管 弦，鮮曉軍,李洪平，劉振華,劉良芳，汪紅兵，王登攀

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

壓電復(fù)合材料通常由壓電陶瓷和高分子聚合物按一定的連通方式、體積或質(zhì)量比，通過特定空間幾何分布復(fù)合而成。平面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料作為一種新型的功能材料，其具有聲阻抗低，與水和有機(jī)材料的聲阻抗匹配，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高及工藝制作簡單等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于超聲水聲換能器和傳感器的研制[1-3]。隨著蛙人載具、水下無人潛水器(UUV)等小型水下裝備的發(fā)展，艦艇及港口面臨的水下威脅日益嚴(yán)峻。為防御上述小型目標(biāo)的威脅，要求用于港口防御的聲吶浮標(biāo)等設(shè)備裝配高頻寬帶及寬波束的水聲發(fā)射換能器及其陣列，平面狀1-3型壓電復(fù)合材料不能滿足該類型器件的研制。由于球面狀1-3型壓電復(fù)合材料與換能器件在工作頻帶內(nèi)具有模態(tài)單一，高頻時可實現(xiàn)寬波束等優(yōu)點，隨著高頻、寬波束換能器及其陣列應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，近年來球面狀1-3型壓電復(fù)合材料及換能器已成為新的研究熱點[4-9]。

1 球面狀1-3型壓電復(fù)合材料理論分析

球面狀 1-3型壓電復(fù)合材料由沿球面均勻分布的壓電陶瓷基元與聚合物組成，電極為球面的內(nèi)、外表面，陶瓷柱的極化方向沿徑向方向(見圖1)，1-3型壓電復(fù)合材料陶瓷相的體積分?jǐn)?shù)為v1。

圖1 球面狀1-3型壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)圖

由于球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料與平面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料空間分布相同，由此可采用平面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料來分析球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料的各種特性。1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料的橫、縱向應(yīng)變及電位移計算表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

式中：上標(biāo)c，p及pc分別為陶瓷相、聚合物相及1-3型壓電復(fù)合材料；S，T分別為應(yīng)變和應(yīng)力張量；D和E為電位移和電場強(qiáng)度；εT，sE及d分別為恒應(yīng)力下的介電強(qiáng)度、恒電場下的彈性柔順常數(shù)及壓電常數(shù)。

1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料聲學(xué)特性厚度方向的機(jī)電耦合系數(shù)(kt)、聲阻抗(Z)及縱向聲速(vD33)的表達(dá)式為

(4)

(5)

(6)

式中ρ和cD33分別為1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料的密度與短路剛度常數(shù)。

假設(shè)1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料的等效厚度為t，由式(6)可計算出1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料厚度方向共振頻率為

(7)

2 球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料有限元分析與試驗制作

根據(jù)理論設(shè)計與工程應(yīng)用需要，對球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料進(jìn)行了有限元設(shè)計與分析，有限元模型如圖2所示。運(yùn)用ANSYS建模對其進(jìn)行諧響應(yīng)分析，其數(shù)值模擬導(dǎo)納曲線如圖3所示。根據(jù)理論設(shè)計的幾何尺寸，試驗制作了球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料，制作工藝采用切割填充平面壓電陶瓷彎曲成型制作而成，其工藝流程如圖4所示。試驗制作過程中，采用對外形尺寸為90 mm×5 mm的PZT-41型壓電陶瓷切割填充后彎曲成型。其中，有機(jī)物填充切縫寬為0.3 mm,彎曲成型后的曲率半徑為50 mm。圖5為試驗制作出的1-3型球面狀壓電復(fù)合材料試驗樣品，對試驗樣品進(jìn)行了測試，測試的導(dǎo)納曲線如圖6所示。由圖4～6可知，球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料具有在工作頻帶內(nèi)模態(tài)單一，寬頻帶等特性，可用于研制高頻寬波束水聲換能器件及其陣列。

圖2 1-3型壓電復(fù)合材料有限元模型

圖3 球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料導(dǎo)納仿真曲線

圖4 球面狀1-3型壓電復(fù)合材料切割填充彎曲成型工藝示意圖

圖5 球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料實物圖

圖6 球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料導(dǎo)納測試曲線

3 基于球面狀1-3型壓電復(fù)合材料換能器的仿真設(shè)計

為了驗證研制的球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料的聲學(xué)特性，利用1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料的低聲阻抗、低機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Q)值，高頻工作模態(tài)單一等優(yōu)點，設(shè)計了基于球面狀1-3型壓電復(fù)合材料的高頻寬波束換能器。換能器由壓電復(fù)合材料、背稱、聚氨酯透聲橡膠等組成，其結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如圖7所示。根據(jù)設(shè)計尺寸，運(yùn)用有限元ANSYS軟件仿真分析了換能器的導(dǎo)納曲線和發(fā)射電壓響應(yīng)曲線，其理論計算曲線如圖8、9所示。由圖8、9可知，基于球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料設(shè)計的高頻水聲換能器在200～400 kHz頻帶內(nèi)，只有單一諧振峰，最大發(fā)射電壓響應(yīng)達(dá)165 dB，-3 dB帶寬近70 kHz，具有高頻工作時模態(tài)單一，寬帶及可實現(xiàn)寬波束輻射等特點，可廣泛應(yīng)用于水下聲探測與三維成像等方面。

圖7 球面狀1-3型壓電復(fù)合材料的高頻寬波束換能器

圖8 球面狀1-3型壓電復(fù)合材料高頻寬波束換能器導(dǎo)納仿真曲線

圖9 球面狀1-3型壓電復(fù)合材料高頻寬波束換能器發(fā)射電壓響應(yīng)仿真曲線

4 結(jié)束語

本文分析了球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料的壓電特性與聲學(xué)特性，并給出了相關(guān)參數(shù)的計算表達(dá)式。通過切割填充彎曲成型工藝路線，成功制作出了球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷樣品，并進(jìn)行了性能測試，試驗結(jié)果和仿真結(jié)果吻合較好。通過有限元仿真驗證了基于球面狀1-3型壓電復(fù)合材料設(shè)計的水聲換能器高頻工作時，具有模態(tài)單一，寬帶及寬波束輻射等特點，該換能器可廣泛應(yīng)用于水下聲探測與三維成像等方面。