薄球壳压电换能器设计与制作

袁鹏成，涂其捷，周 瑜

（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

0 引言

进入21 世纪以来，人类进入了大规模开发利用海洋的时期。水声设备在海洋开发中扮演着重要角色。因此，各种使用场景都对水声设备的性能提出了更高的要求。水声换能器是水声设备的重要组成部分，是实现有效电声相互转换的关键。水声换能器在海洋开发中广泛用于水下声学测量、水声通信、水声导航、水下定位以及地形地貌勘探等领域[1-2]。

锆钛酸铅系压电陶瓷具有压电系数高、性能稳定、形状可定制等诸多优点，是一种性能优越的压电材料，在水声换能器中具有广泛的应用。薄球壳换能器是一种以压电薄球壳作为敏感元件的电声转换器件，通常被称为球形换能器，具有结构简单、工作频带宽、低频灵敏度平坦以及全指向性等诸多优点，是一种典型的水声换能器。

1 薄球壳压电换能器声学接收特性

1.1 低频接收灵敏度

本文研究的球形换能器，采用的是径向极化方式的压电薄球壳。根据文献[3]，对于薄球壳压电换能器，当受到声压p0作用时，压电薄球壳内外电极会产生电位差V。球形换能器自由场接收灵敏度M为换能器输出端的开路电压与换能器所处位置声压的比值，其低频接收灵敏度如下：

式中：g33和g31为压电陶瓷材料的压电系数，a为球壳内半径，b为球壳外半径。式（1）表明，球形换能器的接收灵敏度与球壳的厚度及半径相关。引入球壳厚度与外直径的比值t=(b-a)/2b，则式（1）可化为[3]：

参数t∈(0,00.5)，t值越小表示球壳越薄。以PZT-5压电材料为例，将其压电系数g33=25.6×10-3V·m·N-1，g31=-9.6×10-3V·m·N-1代入式（2），可得出|M/b|与t的关系曲线，如图1 所示。

图1 |M/b|与t 的关系

由图1 可知，在压电材料确定的条件下，t不变时，b越大，灵敏度越高；当t不变时，t=0.358 时，灵敏度最小；在t＜0.358 范围内，t越小，灵敏度越高。

1.2 谐振频率

根据文献[4]，薄球壳压电换能器在空气中的谐振频率为：

式中：ρs为材料密度，σE为泊松比，Y11E为杨氏模量，为球壳外形平均半径。由式（3）可知，此压电薄球壳的谐振频率与材料的密度ρs、泊松比σE、杨氏模量Y11E以及球壳外形尺寸平均半径有关。

在水中时，压电球壳换能器外表面与水接触，导致辐射阻抗增加，因此，谐振频率会比在空气中的谐振频率偏低。

2 有限元仿真

通常，为了提高接收灵敏度，可以增加球壳的外径、减小厚度，在实际应用中需要权衡设计。本文的球形换能器所用压电薄球壳外半径b=7.5 mm，厚度ξ=1 mm。薄球壳所用的压电材料为PZT-5，其压电系数g33=25.6×10-3V·m·N-1，g31=-9.6×10-3V·m·N-1，密度ρ=7550kg·m-3，杨氏模量为Y11E=6.0×1010Pa，，泊松比为σE=0.36。利用上述参数采用有限元分析进行仿真计算。

2.1 接收灵敏度仿真

根据球形换能器的结构特点，对模型进行了简化，建立了如图2 所示的二维轴对称结构模型。整个模型主要包括压电薄球壳、透声材料及水域等。

图2 压电球壳二维轴对称简化结构

将薄球壳的参数代入式（1），可以计算得到球形换能器的低频接收灵敏度为-204.0 dB。通过有限元仿真计算得到球形换能器接收灵敏度为-203.7 dB@1 kHz。其频率响应曲线如图3 所示，与数值计算吻合。

图3 球形换能器接收灵敏度响应仿真曲线

2.2 球形换能器谐响应分析

通过谐响应分析，计算该结构模型在20 Hz～200 kHz 频段内水中的电导纳曲线，如图4 所示。从电导纳曲线可知，该结构尺寸下球形换能器的谐振频率为100 kHz，对应的电导值为8.9 mS。按式（3）计算该结构尺寸下球形换能器的谐振频率理论值为113 kHz，仿真结果与数值计算结果接近。

图4 球形换能器水中导纳曲线

3 球形换能器制作及性能测试

3.1 球形换能器制作

在上述分析和仿真的基础上，设计并制作了一个球形换能器。该球形换能器采用外半径为7.5 mm、厚度为1 mm、材料为PZT-5 的薄球壳压电陶瓷。压电球壳内部为空气背衬，外层采用硫化工艺包覆透声橡胶，起到绝缘、密封和保护的作用，并在橡胶中间添加屏蔽层用于提高换能器的接收抗干扰能力。透声橡胶厚度为3.5 mm。球形换能器实物如图5 所示，球形换能器的外直径为22 mm。

图5 球形换能器实物图

3.2 球形换能器性能测试

3.2.1 接收灵敏度测试

本文采用比较法测试球形换能器的接收灵敏度[5]。将制作的球形换能器与已知接收灵敏度的标准水听器利用工装固定于驻波管中同一高度，改变驻波管声源发射频率，记录二者的输出电压，通过计算得到球形换能器的接收灵敏度，结果如图6 所示。由图6 的测试结果可知，该球形换能器在20～2 000 Hz 频率范围的接收灵敏度约为-203.7 dB，与理论值基本吻合，并且在该频段起伏小于±1 dB。

图6 球型水听器实测结果（20～2 000Hz）

对于10～200 kHz 频段，将制作的球形换能器和已知接收灵敏度的标准水听器置于消声水池同一位置处，采用比较法进行高频段接收灵敏度测试。测试结果如图7 所示。由测试结果可知，该球形换能器在高频段测试与仿真结果在80 kHz 以内起伏不超过±2.5 dB。

图7 球型水听器实测结果（10～200 kHz）

3.2.2 发送电压响应测试

制作的球形换能器在上述频段内也可以作为水下声源。在消声水池中，将标准水听器置于球形换能器水平距离1 m 处进行发送电压响应测试，结果如图8 所示。

图8 球型换能器发送电压响应（10～200 kHz）

由图8 可知，实测该球形换能器发送电压响应与仿真结果基本一致，换能器实物发送电压响应最大值在谐振频率96 kHz 处可达到147.6 dB，仿真结果的最大值在谐振频率100 kHz 处可达到150.0 dB。

4 结语

本文采用理论公式与有限元仿真设计相结合的方式对薄球壳压电换能器进行了声学特性分析，在分析计算的基础上，利用径向极化空气背衬的压电薄球壳制作了一球形换能器，并完成了声学性能测试。结果表明，该球形换能器低频接收灵敏度为-203.7 dB；在谐振频率96 kHz 处最大发送电压响应可达147.6 dB。