壓電單晶彎張換能器研究

陳 思，藍 宇，顧鄭強

(哈爾濱工程大學 水聲技術實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

換能器的發(fā)展是與功能材料的發(fā)展密不可分的.大尺寸、高質(zhì)量的弛豫鐵電單晶鈮鎂酸鉛－鈦酸鉛((1－x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，PMNT)和鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛((1－x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，PZNT)的生長成功是無機功能材料領域里的一項重要突破［1］.新型弛豫鐵電單晶在準同型相界(morphotropic phase boundary，MPB)附近具有非常優(yōu)異的壓電性能，引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注.美國海軍水下作戰(zhàn)中心、賓夕法尼亞大學等機構［2-4］均開展了弛豫鐵電單晶材料及相應水聲換能器的性能研究工作;國內(nèi)的北京大學、杭州第七一五研究所等單位［5-7］也開展了相關研究，獲得了一些有益的結果.

本文利用有限元軟件ANSYS設計并制作了一個以PMNT單晶為驅(qū)動元件的Ⅳ型彎張換能器.期望通過本文的研究，進一步了解單晶材料的特性、單晶換能器的性能，并通過有機結合彎張換能器的振幅放大效應和單晶優(yōu)異的壓電性能制作出性能更加優(yōu)異的水聲換能器.

1 弛豫鐵電單晶及其性能

新型弛豫鐵電單晶是指以鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMNT)和鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛(PZNT)為代表的一類具有復合鈣鈦礦結構的固溶體單晶，其在準同型相界(MPB)附近具有非常優(yōu)異的壓電性能.壓電常數(shù)d33達到2 000 pC/N，機電耦合系數(shù)k33達到90%以上，其最大應變量比通常的壓電陶瓷高出10倍以上，達到了1.7%.

表1是弛豫鐵電單晶PMNT同常用的壓電陶瓷PZT-4的性能比較表［8］.由于受生長方法、加工工藝、測量等因素的影響，即使是同一成分的PMNT單晶，不同文獻報道的性能結果也存在較大的波動［9-10］.本文采用的是上海硅酸鹽研究所提供的PMNT69/31單晶.

通過對弛豫鐵電單晶材料的分析研究，發(fā)現(xiàn)PMNT單晶與PZT壓電陶瓷相比存在如下優(yōu)點:

1)弛豫鐵電單晶PMNT的介電常數(shù)大于PZT-4，因此作為發(fā)射換能器的換能材料有效降低了換能器的阻抗，易于實現(xiàn)阻抗匹配.

2)PMNT的壓電常數(shù)、機電耦合系數(shù)均大于PZT-4，有利于獲得較大的應變、擴展水聲換能器的工作頻帶;在對PMNT單晶施加一定的直流偏置的前提下，施加相同的交流驅(qū)動時，單晶材料的能量密度約為PZT的15倍［11］，這將有利于提高換能器的功率容量.

3)PMNT的恒電場條件下的柔性常數(shù)分量SE33，約為PZT-4的1/5，對于縱振動換能器來說，更易于獲得較低的諧振頻率或減小換能器的尺寸.

但是PMNT單晶也存在一定的不足，如:弛豫鐵電單晶在材料均勻性和一致性方面存在一定的不足，材料受組分變化性能有很大差異;其在準同型相界附近的居里溫度和三方、四方相變溫度較低［12］，這對換能器的制作工藝提出了新的要求，也在某種程度上限制了單晶換能器的應用.

表1 弛豫鐵電單晶PMNT與PZT-4的部分材料參數(shù)比較Table 1 The comparison between part of the material parameters of relaxor ferroelectric single crystal PMNT and PZT-4

2 換能器的理論分析

Ⅳ型彎張換能器是水聲領域一類典型的低頻大功率換能器［13］，圖1為典型Ⅳ型彎張換能器的結構示意圖，彎張換能器殼體通常為一橢圓管.有源材料堆或棒沿橢圓管的長軸緊密安裝于殼體內(nèi)部，利用其縱向伸縮振動激勵殼體作彎曲振動，耦合成彎曲伸張振動模式，向外輻射聲能［14］.

圖2 換能器1/8有限元模型Fig.2 The 1/8 finite element model of the transducer

圖1 典型Ⅳ型彎張換能器的結構示意圖Fig.1 The configuration of a typical classⅣflextensional transducer

應用有限元軟件ANSYS分別對PMNT和PZT-4作為驅(qū)動材料的Ⅳ彎張換能器進行有限元分析.建立Ⅳ型彎張換能器有限元模型.Ⅳ型彎張換能器的主要結構包括殼體、過渡結構(這里采用硬鋁材料)和驅(qū)動元件(這里采用PMNT和PZT-4).金屬殼體和過渡結構的單元類型選擇SOLID45，材料參數(shù)需要輸入硬鋁的楊氏模量、泊松比和密度;驅(qū)動元件的單元類型選擇SOLID5，材料參數(shù)輸入PMNT和PZT-4的介電常數(shù)、壓電常數(shù)、彈性系數(shù)和密度，然后進行網(wǎng)格劃分.由于Ⅳ型彎張換能器的結構具有空間對稱性，因此，只需建立換能器的1/8有限元模型，如圖2所示.空氣中有限元模型共有1 073個單元，1 168個節(jié)點.

2.1 空氣中模型分析

對Ⅳ型彎張換能器進行空氣中的模態(tài)分析，得到換能器的固有頻率和振型.圖3為單晶換能器一階彎曲振動的位移矢量圖，模態(tài)頻率為2.88 kHz.同樣對PZT-4彎張換能器進行模態(tài)分析，得到PZT-4換能器一階彎曲振動的模態(tài)頻率為3.47 kHz.

圖3 換能器第一階模態(tài)的位移矢量圖Fig.3 The figure of the displacement vector for the first mode of the transducer

圖4 換能器空氣中導納曲線Fig.4 The admittance curves of the transducers in the air

彎張換能器輻射面的特殊形狀決定了這類換能器結構所具有的振幅放大效應，短軸方向的位移通常為長軸方向的2～4倍，可以產(chǎn)生較大的體積位移.

諧波響應分析是用于確定線性結構在承受隨時間按正弦(簡諧)規(guī)律變化的載荷時穩(wěn)態(tài)響應的一種技術.將諧波響應分析用于換能器的分析時，對換能器的晶堆施加不同頻率的交流電載荷，可以得到諸如換能器的電導納曲線、發(fā)送電壓響應曲線等一系列表征換能器性能的重要參數(shù).

對Ⅳ型彎張換能器進行空氣中的諧波響應分析，得到換能器的空氣中的導納曲線，如圖4所示.PMNT換能器空氣中諧振頻率為2.88 kHz，諧振時的電導值為24 mS;PZT-4換能器空氣中諧振頻率為3.47 kHz，諧振時的電導值為1.7 mS.

2.2 水中模型分析

建立換能器水中的有限元模型，對其進行諧波響應分析.在水中的諧波響應分析中，除了上述單元和材料，還需要FLUID30流體單元用來模擬水介質(zhì)，F(xiàn)LUID130聲吸收單元用來模擬無限吸收邊界;添加材料類型水，需要輸入水的聲速和密度參數(shù).還需要施加流固耦合等邊界條件來模擬換能器在水中的振動傳遞情況等.建立的水中有限元模型共有13 195個單元，14 370個節(jié)點.

通過計算，得到換能器水中的導納曲線，如圖5所示.PMNT換能器水中諧振頻率為2.0 kHz，諧振峰處電導值為1.20 mS;PZT-4換能器水中諧振頻率為2.4 kHz，諧振峰處電導值為0.13 mS.

通過計算，得到換能器的發(fā)送電壓響應曲線如圖6所示.PMNT換能器的最大發(fā)送電壓響應值136 dB(參考級0 dB:1 μPa/V，1 m處)，諧振頻率2.0 kHz;PZT-4換能器最大發(fā)送電壓響應值129 dB，諧振頻率2.4 kHz.

圖5 換能器水中導納曲線Fig.5 The admittance curves of the transducers in the water

圖6 PMNT和PZT-4換能器的發(fā)送電壓響應曲線Fig.6 The transmitting voltage response of the transducers of PMNT and PZT-4

3 換能器的制作與測量

3.1 換能器的制作

根據(jù)以上有限元模型，分別制作了結構尺寸相同的PMNT彎張換能器和PZT-4彎張換能器.換能器的主要尺寸為:彎張殼長軸長130 mm，短軸長52 mm，殼高40 mm;晶片尺寸為Φ16 mm×3 mm.

3.2 換能器的測量

換能器水中測量是在非消聲水池進行的，水池的尺寸為12 m×5 m×4 m.發(fā)射換能器與標準水聽器的間距為1.13 m，吊放深度2 m.彎張換能器的導納測量使用了HP4194A阻抗分析儀.圖7給出了測量得到的PMNT彎張換能器和PZT-4彎張換能器水中的導納曲線.制作的PMNT換能器水中諧振頻率為1.7 kHz，諧振峰處電導值為0.76 mS;制作的PZT-4換能器水中諧振頻率為2.0 kHz，諧振峰處電導值為0.12 mS.

圖8給出了測量得到的PMNT彎張換能器和PZT-4彎張換能器發(fā)送電壓響應曲線.PMNT換能器的最大發(fā)送電壓響應值132 dB;PZT-4換能器的最大發(fā)送電壓響應值127 dB.

圖7 換能器水中導納測試曲線Fig.7 The tested admittance curves of the transducers in the water

圖8 PMNT和PZT-4換能器的發(fā)送電壓響應測試曲線Fig.8 The tested transmitting voltage response of the transducers of PMNT and PZT-4

將以上有限元分析以及對換能器樣機的測量得到的PMNT、PZT-4換能器的部分電聲性能列于表2.

表2 PMNT、PZT-4彎張換能器的電聲性能比較Table 2 The comparison of electroacoustic capabilities between PMNT and PZT-4 flextensional transducers

通過比較分析得到:同種結構尺寸的Ⅳ型彎張換能器，利用PMNT做驅(qū)動材料相比PZT-4，諧振頻率降低17%，諧振時的電導值大5倍，獲得的發(fā)送電壓響應高5 dB.

4 結論

本文利用有限元軟件ANSYS，設計并制作了一個諧振頻率為1.7 kHz，最大發(fā)送電壓響應為132 dB的PMNT彎張換能器.與制作的相同尺寸的PZT-4彎張換能器相比:

1)PMNT換能器的諧振頻率低17%.

2)諧振時的電導值大5倍.

3)獲得的發(fā)送電壓響應高5dB，且單晶材料具有更大的能量密度，應用在低頻大功率主動聲吶中具有優(yōu)勢.

進一步的工作可針對弛豫鐵電單晶材料的特點設計新型水聲換能器，以及研究施加直流偏置電場對單晶換能器性能的影響.

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