唐 平，鮮曉軍,劉振華,汪紅兵，劉良芳

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

隨著蛙人載具、水下無人潛水器等小型水下裝備的發(fā)展，艦艇及港口面臨小型目標(biāo)的威脅日益嚴(yán)峻。在各種敵情目標(biāo)搜尋和安全應(yīng)用中，很大程度上依賴于聲吶系統(tǒng)的最大覆蓋角。現(xiàn)有的平面狀高頻換能器由于波束角通常較窄，很難滿足聲吶大覆蓋角的要求。為滿足新的軍事應(yīng)用急需，高頻寬波束換能器逐漸成了水聲換能器的研究熱點?？臻g二維高頻寬波束換能器通常需要將換能器的敏感元件設(shè)計成球面狀，運用壓電敏感元件的厚度振動實現(xiàn)聲波輻射[1-3]。若敏感元件采用純壓電陶瓷，由于存在明顯的耦合振動，導(dǎo)致聲波的輻射能力降低，同時指向性起伏較大[4-7]。為滿足新的應(yīng)用需求，本文通過切割填充彎曲成型法，成功制作出了球面狀1-3型壓電復(fù)合材料，并采用球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料研制高頻寬波束高性能水聲換能器。

1 球面狀1-3型壓電復(fù)合材料壓電基元振動特性分析

球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料由沿球面圓周方向連通的壓電陶瓷相聚合物相組成。壓電復(fù)合材料中的陶瓷基元和聚合物沿球面方向成周期性性分布，電極位于球面的內(nèi)外表面，陶瓷細(xì)柱的極化方向沿徑向方向(見圖1)，同時設(shè)v1為1-3型壓電復(fù)合材料中陶瓷相的體積分?jǐn)?shù)。

圖1 1-3型壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)圖

采用應(yīng)變和電位移為獨立變量，其d型壓電方程為

(1)

式中:S,T為應(yīng)變和應(yīng)力張量;D,E為電位移和電場強度;εT，sE，d分別為恒應(yīng)力下的介電強度、恒電場下的彈性柔順常數(shù)及壓電常數(shù)。

圖2 厚度振動機電等效電路圖

當(dāng)晶片做自由振動時，F(xiàn)1=F2=0，其等效電阻抗為

(2)

式中：k33為厚度振動機電耦合系數(shù);ω為圓頻率。

晶片諧振時，Z=0，則有

(3)

2 球面狀1-3型壓電復(fù)合材料振動輻射聲場分析

設(shè)壓電基元沿球面方向均勻分布并做等幅振動，球面狀壓電換能器聲輻射示意圖如圖3所示。 圖中，a為球面半徑，r為距離球心處徑向方向的距離,d為球冠外沿直徑，θ為球冠的半開角。。

圖3 球面狀壓電換能器聲輻射示意圖

球面狀壓電復(fù)合材料基元振動特性為

(4)

聲場分布的指向性函數(shù)D(θ)為

(5)

3 高頻寬波束水聲換能器的設(shè)計與試驗制作

根據(jù)理論設(shè)計與工程應(yīng)用需要，需設(shè)計出工作頻率300 kHz、水平及垂直波束開角80°的高頻發(fā)射換能器。根據(jù)理論設(shè)計，壓電陶瓷選用厚5 mm的 PZT-41型材料。通過切割、填充及彎曲成型工藝制作出球面狀1-3型壓電復(fù)合陶瓷材料，制作工藝路線如圖4所示。通過該工藝制作出的球面狀壓電復(fù)合材料樣品如圖5所示。

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

按照理論和仿真分析結(jié)果，試驗制作了球面狀高頻寬波束換能器，圖6為換能器結(jié)構(gòu)。圖7為換能器樣品實物。

圖6 球面狀壓電復(fù)合材料的高頻換能器結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 球面狀壓電復(fù)合材料的高頻換能器實物圖

對制作的樣品進行了聲性能測試，其阻抗特性、發(fā)射響應(yīng)及指向性測試曲線如圖8～11所示。球面狀高頻水聲換能器在200～400 kHz頻帶內(nèi)，模態(tài)單一，最大發(fā)射電壓響應(yīng)達160 dB，-3 dB帶寬約為50 kHz，水平和垂直方向的波束開角約80°,具有高頻工作時模態(tài)單一，可實現(xiàn)寬波束輻射等特點。另一方面，指向性起伏較大，后期可通過優(yōu)化制作工藝和基元幾何尺寸等方法減小指向性起伏。

圖8 球面狀壓電復(fù)合材料高頻寬波束換能器導(dǎo)納測試曲線

圖9 球面狀壓電復(fù)合材料高頻寬波束換能器發(fā)射電壓測試曲線

圖10 球面狀壓電復(fù)合材料高頻寬波束換能器水平方向指向性測試曲線

圖11 球面狀壓電復(fù)合材料高頻寬波束換能器垂直方向指向性測試曲線

4 結(jié)束語

本文實驗分析了球面狀高頻寬波束水聲換能器的聲學(xué)特性，成功制作出了滿足設(shè)計要求的換能器樣品，試驗結(jié)果和理論結(jié)果吻合較好。實驗結(jié)果表明，該型換能器高頻工作時，水平和垂直方向-3 dB波束開角約80°，最大發(fā)射響應(yīng)160 dB，具有高頻工作時，模態(tài)單一，寬帶及寬波束輻射等特點。該型水聲能器應(yīng)用于水下聲探測與三維成像聲吶系統(tǒng)時，可有效增大其最大覆蓋角，提高聲吶系統(tǒng)的整體性能。