帶匹配層的復(fù)合材料多圓管同軸堆疊換能器

王宏偉， 趙吉航

(1.北京信息科技大學(xué) 理學(xué)院， 北京 100192； 2.北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 北京 100192)

水聲換能器按工作頻率可分為低頻(低于2 kHz)、中頻(2～100 kHz)和高頻換能器(高于100 kHz)。近年來(lái)對(duì)水聲換能器的研究主要集中在增大發(fā)射功率、拓展工作帶寬、提高指向性或增大波束開(kāi)角、提高發(fā)射電壓響應(yīng)和接收靈敏度及減小換能器體積與重量等方面。中高頻換能器由于尺寸、重量小，分辨率高，定位準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)主要應(yīng)用于三維成像聲吶、魚(yú)探儀、海流剖面儀等精細(xì)成像和小目標(biāo)探測(cè)以及無(wú)人航行器等領(lǐng)域。圓柱狀水聲換能器可將波束開(kāi)角增大到360°，極大地?cái)U(kuò)展了換能器的探測(cè)范圍，成為大開(kāi)角換能器的不二選擇；而為了發(fā)射和接收更多頻率的信號(hào)，拓展換能器帶寬一直是研究的熱點(diǎn)。目前拓展換能器頻帶寬度的方式主要有以下3種[1-2]：1)使用復(fù)合材料降低換能器件的Qm(機(jī)械品質(zhì)因數(shù))值。壓電復(fù)合材料是由壓電相(如PZT)和聚合物相構(gòu)成的，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在壓電復(fù)合材料理論和工藝方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究，總結(jié)出壓電復(fù)合材料具有厚度機(jī)電耦合系數(shù)高、帶寬大、振動(dòng)模態(tài)純凈、聲阻抗小等優(yōu)點(diǎn)[3-8]，此外根據(jù)添加的聚合物不同，壓電復(fù)合材料柔性可控，易于加工成曲面，從而實(shí)現(xiàn)寬波束發(fā)射?？傊捎脡弘姀?fù)合材料作為有源材料可以拓寬換能器的帶寬。2)多模態(tài)耦合技術(shù)。該技術(shù)是換能器展寬帶寬的常用方法[9]。多模耦合方式有多種，如縱振換能器中的縱彎耦合技術(shù)[10]、復(fù)合結(jié)構(gòu)[11]、單端激勵(lì)[12-13]、多質(zhì)量-彈簧振動(dòng)系統(tǒng)[14-15]等，合理設(shè)計(jì)換能器元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其產(chǎn)生2種或2種以上的振動(dòng)模態(tài)并發(fā)生耦合，可以有效地達(dá)到拓展帶寬的目的。3)添加匹配層[14-16]。該技術(shù)也可歸屬于多模耦合理論，一般采用厚度為1/4波長(zhǎng)的匹配層。添加匹配層的主要作用包括3方面：1)阻抗匹配；2)使振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生多諧振動(dòng)達(dá)到拓寬工作頻帶的目的；3)使頻帶內(nèi)發(fā)送電壓響應(yīng)平坦化。在實(shí)際制作過(guò)程中當(dāng)換能器匹配層材料的聲阻抗率不能做到理論要求值時(shí)，可以采用適當(dāng)改變匹配層厚度的方法達(dá)到目標(biāo)[17]。總之，要拓寬換能器的帶寬單靠一種技術(shù)很難達(dá)到預(yù)期效果，通常是將2種或2種以上技術(shù)并用。本文在研制壓電復(fù)合材料曲面成環(huán)工藝，保證換能器水平全向發(fā)射聲波的基礎(chǔ)上，綜合上述的3種拓展換能器頻帶的方式，最大限度地拓寬換能器帶寬。通過(guò)ANSYS有限元仿真軟件對(duì)敏感元件建模仿真，特殊工藝實(shí)現(xiàn)敏感元件疊堆，最終設(shè)計(jì)制作了帶匹配層的復(fù)合材料多圓管同軸堆疊換能器。

1 換能器敏感元件結(jié)構(gòu)

換能器敏感元件是影響換能器諧振頻率和帶寬的重要因素，帶匹配層的多復(fù)合材料圓管同軸堆疊寬帶換能器敏感元件，由3個(gè)不同厚度的復(fù)合材料曲面成環(huán)堆疊后添加匹配層形成。換能器敏感元件的工藝流程如圖 1所示，包括：在不同厚度的壓電陶瓷正面分別沿著x方向和y方向進(jìn)行切割；正面灌注柔性硅膠固化成型；反面對(duì)縫切割壓電陶瓷，設(shè)計(jì)模具彎曲成型，反灌注環(huán)氧樹(shù)脂并固化脫膜成型，制備電極和添加匹配層等。

圖1 換能器敏感元件工藝流程Fig.1 Process flow chart of transducer sensitive element

課題組實(shí)驗(yàn)研究表明[18]，圓環(huán)諧振頻率和帶寬隨著圓環(huán)的壁厚和圓環(huán)高度的增加而降低。制作敏感元件的壓電復(fù)合材料是三相壓電復(fù)合材料，根據(jù)已有理論知識(shí)[19]，當(dāng)研制的換能器作為收發(fā)共用型換能器時(shí)，壓電陶瓷相在復(fù)合材料中的體積比應(yīng)該控制在0.3～0.5，當(dāng)要求換能器有更大的聲波發(fā)射能力時(shí)，壓電陶瓷相在復(fù)合材料中的體積比應(yīng)該為0.3～0.8。對(duì)于聚合物相，考慮到壓電陶瓷的機(jī)電耦合系數(shù)、圓環(huán)曲面成型和固化后環(huán)氧的支撐力等因素的影響，硅橡膠和環(huán)氧樹(shù)脂的比例控制在1∶3附近較為合適。利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)壓電復(fù)合材料圓環(huán)仿真計(jì)算，本文選取的壓電陶瓷厚度分別為3.5、4和4.5 mm，曲面成環(huán)后每個(gè)圓環(huán)外徑相同均為20 mm，內(nèi)徑不同分別為16.5、16和15.5 mm。圖 2所示為壓電復(fù)合材料單圓環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖，壓電復(fù)合材料和聚合物間隔排列組成復(fù)合材料圓環(huán)，每個(gè)圓環(huán)由60個(gè)單元組成，每個(gè)單元包含6個(gè)壓電陶瓷小柱，每個(gè)環(huán)高均為11.55 mm。

圖2 壓電復(fù)合材料單圓環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.2 Piezoelectric composite single ring structure diagram

為了進(jìn)一步達(dá)到拓展帶寬的目的，本文依據(jù)匹配全透射理論在疊堆壓電復(fù)合材料外圍添加了匹配層，使疊堆圓環(huán)和匹配層產(chǎn)生多模振動(dòng)。其結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

圖3 帶匹配層的疊堆敏感元件Fig.3 Stacked sensor with matching layer

2 有限元分析

設(shè)計(jì)的帶匹配層的多復(fù)合材料圓管同軸堆疊寬帶換能器在結(jié)構(gòu)上具有明顯的對(duì)稱(chēng)性，因此為了減少計(jì)算量，在使用ANSYS軟件進(jìn)行仿真時(shí)采取對(duì)周期單元施加對(duì)稱(chēng)邊界條件。如圖 4所示為近似簡(jiǎn)化得到的疊堆圓環(huán)單元仿真模型。其中，PZT-5A小柱寬度為1.55 mm，每層厚度分別為3.5、4和4.5 mm。每2個(gè)陶瓷小柱之間的寬度為0.45 mm，并向其中填充聚合物環(huán)氧樹(shù)脂和硅橡膠，硅橡膠的厚度為1.2 mm，環(huán)氧樹(shù)脂厚度分別為2.3、2.8和3.3 mm。不同厚度的敏感元件圓環(huán)之間的硅膠墊圈高度為1 mm。

劃分網(wǎng)格后，在敏感元件外徑表面加載0 V電壓，內(nèi)徑表面加載1 V電壓并進(jìn)行點(diǎn)耦合。計(jì)算完成后通過(guò)ANSYS有限元軟件后處理得到仿真導(dǎo)納曲線(xiàn)如圖 5所示，其中圖5(a)為不同厚度的單元仿真結(jié)果，圖5(b)為三環(huán)疊堆單元仿真結(jié)果。

圖4 三環(huán)疊堆模型與單元仿真模型Fig.4 Three-ring stack model and unit simulation model diagram

圖5 仿真電導(dǎo)曲線(xiàn)Fig.5 Simulated conductivity curve

從仿真結(jié)果可以看出，疊堆敏感元件的電導(dǎo)曲線(xiàn)產(chǎn)生了3個(gè)諧振峰分別為F1=328.570 kHz、F2=364.290 kHz和F3=394.430 kHz，對(duì)比單圓環(huán)單元仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，疊堆圓環(huán)產(chǎn)生的諧振峰頻率比相應(yīng)的單環(huán)降低了1～3 kHz，這是因?yàn)椴煌穸鹊拿舾性虚g加入了硅橡膠墊圈造成質(zhì)量增加所致。仿真結(jié)果表明通過(guò)疊堆厚度不同的壓電復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)多模耦合振動(dòng)，達(dá)到拓展換能器帶寬的目的。

3 敏感元件制作

3.1 敏感元件制作過(guò)程

根據(jù)仿真結(jié)果，選取厚度為3.5、4和4.5 mm的壓電陶瓷，利用MACROACE II 切割機(jī)對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行切割。首先沿著x方向進(jìn)行切割，陶瓷小柱縫寬設(shè)定為0.45 mm，柱寬為1.55 mm,切割深度約為1.2 mm，切割機(jī)步進(jìn)設(shè)為2 mm；在y方向上的切割方法類(lèi)似。切割之后得到3種不同厚度帶基底的周期性壓電陶瓷小柱陣列，如圖 6所示。

圖6 不同厚度帶基底的周期性壓電陶瓷小柱陣列Fig.6 Periodic piezoelectric ceramic post arrays with substrates of different thickness

向帶基底的周期性壓電陶瓷小柱陣列縫隙中填充704硅橡膠，待24 h室溫固化之后將樣品反向?qū)p切割，切割深度控制在剛好切透陶瓷觸碰到底面的硅橡膠(不同厚度的壓電陶瓷切割深度不同，如3.5 mm厚的壓電陶瓷切割深度為2.3 mm)。由于填充的硅橡膠較為柔軟，切割完的樣品陣列可繞不同尺寸的圓柱模具圍成3個(gè)外徑相同、內(nèi)徑不同的圓環(huán)。用實(shí)驗(yàn)?zāi)z帶將壓電陶瓷小柱圍繞，并將配置好的環(huán)氧樹(shù)脂灌注到陶瓷小柱的縫隙中。然后將樣品放置在溫度為35 ℃的真空干燥箱中12 h等待曲面固化成型并脫膜，得到如圖 7所示的壓電復(fù)合材料單圓環(huán)樣品。

圖7 單圓環(huán)壓電復(fù)合材料Fig.7 Single ring piezoelectric composite

電極制備工藝是在復(fù)合材料單圓環(huán)的內(nèi)外表面均勻地鍍一層銀漿薄膜，將涂好銀漿的復(fù)合材料圓環(huán)用熱風(fēng)槍烘吹15～20 min，直至銀漿完全固化、粘附在復(fù)合材料圓環(huán)表面，得到如圖 8(a)所示的單圓環(huán)敏感元件，并引出電極線(xiàn)如圖 8(b)所示。

圖8 壓電復(fù)合材料單圓環(huán)敏感元件Fig.8 Piezoelectric composite single-ring sensitive element

將電極引線(xiàn)從硬質(zhì)泡沫背襯預(yù)留的走線(xiàn)槽和走線(xiàn)孔中引出(背襯起到對(duì)敏感元件圓環(huán)支撐的作用)，并在不同壁厚的圓環(huán)之間添加硅膠墊圈，得到如圖 9所示的疊堆敏感元件。

圖9 三環(huán)疊堆敏感元件Fig.9 Three-ring stacked sensor

3.2 敏感元件性能測(cè)試

通過(guò)以上復(fù)合材料的加工制作，得到了外徑均為20 mm，高度均為11.55 mm，壁厚分別為3.5、4和4.5 mm的疊堆圓環(huán)敏感元件。利用Agilent429A精密阻抗分析儀分別對(duì)單圓環(huán)敏感元件和疊堆敏感元件進(jìn)行測(cè)試，得到如圖 10所示的電導(dǎo)曲線(xiàn)。

由圖10(b)看出,疊堆后的敏感元件電導(dǎo)曲線(xiàn)上出現(xiàn)了3個(gè)諧振峰，對(duì)應(yīng)的頻率分別為329.460、359.519和381.563 kHz；圖 10(a)疊堆前單個(gè)壓電復(fù)合材料圓環(huán)的諧振頻率分別為387.575、359.519和330.461 kHz。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)疊堆后敏感元件的諧振頻率相對(duì)于單圓環(huán)敏感元件諧振頻率降低了1～6 kHz。將圖10測(cè)試結(jié)果與圖 5仿真結(jié)果對(duì)比，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本吻合。由于水中的損耗大于空氣中的損耗，3個(gè)諧振模態(tài)會(huì)在水中形成耦合，使換能器在水中帶寬拓展。

圖10 實(shí)測(cè)敏感元件電導(dǎo)曲線(xiàn)Fig.10 Measured conductivity curve of sensitive components

4 換能器制備與性能檢測(cè)

4.1 匹配層制作

匹配層設(shè)計(jì)的理論依據(jù)是1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍的匹配全透射理論[20]，即：

根據(jù)該理論，設(shè)計(jì)了環(huán)氧添加鎢粉的匹配層，聲阻抗為5.4 MRayls。

根據(jù)圖 10(b)結(jié)果顯示疊堆敏感元件的中心頻率大概為300～400 kHz，因此設(shè)計(jì)的換能器在工作頻率范圍內(nèi)振動(dòng)時(shí)，超聲波的頻率也在300～400 kHz。聲波在環(huán)氧樹(shù)脂中的傳播速度約為2 540 m/s，因此超聲波在材料中的波長(zhǎng)約為8 mm，1/4波長(zhǎng)的厚度約為2 mm，可得匹配層的厚度設(shè)計(jì)為2 mm。

通過(guò)Agilent429A精密阻抗分析儀對(duì)添加匹配層的疊堆敏感元件進(jìn)行測(cè)試，其導(dǎo)納曲線(xiàn)如圖 11所示。由圖 11可以看出添加匹配層后疊堆敏感元件的諧振頻率為387.575 kHz，與圖10(b)對(duì)比發(fā)現(xiàn)諧振模態(tài)實(shí)現(xiàn)了耦合且諧振頻率有所提高，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

圖11 添加匹配層后疊堆敏感元件電導(dǎo)曲線(xiàn)Fig.11 Conductivity curve after adding matching layer

4.2 換能器裝配

將圓形金屬蓋板(金屬蓋板半徑與敏感元件外徑相同)與疊堆圓環(huán)敏感元件上的背襯用硅橡膠進(jìn)行無(wú)縫粘連，并將電極引線(xiàn)從金屬蓋板預(yù)留的導(dǎo)線(xiàn)孔中引出，然后用硅橡膠將導(dǎo)線(xiàn)孔密封完成敏感元件的固定。

根據(jù)疊堆敏感元件的高度、直徑以及防水聚氨酯層的厚度設(shè)計(jì)相應(yīng)的灌封模具，把裝配完成的敏感元件放入灌封模具中，如圖 12所示。將配置好的聚氨酯液沿著灌膠口緩緩地倒入，觀(guān)察無(wú)氣泡后將模具置于保溫干燥箱中12 h固化后脫模，得到如圖 13所示的帶匹配層的多復(fù)合材料圓管同軸堆疊寬帶換能器。

4.3 換能器性能測(cè)試

首先對(duì)換能器在水中的導(dǎo)納進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖14所示。接著在消聲水池中利用水聲測(cè)量系統(tǒng)對(duì)水聲換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)、工作帶寬、發(fā)射聲源級(jí)、發(fā)射指向性和接收電壓靈敏度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。水聲測(cè)量系統(tǒng)主要包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、放大濾波器、示波器、標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和運(yùn)動(dòng)控制器等設(shè)備。該系統(tǒng)如圖15所示。

圖12 換能器灌膠模具Fig.12 Transducer potting mold

圖13 帶匹配層的多復(fù)合材料圓管同軸堆疊寬帶換能器Fig.13 Multi-composite round tube coaxial stacked broadband transducer with matching layer

圖14 換能器水中電導(dǎo)曲線(xiàn)Fig.14 Conductance curve of transducer in water

經(jīng)測(cè)試，換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)如圖16所示，接收電壓靈敏度如圖17所示，聲源級(jí)曲線(xiàn)如圖 18所示，歸一化指向性曲線(xiàn)如圖 19所示。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，帶匹配層的復(fù)合材料圓管同軸堆疊換能器諧振頻率為380 kHz，發(fā)送電壓響應(yīng)最大為163.4 dB，-3 dB頻帶范圍為330～430 kHz，帶寬達(dá)100 kHz，在帶寬工作范圍內(nèi)發(fā)送電壓響應(yīng)均大于160 dB。換能器的最大接收靈敏度為-204.5 dB，在工作帶寬范圍內(nèi)聲源級(jí)大于195 dB，當(dāng)頻率為220 kHz時(shí)聲源級(jí)達(dá)到最大值201.7 dB。

圖16 發(fā)送電壓響應(yīng)Fig.16 Send voltage response

圖17 接收電壓靈敏度Fig.17 Receive voltage sensitivity

圖18 聲源級(jí)曲線(xiàn)Fig.18 Sound source level curve

測(cè)試指向性時(shí)測(cè)試頻率點(diǎn)設(shè)為380 kHz(即換能器諧振頻率處)，將換能器固定在運(yùn)動(dòng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)上，以2°為步進(jìn)，通過(guò)改變運(yùn)動(dòng)控制器轉(zhuǎn)動(dòng)角度實(shí)現(xiàn)換能器360°旋轉(zhuǎn)，利用示波器讀取標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的接收電壓；最后將接收電壓轉(zhuǎn)換成分貝，并繪制成如圖 17所示的指向性圖形。圖17中，沿著逆時(shí)針?lè)较驈?30°至120°波形曲線(xiàn)向圓心靠攏，這明顯是由外電極面焊點(diǎn)所導(dǎo)致，此外曲面成環(huán)時(shí)系統(tǒng)誤差、聚合物粘接均勻性等也可能導(dǎo)致這一結(jié)果，但在下降-6 dB內(nèi)，換能器可以實(shí)現(xiàn)輻射聲波的360°全覆蓋，換能器在水平方向上實(shí)現(xiàn)全向發(fā)射。

圖19 換能器指向性Fig.19 Transducer directivity diagram

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)壓電陶瓷切割、填充聚合物、壓電復(fù)合材料曲面成型、堆疊不同壁厚的三個(gè)圓環(huán)、匹配層設(shè)計(jì)、換能器封裝等一系列工藝，制備出帶匹配層的多復(fù)合材料圓管同軸堆疊寬帶換能器敏感元件;

2)測(cè)試結(jié)果表明，該換能器大幅度拓展了帶寬，同時(shí)在水平方向上實(shí)現(xiàn)了全向發(fā)射;

3)與現(xiàn)行壓電陶瓷圓柱換能器(發(fā)送電壓響應(yīng)約140 dB，帶寬約3～5 kHz)相比，發(fā)送電壓響應(yīng)提高22.4 dB，帶寬擴(kuò)展30倍。