代 偉

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

壓電陶瓷晶體是一種重要的電子材料，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防等多個(gè)大型領(lǐng)域［1～2］。水聲換能器是壓電陶瓷的一個(gè)十分重要的應(yīng)用案例。近年來(lái)，隨著壓電馬達(dá)和壓電換能器的大規(guī)模使用，大功率壓電陶瓷材料逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。大功率壓電陶瓷主要應(yīng)用于高電壓、高壓力驅(qū)動(dòng)以及一系列大功率發(fā)射型超聲換能器、水聲換能器及大功率遠(yuǎn)程聲吶換能器等方面。這要求換能器材料具有機(jī)械品質(zhì)因子高、強(qiáng)電場(chǎng)下介質(zhì)損耗小和壓電性能好等特點(diǎn)。要求大功率壓電陶瓷晶體的介電損耗小，尤其是在強(qiáng)場(chǎng)下（如200V/mm以上）工作時(shí)不至于因損耗大而過(guò)熱，導(dǎo)致壓電晶體的性能下降；大功率壓電材料的高性能需要有較好的穩(wěn)定性才能適應(yīng)其在強(qiáng)場(chǎng)下的應(yīng)用［3］。

水聲換能器是聲吶系統(tǒng)的重要組成部分，是聲吶系統(tǒng)的“耳目”，隨著水聲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展與延伸，在軍事對(duì)抗、海洋資源探測(cè)開(kāi)發(fā)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)以及全面感知地球的迫切需求的大環(huán)境背景下，水聲換能器技術(shù)的飛速發(fā)展成為聲吶技術(shù)發(fā)展的重要前提［4］。壓電陶瓷晶體的發(fā)展是換能器技術(shù)的重要支撐。水聲換能器技術(shù)研究的方向主要包括指向性、聲場(chǎng)、聲源級(jí)、電位移矢量、壓電晶體的介電性能等多個(gè)方面［5～9］。

近年來(lái)有限元仿真在工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域都有很多應(yīng)用，水聲技術(shù)領(lǐng)域有限元仿真也有較大的應(yīng)用［10～11］。 COMSOL-Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件是一款廣泛應(yīng)用于力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)和電磁學(xué)等領(lǐng)域的有限元仿真軟件［12～13］。本論文正是基于這款有限元仿真軟件來(lái)對(duì)水聲換能器的聲學(xué)性能進(jìn)行研究，首先設(shè)計(jì)了換能器的等效壓電模型，基于此模型研究了換能器的聲壓場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)、電位移矢量、介電常數(shù)及壓電晶體的厚度對(duì)換能器聲壓的影響。研究結(jié)果表明壓電晶體的厚度越小，介電常數(shù)越大，換能器的聲學(xué)性能越好。

2 物理模型及參數(shù)設(shè)置

水聲換能器主要部件即為壓電陶瓷晶體，壓電陶瓷是一種各向異性的多晶體材料，通過(guò)正向和反向壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能和聲能之間的相互轉(zhuǎn)換。所謂正向壓電效應(yīng)是指壓電陶瓷在受外力作用時(shí)，除發(fā)生形變及內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力外，還會(huì)產(chǎn)生極化強(qiáng)度及電位移，而且所產(chǎn)生的極化強(qiáng)度及電位移與應(yīng)變或應(yīng)力成正比例關(guān)系；反向壓電效應(yīng)是指當(dāng)壓電陶瓷受電場(chǎng)作用時(shí)，除產(chǎn)生極化強(qiáng)度和電位移外，還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變并產(chǎn)生應(yīng)力，所產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力與電場(chǎng)強(qiáng)度或電位移成正比例關(guān)系。只有經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷才具有正向和反向壓電效應(yīng)，而這種物理效應(yīng)則是由壓電陶瓷的多晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的［14］。

根據(jù)這一原理本論文設(shè)計(jì)了一個(gè)長(zhǎng)為1mm，寬為0.5mm，高為0.5mm的壓電陶瓷晶體模型，如圖1所示。圖中右邊長(zhǎng)方體為壓電晶體材料，壓電晶體上下表面為電極，左邊為電流計(jì)。實(shí)驗(yàn)仿真采用COMSOL Multiphysics 4.4版本。仿真中電極上所加電壓為100V。

圖1 水聲換能器壓電晶體模型

3 仿真結(jié)果分析

圖2所示為換能器近場(chǎng)聲壓場(chǎng)仿真結(jié)果。仿真時(shí)設(shè)定壓電材料為PZT-5H，它的楊氏模量為71，d31和d32為-274，d33為593，是一種較為常見(jiàn)的普通壓電晶體材料。由于換能器具有全向指向性，仿真中只取換能器的區(qū)間分布為0°～90°，其余方位與此區(qū)間的聲壓場(chǎng)分布皆相同，呈對(duì)稱分布的狀態(tài)。仿真時(shí)設(shè)置換能器的邊界為r=8mm的圓周。從圖中可以看出在壓電換能器表面附近聲壓場(chǎng)強(qiáng)度最大，隨著距離的增加，聲壓強(qiáng)度逐漸減弱，并呈現(xiàn)出聲波波紋的形狀，在壓電換能器表面附近聲壓場(chǎng)強(qiáng)度最大值為57.4Pa?？梢哉J(rèn)為聲場(chǎng)能量從換能器表面輻射出后，沿著介質(zhì)向四周擴(kuò)散開(kāi)去，聲場(chǎng)能量在換能器表面最大，也最為集中。

圖2 換能器近場(chǎng)聲壓場(chǎng)

圖3所示為壓電換能器的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)結(jié)果。從圖中可以看出換能器以正前方即0°角為軸線，聲壓級(jí)以此軸線呈對(duì)稱分布狀態(tài)。

圖3 換能器遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)

圖4所示為換能器的電位移矢量結(jié)果。從圖中可以看出電位移從壓電晶體的上表面到下表面呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，這與電壓從上表面到下表面逐漸減小是一致的。

圖4 換能器電位移矢量

圖5所示為壓電晶體的介電常數(shù)的變化對(duì)聲壓的影響的仿真結(jié)果。所取的聲壓為仿真中設(shè)定的邊界條件的一半處的聲壓強(qiáng)度。從圖中可以明顯地看出隨著介電常數(shù)的增大，聲壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，不過(guò)隨著介電常數(shù)的進(jìn)一步增加，例如超過(guò)20000，聲壓強(qiáng)度增加的幅度逐漸趨緩，可以認(rèn)為介電常數(shù)在10000～20000之間時(shí)，聲壓強(qiáng)度值為最優(yōu)。

圖5 介電常數(shù)變化對(duì)聲壓的影響

圖6 壓電晶體厚度變化對(duì)聲壓的影響

圖6所示為壓電晶體的厚度的變化對(duì)聲壓強(qiáng)度的影響的仿真結(jié)果。同樣取仿真中設(shè)定的邊界條件的一半處的聲壓強(qiáng)度為取樣點(diǎn)。可以看出隨著厚度的逐漸增大，聲壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，因此在實(shí)際的換能器設(shè)計(jì)制作時(shí)應(yīng)該盡量減小壓電晶體材料的厚度。實(shí)際中，厚度會(huì)影響壓電晶體上添加的電壓，厚度太小，在壓電晶體上添加大的電壓，會(huì)導(dǎo)致介電擊穿效應(yīng)，在實(shí)際設(shè)計(jì)換能器時(shí)應(yīng)綜合考慮厚度和電壓兩方面的因素。

4 結(jié)語(yǔ)

本論文綜合研究了水聲換能器的近場(chǎng)聲壓、遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)、電位移矢量、介電常數(shù)以及厚度對(duì)換能器聲壓的影響。研究結(jié)果表明，隨著介電常數(shù)的增加換能器的聲壓逐漸增大，隨著厚度的增加換能器的聲壓逐漸減小。