一種寬頻帶壓電單晶換能器設(shè)計(jì)

劉一鳴, 田豐華,2, 宋 哲, 王 濤, 呂林夏

一種寬頻帶壓電單晶換能器設(shè)計(jì)

劉一鳴1, 田豐華1,2, 宋 哲1, 王 濤1, 呂林夏1

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 陜西 西安, 710049)

為提高復(fù)合棒換能器的低頻性能、工作帶寬、發(fā)送電壓響應(yīng)和接收靈敏度, 文中以鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)壓電單晶作為驅(qū)動(dòng)元件, 利用匹配層技術(shù)拓展帶寬, 設(shè)計(jì)了寬頻帶壓電單晶換能器。利用有限元軟件分別建立壓電單晶換能器和相似規(guī)格的壓電陶瓷換能器的有限元模型, 完成了對(duì)PMN-PT單晶材料性能的量化評(píng)估。水池測(cè)試表明, 利用PMN-PT單晶材料作驅(qū)動(dòng)元件的寬帶換能器與鋯鈦酸鉛壓電陶瓷PZT-4相比, 頻率更低, 帶寬更寬, 發(fā)送電壓響應(yīng)提高3~5 dB, 接收靈敏度提高1~12 dB, 可有效提高換能器的水聲探測(cè)能力。

復(fù)合棒換能器; 壓電單晶; 匹配層; 有限元; 寬頻帶

0 引言

現(xiàn)有研究表明, 聲波是大海里唯一能夠遠(yuǎn)距離傳遞信息和能量的載體, 而水聲換能器作為聲波產(chǎn)生、發(fā)射和接收的裝置, 已成為水聲技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵部件。隨著信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展, 為提高探測(cè)能力需要獲取更多的信息, 這就對(duì)換能器的聲學(xué)性能提出了更高的要求, 而新功能材料的使用是水聲換能器性能提升的關(guān)鍵因素。

壓電單晶材料自問世以來, 便以其優(yōu)越的性能成為聲學(xué)換能器的研究熱點(diǎn)。1981年, Kuwata等[1]采用助溶劑法生長(zhǎng)出達(dá)到壓電測(cè)試尺寸要求的鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛(PZN-PT)材料, 測(cè)得其壓電常數(shù)33=1500 pC/N, 機(jī)電耦合系數(shù)33=90%。接著, 美國(guó)賓州大學(xué)和中科院上海硅酸鹽研究所的專家們, 分別采用不同方法生長(zhǎng)出了大尺寸、高質(zhì)量的弛豫鐵電單晶材料[2-3]。之后, 國(guó)內(nèi)外專家陸續(xù)開展了對(duì)單晶換能器的技術(shù)研究。Tressler等[4-5]用鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)單晶材料, 鋯鈦酸鉛壓電陶瓷PZT-4和PZT-5H材料分別制作了cymbal換能器基陣, 得出壓電單晶換能器的聲源級(jí)相對(duì)于PZT換能器至少大4 dB的結(jié)論; 獲得同樣的聲功率, 單晶換能器所需的電壓-電流乘積僅是PZT換能器的1/3; 單晶換能器在大驅(qū)動(dòng)下工作1~2小時(shí), 聲性能沒有明顯下降。Shrout等[6]分別制作了PMN-PT單晶和1-3型壓電復(fù)合材料超聲換能器, 驗(yàn)證了單晶換能器具有更好的寬帶特性和靈敏度。Meyer等[7]用單晶材料和PZT-8材料分別制作了同結(jié)構(gòu)尺寸的復(fù)合棒換能器, 在保證相近頻率工作的前提下, 單晶換能器的尺寸減小30%, 發(fā)射和接收響應(yīng)更高并且發(fā)射效率更高。在國(guó)內(nèi), 孟洪[8]和鄭信雄[9]等也開展了弛豫鐵電單晶材料在水聲換能器方面的應(yīng)用研究?？梢? 新型壓電單晶材料具有許多優(yōu)點(diǎn), 其應(yīng)用也可大幅度提高換能器各方面的性能, 是新一代換能器的理想功能材料。

為了提高換能器的收發(fā)性能和拓展換能器的工作帶寬, 文中采用PMN-PT作為換能器驅(qū)動(dòng)材料, 運(yùn)用匹配層技術(shù)拓展帶寬, 研制了一種寬頻帶壓電單晶換能器。并通過有限元軟件對(duì)壓電單晶換能器和相似規(guī)格的壓電陶瓷換能器進(jìn)行仿真對(duì)比, 以對(duì)寬頻帶壓電單晶換能器的水聲探測(cè)能力進(jìn)行評(píng)估。

1 新型弛豫鐵電單晶材料及其性能

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn), PMN-PT單晶材料與PZT-4壓電陶瓷相比具有以下優(yōu)點(diǎn): 1) PMN-PT的相對(duì)介電常數(shù)大于PZT-4, 以其作為換能器的驅(qū)動(dòng)材料能夠降低換能器的阻抗, 更易于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配; 2) PMN-PT的柔性常數(shù)大于PZT-4, 易于獲得較低的諧振頻率或者減小換能器的尺寸; 3) PMN- PT的壓電應(yīng)變常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)均大于PZT- 4, 有利于使換能器獲得較大的應(yīng)變, 擴(kuò)展工作帶寬。

表1 PMN-PT與PZT-4部分性能參數(shù)對(duì)比

表2 PMN-PT與PZT-4彈性常數(shù)對(duì)比

表3 PMN-PT與PZT-4壓電應(yīng)力常數(shù)對(duì)比

表4 PMN-PT與PZT-4相對(duì)介電常數(shù)對(duì)比

但是壓電單晶材料矯頑場(chǎng)較低, 退極化場(chǎng)低, 居里溫度較低, 抗壓強(qiáng)度也較低, 這些弱點(diǎn)需要在設(shè)計(jì)制作過程中去研究解決。

2 理論分析

圖1 復(fù)合棒換能器機(jī)電等效圖

機(jī)械共振頻率為動(dòng)態(tài)回路中總電抗等于零時(shí)的頻率。其中總電抗為

圖2 左(右)半部分機(jī)電等效圖

前后蓋板假設(shè)為等截面細(xì)棒, 其等效機(jī)械阻抗為

若置于空氣中, 則其等效機(jī)械阻抗為

所以可得頻率方程為

3 2種換能器仿真比較

文中通過有限元軟件分別對(duì)相似規(guī)格的壓電單晶換能器和壓電陶瓷換能器進(jìn)行仿真。在建立模型過程中忽略粘接層、電極片等對(duì)性能影響較小的結(jié)構(gòu)。由于方頭復(fù)合棒換能器屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu), 所以只建立1/4的3D換能器結(jié)構(gòu)。前蓋板選用密度較小的硬鋁, 后質(zhì)量塊選用密度較大的銅, 預(yù)應(yīng)力螺桿選用韌性較好的鋼。

2種換能器前蓋板和后質(zhì)量塊的尺寸完全一致。2種壓電材料片的外徑相同, 壓電單晶PMN- PT的內(nèi)徑比壓電陶瓷PZT-4的小2 mm, 厚度比壓電陶瓷小2 mm, 并且2種換能器的壓電材料片數(shù)均為4。2種換能器的匹配層橫截面積完全一樣, 壓電單晶換能器的匹配層厚度比壓電陶瓷換能器小2 mm, 其中匹配層的材料參數(shù)見表5。為了綜合提升壓電單晶換能器的聲學(xué)性能, 將4片壓電單晶片采用串并串的連接方式, 這樣在換能器諧振頻率不變的情況下, 使得換能器的電容變小, 阻抗變大, 從而提高換能器的接收性能。通過上述結(jié)構(gòu)參數(shù)完成對(duì)壓電單晶換能器和相似結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷換能器的建模分析。換能器有限元模型如圖3所示。

表5 匹配層材料參數(shù)

圖3 換能器有限元模型

3.1 無匹配層仿真結(jié)果

無匹配層的2種換能器在空氣中的電導(dǎo)值有限元仿真對(duì)比曲線見圖4, 橫坐標(biāo)為諧振頻率。

圖4 無匹配層壓電單晶換能器和壓電陶瓷換能器電導(dǎo)值有限元仿真曲線

3.2 帶有匹配層仿真結(jié)果

帶有匹配層的2種換能器在空氣中的電導(dǎo)值有限元仿真對(duì)比曲線如圖5所示, 可以看出: 壓電單晶換能器第1階諧振頻率為21.3 kHz, 第2階諧振頻率為44.3 kHz, 而壓電陶瓷換能器第1階諧振頻率為22.7 kHz, 第2階諧振頻率為43 kHz。PMN-PT單晶換能器諧振頻率處的電導(dǎo)值更高, 第1階諧振頻率更低。

圖5 帶有匹配層壓電單晶換能器和壓電陶瓷換能器電導(dǎo)值有限元仿真曲線

帶有匹配層的2種換能器在水域中的發(fā)送電壓響應(yīng)(transmitting voltage response, TVR)有限元仿真對(duì)比曲線見圖6。從圖可知: 壓電單晶換能器在17.8~42.2 kHz頻帶內(nèi), TVR大于134.2 dB, 起伏小于6 dB, 比壓電陶瓷大3~5 dB, –6 dB帶寬向兩端拓展1.6 kHz, 故PMN-PT單晶材料的復(fù)合棒換能器發(fā)射性能更好。其中, 單晶材料壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)都大于PZT-4材料, 更利于復(fù)合棒換能器獲得較大的應(yīng)變和拓展換能器的工作帶寬。

帶有匹配層的2種換能器在水域中的接收靈敏度有限元仿真對(duì)比曲線如圖7所示, 可以看出: 壓電單晶換能器在21~43.2 kHz頻帶內(nèi)自由場(chǎng)接收靈敏度大于–172.3 dB, 起伏小于6 dB, 其比壓電陶瓷換能器高1~12 dB, –6 dB帶寬向兩端拓展了7.6 kHz, 所以PMN-PT單晶材料的復(fù)合棒換能器接收性能更好。

圖6 壓電單晶換能器和壓電陶瓷換能器發(fā)送電壓響應(yīng)有限元仿真曲線

圖7 壓電單晶換能器和壓電陶瓷換能器接收靈敏度有限元仿真曲線

4 壓電單晶換能器的制作與測(cè)試

4.1 壓電單晶換能器的制作

4.2 壓電單晶換能器的測(cè)試

將制作好的壓電單晶換能器進(jìn)行封裝, 以確保在水中的密封性和絕緣性。借助自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng), 在消聲水池對(duì)PMN-PT壓電單晶換能器進(jìn)行聲學(xué)性能測(cè)試。

圖8 壓電單晶換能器實(shí)物

測(cè)試水中的TVR曲線見圖9, 最大TVR為139.6 dB, 在18~42 kHz頻帶內(nèi), TVR大于134 dB, 起伏小于6 dB。測(cè)試水中的接收靈敏度曲線如圖10所示, 最大為–166 dB, 在19~44 kHz頻帶內(nèi)自由場(chǎng)大于–172 dB, 起伏小于6 dB。

圖9 壓電單晶換能器TVR曲線

圖10 壓電單晶換能器接收靈敏度曲線

4.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

為驗(yàn)證PMN-PT壓電單晶材料參數(shù)的可靠性及與對(duì)應(yīng)換能器結(jié)構(gòu)的匹配度, 文中對(duì)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析, 如圖11和圖12所示。測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果略有差異, 原因包括: 實(shí)際的PMN-PT單晶材料的性能參數(shù)和仿真材料參數(shù)略有差異; 在換能器各部分的制作過程中, 實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸存在差異; 各部分連接可能存在非剛性連接等。整體而言, 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性。

圖11 發(fā)送電壓響應(yīng)實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比曲線

圖12 接收靈敏度實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比曲線

5 結(jié)束語

文中通過有限元仿真對(duì)相似結(jié)構(gòu)的PMN-PT壓電單晶復(fù)合棒換能器和PZT-4壓電陶瓷復(fù)合棒換能器進(jìn)行了分析比較, 并研制了PMN-PT壓電單晶換能器, 然后對(duì)其進(jìn)行水池測(cè)試, 證明仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性。通過有限元軟件仿真對(duì)比分析表明: 相似結(jié)構(gòu)下, PMN-PT單晶材料復(fù)合棒換能器的低頻性能、工作帶寬、發(fā)射和接收性能都優(yōu)于PZT-4陶瓷材料的復(fù)合棒換能器, 所以PMN-PT材料能夠有效地提高換能器的水聲探測(cè)能力。結(jié)合不同的應(yīng)用背景和需求, 后續(xù)還需開展PMN-PT壓電單晶換能器的功率老化、抗振動(dòng)沖擊能力及相應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)性研究。

[1] Kuwata J, Uchino K, Nomura S. Phase Transitions in the Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3System[J]. Ferroelectrics, 1981, 37(1): 579-582.

[2] Shrout T R, Chang Z P, Kim N, et al. Dielectric Behavior of Single Crystals Near the (l-X)Pb(Mgl/3Nb2/3)O3-(x) Pb TiO3Morphotropic Phase Boundary[J]. Ferroelectrics Let- ters Section, 1990, 12(3): 63-69.

[3] 李國(guó)榮, 羅豪甦, 殷慶瑞. PMN-PT馳豫鐵電單晶及其超聲換能器性能研究[J]. 無機(jī)材料學(xué)報(bào), 2001, 16(6): 1077-1083. Li Guo-rong, Luo Hao-su, Yin Qing-rui. PMN-PT Ferroelectric Relaxor Crystal and Its Ultrasonic Transducer[J]. Journal of Inorganic Materials, 2001, 16(6): 1077-1083.

[4] Tressler J F, Howarth T R. Cymbal Drivers Utlizing Relaxor-based Ferroelectric Single Crystal Materials[C]// Proceedings of the 2000 12th IEEE International Symposium on, Honolulu, USA: IEEE, 2000.

[5] Tressler J F, Howarth T R, Huang D H. A Comparison of the Underwater Acoustic Performance of Single Crystalvs Piezoelectric Ceramic Based Cymbal Projectors[C]//. Oceans 2003,San Diego, USA: IEEE,2003.

[6] A?lvarez-Arenas T E G, Shrout T R, Zhang S J, et al. Air- coupled Transducers Based on 1-3 Connectivity Single Crystal Piezocomposites[C]//2012 IEEE Ultrasonics Sym- posium. Madrid, Spain: IEEE, 2012.

[7] Meyer Jr R J, Montgomery T C, Hughes WJ. Tonpilz Transducers Designed Using Single Crystal Piezoelectr- ics[C]//Oceans 2002 MTS/IEEE, Beijing, China: IEEE, 2002.

[8] 孟洪, 俞宏沛, 羅豪甦. PMNT及其在水聲換能器中的應(yīng)用[J]. 聲學(xué)與電子工程,2004(73): 22-26. Meng Hong, Yu Hong-pei, Luo Hao-su. PMNT and Its Application in Underwater transducer[J]. Acoustics and Electrical Engineering, 2004(73): 22-26.

[9] 鄭信雄, 趙榮榮, 劉振君, 等. 壓電單晶Ⅲ型彎張換能器研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2016, 35(4): 548-550.Zheng Xin-xiong, Zhao Rong-rong, Liu Zhen-jun, et al. The Research of a Single Crystal Piezoelectric Class ⅢFlextensional Transducer[J]. Technical Acoustics, 2016, 35(4): 547-550.

[10] 欒桂冬, 張金譯, 王仁乾. 壓電換能器和換能器陣[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2005.

Design of a Broadband Piezoelectric Single Crystal Transducer

LIU Yi-ming1, TIAN Feng-hua1,2, SONG Zhe1, WANG Tao1, Lü Lin-xia1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2. School of Information and Communications Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To improve the low-frequency performance, working bandwidth, transmitting voltage response and recei- ving sensitivity of the composite bar transducer, a broadband piezoelectric single crystal transducer is designed with PMN-PT piezoelectric single crystal as the driving element, and the matching layer technology is adopted to expand its bandwidth. The finite element software is employed to establish finite element models of the piezoelectric single crystal transducer and a similar piezoelectric ceramic transducer, and quantitative evaluation of single crystal PMN-PT materials is completed. Pool test shows that compared with the transducer with PZT-4 material, the designed broadband transducer has lower frequency and wider bandwidth, and its transmission voltage response is 3~5 dB higher and receiving sensitivity is 1~12 dB higher, indicating that the designed transducer has better acoustic detection performance.

composite bar transducer; piezoelectric single crystal; matching layer; the finite element; broadband

TJ630; U666.74

A

2096-3920(2020)01-0107-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.015

劉一鳴, 田豐華, 宋哲, 等. 一種寬頻帶壓電單晶換能器設(shè)計(jì)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(1): 107-112.

2019-05-28;

2019-07-09.

劉一鳴(1995-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗晸Q能器與聲系統(tǒng).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)