基于有限元仿真的水声换能器声学性能研究∗

代 伟

（91388部队 湛江 524022）

1 引言

压电陶瓷晶体是一种重要的电子材料，广泛应用于工业、国防等多个大型领域［1～2］。水声换能器是压电陶瓷的一个十分重要的应用案例。近年来，随着压电马达和压电换能器的大规模使用，大功率压电陶瓷材料逐渐成为一个研究热点。大功率压电陶瓷主要应用于高电压、高压力驱动以及一系列大功率发射型超声换能器、水声换能器及大功率远程声呐换能器等方面。这要求换能器材料具有机械品质因子高、强电场下介质损耗小和压电性能好等特点。要求大功率压电陶瓷晶体的介电损耗小，尤其是在强场下（如200V/mm以上）工作时不至于因损耗大而过热，导致压电晶体的性能下降；大功率压电材料的高性能需要有较好的稳定性才能适应其在强场下的应用［3］。

水声换能器是声呐系统的重要组成部分，是声呐系统的“耳目”，随着水声技术应用领域的不断拓展与延伸，在军事对抗、海洋资源探测开发技术的竞争以及全面感知地球的迫切需求的大环境背景下，水声换能器技术的飞速发展成为声呐技术发展的重要前提［4］。压电陶瓷晶体的发展是换能器技术的重要支撑。水声换能器技术研究的方向主要包括指向性、声场、声源级、电位移矢量、压电晶体的介电性能等多个方面［5～9］。

近年来有限元仿真在工程技术的各个领域都有很多应用，水声技术领域有限元仿真也有较大的应用［10～11］。 COMSOL-Multiphysics多物理场仿真软件是一款广泛应用于力学、热学、声学和电磁学等领域的有限元仿真软件［12～13］。本论文正是基于这款有限元仿真软件来对水声换能器的声学性能进行研究，首先设计了换能器的等效压电模型，基于此模型研究了换能器的声压场、远场声压级、电位移矢量、介电常数及压电晶体的厚度对换能器声压的影响。研究结果表明压电晶体的厚度越小，介电常数越大，换能器的声学性能越好。

2 物理模型及参数设置

水声换能器主要部件即为压电陶瓷晶体，压电陶瓷是一种各向异性的多晶体材料，通过正向和反向压电效应实现电能和声能之间的相互转换。所谓正向压电效应是指压电陶瓷在受外力作用时，除发生形变及内部产生应力外，还会产生极化强度及电位移，而且所产生的极化强度及电位移与应变或应力成正比例关系；反向压电效应是指当压电陶瓷受电场作用时，除产生极化强度和电位移外，还会产生应变并产生应力，所产生的应变和应力与电场强度或电位移成正比例关系。只有经过极化处理的压电陶瓷才具有正向和反向压电效应，而这种物理效应则是由压电陶瓷的多晶体内部结构所决定的［14］。

根据这一原理本论文设计了一个长为1mm，宽为0.5mm，高为0.5mm的压电陶瓷晶体模型，如图1所示。图中右边长方体为压电晶体材料，压电晶体上下表面为电极，左边为电流计。实验仿真采用COMSOL Multiphysics 4.4版本。仿真中电极上所加电压为100V。

图1 水声换能器压电晶体模型

3 仿真结果分析

图2所示为换能器近场声压场仿真结果。仿真时设定压电材料为PZT-5H，它的杨氏模量为71，d31和d32为-274，d33为593，是一种较为常见的普通压电晶体材料。由于换能器具有全向指向性，仿真中只取换能器的区间分布为0°～90°，其余方位与此区间的声压场分布皆相同，呈对称分布的状态。仿真时设置换能器的边界为r=8mm的圆周。从图中可以看出在压电换能器表面附近声压场强度最大，随着距离的增加，声压强度逐渐减弱，并呈现出声波波纹的形状，在压电换能器表面附近声压场强度最大值为57.4Pa。可以认为声场能量从换能器表面辐射出后，沿着介质向四周扩散开去，声场能量在换能器表面最大，也最为集中。

图2 换能器近场声压场

图3所示为压电换能器的远场声压级结果。从图中可以看出换能器以正前方即0°角为轴线，声压级以此轴线呈对称分布状态。

图3 换能器远场声压级

图4所示为换能器的电位移矢量结果。从图中可以看出电位移从压电晶体的上表面到下表面呈现逐渐减小的趋势，这与电压从上表面到下表面逐渐减小是一致的。

图4 换能器电位移矢量

图5所示为压电晶体的介电常数的变化对声压的影响的仿真结果。所取的声压为仿真中设定的边界条件的一半处的声压强度。从图中可以明显地看出随着介电常数的增大，声压强度呈现出逐渐增大的趋势，不过随着介电常数的进一步增加，例如超过20000，声压强度增加的幅度逐渐趋缓，可以认为介电常数在10000～20000之间时，声压强度值为最优。

图5 介电常数变化对声压的影响

图6 压电晶体厚度变化对声压的影响

图6所示为压电晶体的厚度的变化对声压强度的影响的仿真结果。同样取仿真中设定的边界条件的一半处的声压强度为取样点。可以看出随着厚度的逐渐增大，声压强度呈现逐渐减小的趋势，因此在实际的换能器设计制作时应该尽量减小压电晶体材料的厚度。实际中，厚度会影响压电晶体上添加的电压，厚度太小，在压电晶体上添加大的电压，会导致介电击穿效应，在实际设计换能器时应综合考虑厚度和电压两方面的因素。

4 结语

本论文综合研究了水声换能器的近场声压、远场声压级、电位移矢量、介电常数以及厚度对换能器声压的影响。研究结果表明，随着介电常数的增加换能器的声压逐渐增大，随着厚度的增加换能器的声压逐渐减小。