基于剪切振动模态的弯张换能器研究

靳少佳，秦 雷

(北京信息科技大学 北京市传感器重点实验室，北京 100192)

0 引言

压电材料作为换能器是实现能量相互转换的关键敏感元件，在现代水声探测、超声无损检测以及能量收集等领域发挥着重要作用。目前绝大多数的高性能压电材料都应用其d33模态进行能量转换，因为其具有制备工艺简单、压电性强、机电耦合系数大的特点。但目前对于d33模态的应用已经达到其理论极限值，进一步提升性能的可能性较低，很难再有新的突破。剪切振动模态是压电材料所具有的几种基本振动模态之一，其极化方向和电场方向垂直分布。对于某些特有的陶瓷以及压电单晶的部分切型，d15剪切振动模态相较于d33纵向、d31横向伸缩振动模态，具有更高的机电耦合系数和压电常数；但由于压电材料剪切振动模态形变为切向的，导致声辐射面上各点位移具有不同的相位，无法有效地辐射声波。目前国内外尚未将压电材料剪切振动模态应用于水声换能器领域，研究主要集中在能量收集、超声、压电致动器和压电换能器等方面。曾洲等[1]提出了一种基于剪切模式的悬臂梁低频驱动复合结构压电能量收集器，通过悬臂梁和夹层结构共同作用对PMN-PT晶体实施剪切，在质量为13.5 g、激励加速度为1g和激励频率为40.5 Hz的情况下，该装置能产生60.8 V的电压和10.8 mW/cm3的功率密度，取得了较高的输出功率。鹿存跃等[2]应用压电陶瓷d15模态逆压电效应有助于扩大定子振幅这一特性，提出了一种新的切变型弯曲振动的压电陶瓷柱元件，并应用于弯曲摇头型超声波电动机中，驱动效率大幅提高，证明其在发展大应变、微型化超声波电动机方面有较好的应用前景。高翔宇等[3]提出一种工作于剪切模式的适用于大机械载荷精密驱动多层圆柱形压电致动器。该压电致动器由沿轴向以正极和负极交替极化的压电陶瓷环并联组成，与工作于其他模式的致动器相比，最大驱动力提高了7倍。胡军等[4]应用压电陶瓷的d15模态构成压电圆管，通过其剪切振动带动磁性材料旋转，从而形成磁电耦合，与之前的非d15模态换能器相比能量密度大幅提高。苗鸿臣等[5]提出一种由一系列等距面内剪切d24PZT元件组成的压电环形换能器阵列，用于激励和接收管状结构中单模态的非频散扭转导波T(0，1)，在无损检测(NDT)与结构健康监测(SHM)领域取得突破性进展。Trindade等[6]应用d15模态设计了一种复合材料，在不减小压电应变常数d15和介电常数的情况下，将压电电压常数e15和剪切模量降低了90%。

本文针对剪切振动不适宜向水中发射声波的缺点，设计了一种新型的基于剪切振动模态的水声弯张换能器。压电陶瓷产生的剪切振动通过弯张金属结构体上的过渡结构传递到弯张金属壳体，激励金属壳体作弯张振动，实现压电陶瓷剪切振动到金属壳体弯曲振动的转化，进而实现声波辐射。本文预期研发的换能器样机发射电压响应≥150 dB，带宽≥20 kHz。

1 剪切型换能器振子结构

本文设计的剪切型压电弯张换能器振子结构如图1(a)所示，该振子由压电陶瓷块和金属结构体组成。课题组前期研究了压电陶瓷尺寸参数对剪切振动性能的影响，确定了压电陶瓷极化和电场方向尺寸之比接近1：1.2时，机电耦合系数达到最大值[7]。因此本文选用长12 mm(电场方向)、宽10 mm(极化方向)、厚7 mm的PZT-5A型压电陶瓷块。金属结构体由支撑结构、梯形振动过渡支架和弯张外壳一体加工而成，弯张外壳是等厚的，外观上与IV型弯张换能器壳体形状较为类似。综合传递效果和降低声阻抗等方面考虑，金属结构体材料选用密度较低的硬铝。压电陶瓷块接缝处表面与金属结构体用环氧粘合。

图1(b)为压电振子的振动模态示意图，P为极化方向，E为电场方向，虚线为压电陶瓷在电场激励下产生的形变。压电陶瓷的电场方向沿X轴正向和X轴负向对称排列，极化方向沿着Z轴分布。由于压电陶瓷的电场方向垂直于极化方向，所以会激发压电陶瓷的d15振动模态，即在EP组成的平面内产生剪切振动。两块压电陶瓷的共同作用可以带动梯形过渡支架产生振动，这种振动再通过过渡支架传递到弯张外壳，激励外壳产生更大幅度的弯曲振动产生声辐射，从而实现压电陶瓷剪切振动到金属外壳弯张振动的转化，提高声辐射的面积。同时，由于弯张外壳和梯形过渡支架相连接，当施加一定的声压作用在外壳上表面时，该结构可以增大陶瓷块表面所受的应力，进而通过应力放大效应提高接收灵敏度。

2 有限元仿真分析

有限元方法是分析和设计水声换能器常用的一种有效方法。本文利用有限元软件ANSYS对剪切型换能器压电振子的振动形态和结构参数进行仿真分析和设计。首先选取两块电场方向对称粘接排列的压电陶瓷作为一组振动基元，对其进行仿真分析。利用ANSYS软件对振动基元进行实体建模，指定单元类型为三维耦合场固体单元Solid5，定义压电陶瓷的密度、刚度矩阵、压电常数矩阵、介电常数矩阵等参数。综合考虑仿真的精度和计算速度，采用1 mm的网格边长，网格类型采用六面体单元，进行网格划分。在两块压电陶瓷的粘接面施加0 V的电压，两个侧面施加1 V的电压，并耦合在各自表面的一个节点上。在谐响应分析中，频率范围设为60～120 kHz，恒定阻尼系数设为0.02，进行求解计算。利用ANSYS软件的后处理模块得到陶瓷电极面上的电荷量Q，再通过积分计算出电流I，根据公式I/V计算得到振动基元的电导曲线如图2所示。由电导曲线可以看出，振动基元的谐振频率为97.45 kHz。谐振频率处的振动模态如图3所示，图中颜色的深浅表征了振动位移量的大小，深色区域为振动位移最大点，最大位移达到6.11×10-9m。可以看出，两块压电陶瓷都激发了剪切振动模态，且在剪切振动的带动下，两块陶瓷的接缝处出现交替的波峰和波谷，振动幅度达到4.59×10-9m。本文拟将上述波峰振动通过过渡支架结构传递到换能器金属外壳，从而激励外壳产生弯张振动，实现振动能量的转化。

换能器的压电振子由压电陶瓷块和金属外壳粘接而成，粘接材料为环氧树脂。由于粘接层为一薄层，建模中忽略其影响，以简化计算。有限元分析中在陶瓷块侧面施加电压，对该压电振子进行模态分析，得到其工作模态如图4所示。由图可见，陶瓷块产生的剪切振动通过过渡支架传递到振子弯张外壳的表面，这与设计方案一致，证实了该结构可完成机电转化过程，实现压电陶瓷剪切振动到外壳弯张振动的转化。并且对比振动幅度可知：图4中A点振动幅度达到4.74×10-9m，与图3中A点振幅相比增加3.27%，这是由于弯张换能器外壳支持作用改变了压电陶瓷边界条件。图4中B点振动幅度达到1.22×10-8m，与图4中A点相比振幅增大157.38%。证明这种弯张结构实现了振动幅度的放大。同时弯张结构将A点处较小的振动面积扩展到弯张壳体的较大面积上，进一步提高了声辐射性能。

3 振子制备与测试

本文采用精密切割和机械加工粘接的方法制备剪切型换能器的压电振子，其制备工艺流程如图5所示。首先将一整块的PZT-5A型压电陶瓷去除上下表面电极后切割为最优尺寸参数的多个陶瓷块。然后在平行于极化方向的陶瓷块两个侧面上采用银漆法涂覆导电银浆，并放于150°烘箱中进行烘干，完成其表面电极层的制备。待烘干后将两块陶瓷块的电极面用环氧树脂粘接。最后将机械加工好的硬铝外壳粘接在陶瓷块的接缝处，并引出电极，构成压电振子。

利用阻抗分析仪测量振动基元的电导曲线如图6所示。将其与图2的仿真电导曲线对比可以看出，通过实测得到的谐振峰的频率为96.9 kHz，与仿真结果97.45 kHz基本一致，误差小于1%。实测与仿真的电导随频率的变化趋势也基本吻合。

通过激光测振仪观察振动基元和压电振子表面的振动形态。如图7所示，所测试的表面为振动基元和压电振子的上表面也就是做成换能器后的声辐射面。图中深色区域表示此时振动方向为z轴正向，浅色区域表示振动方向为z轴负向。图7(a)中，振动位移的最大值出现在基元的中间，也就是两块陶瓷片的粘接处。在0°相位时，振动基元中间部分振动方向为正，两侧部分振动方向为负；而在180°相位时，情况正相反。这正是典型的剪切振动形态，与图3给出的仿真结果一致。图7(b)为振动基元与弯张外壳粘接在一起后的振动模态。观察外壳上辐射表面的振动情况，可以看出与图7(a)不同，振动位移的最大值出现在梯形过渡支架的两侧。通过与图4仿真结果对比发现，其振动模态为薄外壳的弯曲振动，由此可以看出这种结构达到了将剪切振动转化为外壳弯张振动的目的。

4 换能器阵列制作与测试

本文制备的剪切型换能器阵内部结构如图8所示，为一个4×15的矩形换能器阵列，主要包括15个阵元、不锈钢定位板以及不锈钢出线盒。首先将4个压电振子等距横向排列粘接在有机玻璃定位条上，各振子间陶瓷电极面用导线并联焊接引出正负极，为防止导线脱落，使用少量的环氧树脂固化于接触点上，形成一个阵元。共制备了15个阵元，表1给出了这些阵元的电导值和准静态电容。从表中数据可以看出，阵元电导值和准静态电容相对偏差均小于1%，阵元一致性较好。然后将这15个阵元等距并排排列固定于不锈钢定位板，将阵元所有引线通过出线盒连接在输出电缆上，出线盒装配防水胶圈。最后将其放入灌注模具并用聚氨酯水密封装。该换能器阵列的辐射面积为120 mm×240 mm。

换能器阵列的相关电声参数在中船重工集团公司长城无线电厂的消声水池进行测试。发射电压响应测试结果如图9所示。可以看出，该换能器阵列在频率101 kHz处产生158.3 dB的发射电压响应峰值。在82～113 kHz范围内其发射电压响应起伏小于6 dB。

如图10所示，该换能器阵在谐振频率72 kHz处接收灵敏度达到最大值-195.7 dB，在66～114 kHz频率范围内，其接收电压灵敏度为-196 dB(起伏3 dB)。

表1 各阵元样品的电学性能

5 结束语

本文提出了一种基于剪切振动模态的弯张换能器设计方案。通过创新的结构设计，将压电陶瓷的剪切振动转化为振子金属外壳的弯张振动，实现了利用压电陶瓷的剪切振动模态产生声波辐射。实验结果表明，换能器阵在辐射面积为120 mm×240 mm时，发射电压响应达到158.3 dB(101 kHz)，工作频率范围在82～113 kHz，带宽达到31 kHz。接收电压灵敏度在66～114 kHz频率宽度内起伏小于3 dB，达到了最初的设计要求，满足了工程需求。该类型换能器的研发为水声发射换能器、水听器以及压电俘能器等提供了新的设计思路。