要的地位。制作中高频宽带发射换能器是众多声纳系统对换能器的要求之一，然而对高频发射换能器来说，将其制作成宽带换能器具有一定的难度。现行拓宽换能器频带的方法主要有三种［1-5］：①通过复合柔性材料，增大损耗，降低换能元件的机械品质因数（Qm）值，即复合材料；②多振动模态耦合；③添加匹配层。压电复合材料克服了单相压电材料的缺点，保留了压电相材料的强压电性，利用其制作的换能器具有较高效机电耦合系数。此外，压电复合材料还具有重量轻，声阻抗率低，易于与水的声阻抗相匹配等优势。多模耦合理论主要是利用两个或两个以上的振动模态实现多模耦合振动来拓展带宽，是目前拓展换能器带宽的一种有效方法。添加匹配层方法也可以达到拓展带宽的目的，然而随着时间的推移，匹配层的性能会有变化，造成换能器的性能不稳定［6］。综合比较上述三类拓展带宽的方法，本文主要运用复合材料和多模耦合两种方法来拓展高频换能器的带宽，通过ANSYS-软件对压电振子建模仿真，设计制做出性能稳定的高频宽带换能器。

1　水声换能器拓展带宽的2种方法

1.1材料复合

压电复合材料拓展带宽原理主要是利用压电复合材料具有较低的机械品质因数（Qm）这一特性，由于换能元件带宽与材料Qm值有着直接的联系，两者关系如式（1）所示［7］：

式中，fr为谐振频率，f是电导响应下降3 dB（或6 dB）的频带宽度。由上式知，换能元件的带宽与材料Qm值成反比，即Qm值越低，带宽Δf越大。所以如何降低压电振子的机械Qm值是拓展带宽的关键。而压电振子的机械Qm值与自身材料参数也有着直接的联系，其关系如式（2）所示：

其中，ω为振动圆频率，R为压电振子机械损耗和其自身电损耗阻之和，而M为压电振子的等效质量。由式（2）可知，压电振子Qm值与其自身损耗R成反比关系，所以拓展带宽的一种有效的办法是增大换能材料的损耗，如在压电陶瓷中加入柔性聚合物制成压电复合材料作为换能器敏感元件，因此压电复合材料尤其适合制作宽带换能器。

1.2多模耦合

另一类拓展宽带方法为多模耦合振动，其拓宽频带的基础是多模态耦合理论［8-11］，如图1所示为两种模态展宽带宽原理图。

由图1知，f1和f2为系统中两种振动模态的谐振频率，通过调节系统中两种模态谐振频率差，使其相互靠近，当两种振动模态频率的交点下降3 dB或6 dB时不产生间断或过深的凹谷，则两种振动模态即可产生多模耦合，从而拓展换能器带宽。

本文利用压电陶瓷圆环的厚度振动来实现换能器的高频特性，通过两不同壁厚的压电复合材料轴向叠堆，使其形成双模耦合振动以拓展带宽。工艺上，主要通过切割压电陶瓷圆环、浇注环氧树脂制作出压电复合材料圆环，从而降低材料Qm值来拓展带宽；最后，通过轴向叠堆不同壁厚压电复合材料圆环使叠堆圆环产生双模耦合振动以进一步拓展带宽。

图1　两种模态展宽带宽原理图

2　压电复合材料圆环结构

换能器的性能主要由叠堆压电圆环振子的径向厚度振动特性确定，而叠堆圆环又由复合材料单环组成，因此分析复合材料单环的性能，获得其谐振频率随圆环各参数变化规律是换能器设计的基础。本文通过径向切割压电陶瓷圆环—填充环氧树脂—被覆电极等工艺制备出复合材料圆环，其具体结构如图2所示。

图2　压电复合材料圆环结构

该复合材料圆环是通过压电陶瓷相材料和聚合物相材料相互交叠而构成，两相材料均以二维方式连接，通过相互间隔排列构成2-2型压电复合材料圆环结构。该在结构中，压电陶瓷圆环高度为h= 3 mm，外径均为25 mm不变，而内径不等（即径向厚度t不等），其被分为24个周期性单元，其周期性单元如图2所示。其每一个周期性单元包括压电陶瓷相（PZT-4）和聚合物相（环氧树脂），每个周期性单元的圆心角为15°，其中压电陶瓷圆心角约为11°，环氧树脂圆心角约为4°，所以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%。

3　敏感元件设计

换能器的性能主要由叠堆压电圆环振子的厚度振动特性确定，而叠堆圆环又由复合材料单环组成，因此分析复合材料单环的性能，获得其谐振频率及带宽随圆环各参数变化规律是换能器设计的基础。

3.1压电复合材料圆管谐振频率、带宽随圆管各参数变化规律

利用ANSYS软件对压电复合材料圆环进行有限元建模、仿真，找到圆管频率、宽带随圆管个参数的变化规律，为后续叠堆复合材料圆环敏感元件设计及制作提供仿真依据。

该模型中，圆环外直径为25 mm，其被分为34个周期性单元，一个周期性单元中包括陶瓷相（PZT-5）和聚合物相（环氧树脂），其中陶瓷相和聚合物相体积比约为3∶1，即陶瓷相体积约占整体的75%，聚合物相约25%。压电振子敏感元件结构具有周期性，为减少计算量，通常选取圆管一个周期性单元进行有限元建模仿真［12］，通过对周期性单元施加对称约束条件，即可模拟整个圆管振动状态，如图3所示为振子的一个周期性单元。

图3　压电振子的一个周期性单元

该周期性单元包括压电陶瓷相和聚合物相，其中压电陶瓷相采用三维耦合场单元Solid5，聚合物相采用Solid45三维耦合场固体单元。划分网格后，在单元内环面加载0 V电压，外环面加载1 V电压，及对单元施加相应的对称约束条件，

计算完成后通过ANSYS提供的后处理器可分别得到该有限元模型的一阶振动模态，如图4所示。

图4　单圆环的一阶振动模态

通过对其进行谐响应分析，计算得出电导图，由电导图即可得出圆管谐振频率及带宽。通过微调材料各参数（厚度t、高度h，平均半径r），仿真得到复合材料圆管谐振频率f、带宽BW随圆管厚度t、高度h、平均半径r等参数的变化规律，如图5所示。

图5　复合材料圆管谐振频率、带宽随圆环各参数变化规律

由仿真结果知：圆环谐振频率随圆环厚度t和高度h的增加而降低，随平均半径无变化；圆环带宽BW也随圆管厚度t和高度h的增加而降低，随平均半径无变化，即压电振子谐振频率及带宽主要取决于压电振子的厚度和高度。

3.2叠堆敏感元件结构的设计

为保证所设计的换能器达到高频（380 kHz左右）、宽带的功能。由图6仿真结果知，我们选取圆环壁厚分别为3 mm和3.5 mm，高度均为3 mm的两压电复合材料陶瓷圆环进行轴向叠堆仿真。如图6所示为叠堆复合材料敏感元件有限元模型。

图6　叠堆复合材料圆环模型

同样地，为减少计算量我们只选取敏感元件的一个周期性单元进行仿真计算，最终得到叠堆敏感元件在空气中仿真电导频谱图，如图7所示。

图7　叠堆复合材料敏感元件仿真电导频谱图

由叠堆复合材料敏感元件仿真电导频谱知，通过轴向叠堆高度相等，壁厚不等的两个复合材料圆环，两个复合材料圆环在360 kHz和390 kHz附近产生了两个谐振峰，且两谐振峰的频率分别对应各圆环自身的厚度振动频率，说明通过上下叠堆复合材料圆环拓展换能器带宽具有可行性。

4　水声换能器敏感元件制备

由以上仿真结果，我们选取壁厚分别为3 mm和3.5 mm，高度均为3 mm的两压电陶瓷圆环进行切割，试制双圆环叠堆复合材料换能器样机，并对其进行水下发送电压响应测试，验证该方案的可行性。本文在现有的陶瓷切割基础上，采用切割压电陶瓷圆环—灌注柔性聚合物（如环氧树脂）—打磨整形—被覆电极等工艺制得复合材料圆环阵列，工艺流程如图8所示。

图8　压电复合材料圆管阵列制备流程

根据上述工艺流程，首先，利用精密陶瓷切割机对外径（为25 mm）相等，壁厚（分别为3 mm和3.5 mm）不等的两压电陶瓷圆环进行切割，并在切缝间浇注环氧树脂、固化、打磨、镀电极制得压电复合材料圆环阵列。其次，将两复合材料圆环进行同轴叠堆，叠层间以薄橡胶垫进行粘结，最终制得该换能器敏感元件，如图9所示。

图9　叠堆压电复合材料敏感元件

5　水声换能器性能测试

设计换能器的封装器具，将上述制得的叠堆压电复合材料敏感元件进行封装。如图10所示为最终制得的换能器样品。

图10　换能器样品

根据测试标准，将换能器样品放入消声测试水池中浸泡两个小时，室温下利用脉冲法对换能器发送电压响应进行水下测试，其结果如图11所示。

图11　换能器发送电压响应

由图11可知，测得该换能器的-3 dB带宽为320 kHz～410 kHz，换能器最大发送电压响应为147.8 dB。与空气中仿真结果对比可知，该换能器在水中可实现良好的双模耦合振动，-3 dB带宽可拓展至90 kHz，与现行复合材料高频换能器的带宽（约20 kHz左右）相比，其带宽拓展了近4倍。此外，该换能器谐振频率与空气中仿真结果对比，其谐振频率有一定的降低，这主要是由于在振子外封装了一定厚度的聚氨酯和水负载的缘故。

5　结束语

利用ANSYS有限元仿真软件，设计了复合材料圆管结构尺寸，采用切割圆管—浇注环氧技术，制备出新型的2-2型压电复合材料圆环，并将两壁厚不等的复合材料圆环进行轴向叠堆，实现复合材料圆环叠堆结构，最终制作出一种新型的高频宽带换能器。通过对该新型换能器进行测试，结果表明，该新型结构换能器可在水中实现良好的双模态耦合，能够大幅度地拓展高频换能器的带宽。

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王宏伟（1967-），男（汉），内蒙古人，物理电子学博士，副教授，北京信息科技大学理学院电子信息科学与技术教研室，长期从事惯性传感器和压电复合材料水声换能器的研究，drhwh@bistu.edu.cn。

Research of a High Frequency Broadband Underwater Acoustic Transducer*

Wang Hongwei*
（Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China）

A kind of wide band，high frequency piezoelectric composite circular array underwater acoustic transducer is developed. The wide Frequency band of the transducer is achieved by using the two methods of reducing the mechanical quality factor Qm value and multi-mode coupling vibration of the piezoelectric material.Through the radial cutting of the piezoelectric ceramic ring and pouring the epoxy resin in the cutting gap，The piezoelectric composite ring was obtained.Later，Two piezoelectric composite ring with different wall thickness is axially stacked to form a sensing element，leading out the wire of the electrode，and the transducer is got.By using ANSYS software to simulate the structure，the relationship of the resonant fre⁃quency and the bandwidth of the sensitive element with thickness of the piezoelectric ceramic ring，the height and the average radius of the ceramic ring are obtained.Two piezoelectric composites ring，which are obtained from the optimal parameters，are axially stacked and fabricated to get the transducer.It is tested that the transducer has an obvious dual mode coupling vibration，the resonant frequency of the transducer is 375 kHz，It’s-3 dB bandwidth is 90 kHz，the maximum transmission voltage is 148 dB.The design target of high frequency，broadband，and horizon⁃tal omnidirectional transmitting acoustic wave is realized.

underwater acoustic transducer；broadband；composite material；ring.

TP393

A

1004-1699（2016）05-0665-05

项目来源：国家自然科学基金项目（614710470）；北京市自然科学基金重点项目（B类）（KZ201411232037）

2015-12-14修改日期：2016-01-19