靳少佳，秦 雷

(北京信息科技大學(xué) 北京市傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192)

0 引言

壓電材料作為換能器是實(shí)現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵敏感元件，在現(xiàn)代水聲探測(cè)、超聲無(wú)損檢測(cè)以及能量收集等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。目前絕大多數(shù)的高性能壓電材料都應(yīng)用其d33模態(tài)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，因?yàn)槠渚哂兄苽涔に嚭?jiǎn)單、壓電性強(qiáng)、機(jī)電耦合系數(shù)大的特點(diǎn)。但目前對(duì)于d33模態(tài)的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到其理論極限值，進(jìn)一步提升性能的可能性較低，很難再有新的突破。剪切振動(dòng)模態(tài)是壓電材料所具有的幾種基本振動(dòng)模態(tài)之一，其極化方向和電場(chǎng)方向垂直分布。對(duì)于某些特有的陶瓷以及壓電單晶的部分切型，d15剪切振動(dòng)模態(tài)相較于d33縱向、d31橫向伸縮振動(dòng)模態(tài)，具有更高的機(jī)電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)；但由于壓電材料剪切振動(dòng)模態(tài)形變?yōu)榍邢虻?，?dǎo)致聲輻射面上各點(diǎn)位移具有不同的相位，無(wú)法有效地輻射聲波。目前國(guó)內(nèi)外尚未將壓電材料剪切振動(dòng)模態(tài)應(yīng)用于水聲換能器領(lǐng)域，研究主要集中在能量收集、超聲、壓電致動(dòng)器和壓電換能器等方面。曾洲等[1]提出了一種基于剪切模式的懸臂梁低頻驅(qū)動(dòng)復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電能量收集器，通過(guò)懸臂梁和夾層結(jié)構(gòu)共同作用對(duì)PMN-PT晶體實(shí)施剪切，在質(zhì)量為13.5 g、激勵(lì)加速度為1g和激勵(lì)頻率為40.5 Hz的情況下，該裝置能產(chǎn)生60.8 V的電壓和10.8 mW/cm3的功率密度，取得了較高的輸出功率。鹿存躍等[2]應(yīng)用壓電陶瓷d15模態(tài)逆壓電效應(yīng)有助于擴(kuò)大定子振幅這一特性，提出了一種新的切變型彎曲振動(dòng)的壓電陶瓷柱元件，并應(yīng)用于彎曲搖頭型超聲波電動(dòng)機(jī)中，驅(qū)動(dòng)效率大幅提高，證明其在發(fā)展大應(yīng)變、微型化超聲波電動(dòng)機(jī)方面有較好的應(yīng)用前景。高翔宇等[3]提出一種工作于剪切模式的適用于大機(jī)械載荷精密驅(qū)動(dòng)多層圓柱形壓電致動(dòng)器。該壓電致動(dòng)器由沿軸向以正極和負(fù)極交替極化的壓電陶瓷環(huán)并聯(lián)組成，與工作于其他模式的致動(dòng)器相比，最大驅(qū)動(dòng)力提高了7倍。胡軍等[4]應(yīng)用壓電陶瓷的d15模態(tài)構(gòu)成壓電圓管，通過(guò)其剪切振動(dòng)帶動(dòng)磁性材料旋轉(zhuǎn)，從而形成磁電耦合，與之前的非d15模態(tài)換能器相比能量密度大幅提高。苗鴻臣等[5]提出一種由一系列等距面內(nèi)剪切d24PZT元件組成的壓電環(huán)形換能器陣列，用于激勵(lì)和接收管狀結(jié)構(gòu)中單模態(tài)的非頻散扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波T(0，1)，在無(wú)損檢測(cè)(NDT)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(SHM)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。Trindade等[6]應(yīng)用d15模態(tài)設(shè)計(jì)了一種復(fù)合材料，在不減小壓電應(yīng)變常數(shù)d15和介電常數(shù)的情況下，將壓電電壓常數(shù)e15和剪切模量降低了90%。

本文針對(duì)剪切振動(dòng)不適宜向水中發(fā)射聲波的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的基于剪切振動(dòng)模態(tài)的水聲彎張換能器。壓電陶瓷產(chǎn)生的剪切振動(dòng)通過(guò)彎張金屬結(jié)構(gòu)體上的過(guò)渡結(jié)構(gòu)傳遞到彎張金屬殼體，激勵(lì)金屬殼體作彎張振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷剪切振動(dòng)到金屬殼體彎曲振動(dòng)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聲波輻射。本文預(yù)期研發(fā)的換能器樣機(jī)發(fā)射電壓響應(yīng)≥150 dB，帶寬≥20 kHz。

1 剪切型換能器振子結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的剪切型壓電彎張換能器振子結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，該振子由壓電陶瓷塊和金屬結(jié)構(gòu)體組成。課題組前期研究了壓電陶瓷尺寸參數(shù)對(duì)剪切振動(dòng)性能的影響，確定了壓電陶瓷極化和電場(chǎng)方向尺寸之比接近1：1.2時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)達(dá)到最大值[7]。因此本文選用長(zhǎng)12 mm(電場(chǎng)方向)、寬10 mm(極化方向)、厚7 mm的PZT-5A型壓電陶瓷塊。金屬結(jié)構(gòu)體由支撐結(jié)構(gòu)、梯形振動(dòng)過(guò)渡支架和彎張外殼一體加工而成，彎張外殼是等厚的，外觀上與IV型彎張換能器殼體形狀較為類(lèi)似。綜合傳遞效果和降低聲阻抗等方面考慮，金屬結(jié)構(gòu)體材料選用密度較低的硬鋁。壓電陶瓷塊接縫處表面與金屬結(jié)構(gòu)體用環(huán)氧粘合。

圖1(b)為壓電振子的振動(dòng)模態(tài)示意圖，P為極化方向，E為電場(chǎng)方向，虛線(xiàn)為壓電陶瓷在電場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生的形變。壓電陶瓷的電場(chǎng)方向沿X軸正向和X軸負(fù)向?qū)ΨQ(chēng)排列，極化方向沿著Z軸分布。由于壓電陶瓷的電場(chǎng)方向垂直于極化方向，所以會(huì)激發(fā)壓電陶瓷的d15振動(dòng)模態(tài)，即在EP組成的平面內(nèi)產(chǎn)生剪切振動(dòng)。兩塊壓電陶瓷的共同作用可以帶動(dòng)梯形過(guò)渡支架產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)再通過(guò)過(guò)渡支架傳遞到彎張外殼，激勵(lì)外殼產(chǎn)生更大幅度的彎曲振動(dòng)產(chǎn)生聲輻射，從而實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷剪切振動(dòng)到金屬外殼彎張振動(dòng)的轉(zhuǎn)化，提高聲輻射的面積。同時(shí)，由于彎張外殼和梯形過(guò)渡支架相連接，當(dāng)施加一定的聲壓作用在外殼上表面時(shí)，該結(jié)構(gòu)可以增大陶瓷塊表面所受的應(yīng)力，進(jìn)而通過(guò)應(yīng)力放大效應(yīng)提高接收靈敏度。

2 有限元仿真分析

有限元方法是分析和設(shè)計(jì)水聲換能器常用的一種有效方法。本文利用有限元軟件ANSYS對(duì)剪切型換能器壓電振子的振動(dòng)形態(tài)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)。首先選取兩塊電場(chǎng)方向?qū)ΨQ(chēng)粘接排列的壓電陶瓷作為一組振動(dòng)基元，對(duì)其進(jìn)行仿真分析。利用ANSYS軟件對(duì)振動(dòng)基元進(jìn)行實(shí)體建模，指定單元類(lèi)型為三維耦合場(chǎng)固體單元Solid5，定義壓電陶瓷的密度、剛度矩陣、壓電常數(shù)矩陣、介電常數(shù)矩陣等參數(shù)。綜合考慮仿真的精度和計(jì)算速度，采用1 mm的網(wǎng)格邊長(zhǎng)，網(wǎng)格類(lèi)型采用六面體單元，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在兩塊壓電陶瓷的粘接面施加0 V的電壓，兩個(gè)側(cè)面施加1 V的電壓，并耦合在各自表面的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。在諧響應(yīng)分析中，頻率范圍設(shè)為60～120 kHz，恒定阻尼系數(shù)設(shè)為0.02，進(jìn)行求解計(jì)算。利用ANSYS軟件的后處理模塊得到陶瓷電極面上的電荷量Q，再通過(guò)積分計(jì)算出電流I，根據(jù)公式I/V計(jì)算得到振動(dòng)基元的電導(dǎo)曲線(xiàn)如圖2所示。由電導(dǎo)曲線(xiàn)可以看出，振動(dòng)基元的諧振頻率為97.45 kHz。諧振頻率處的振動(dòng)模態(tài)如圖3所示，圖中顏色的深淺表征了振動(dòng)位移量的大小，深色區(qū)域?yàn)檎駝?dòng)位移最大點(diǎn)，最大位移達(dá)到6.11×10-9m?？梢钥闯觯瑑蓧K壓電陶瓷都激發(fā)了剪切振動(dòng)模態(tài)，且在剪切振動(dòng)的帶動(dòng)下，兩塊陶瓷的接縫處出現(xiàn)交替的波峰和波谷，振動(dòng)幅度達(dá)到4.59×10-9m。本文擬將上述波峰振動(dòng)通過(guò)過(guò)渡支架結(jié)構(gòu)傳遞到換能器金屬外殼，從而激勵(lì)外殼產(chǎn)生彎張振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)化。

換能器的壓電振子由壓電陶瓷塊和金屬外殼粘接而成，粘接材料為環(huán)氧樹(shù)脂。由于粘接層為一薄層，建模中忽略其影響，以簡(jiǎn)化計(jì)算。有限元分析中在陶瓷塊側(cè)面施加電壓，對(duì)該壓電振子進(jìn)行模態(tài)分析，得到其工作模態(tài)如圖4所示。由圖可見(jiàn)，陶瓷塊產(chǎn)生的剪切振動(dòng)通過(guò)過(guò)渡支架傳遞到振子彎張外殼的表面，這與設(shè)計(jì)方案一致，證實(shí)了該結(jié)構(gòu)可完成機(jī)電轉(zhuǎn)化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷剪切振動(dòng)到外殼彎張振動(dòng)的轉(zhuǎn)化。并且對(duì)比振動(dòng)幅度可知：圖4中A點(diǎn)振動(dòng)幅度達(dá)到4.74×10-9m，與圖3中A點(diǎn)振幅相比增加3.27%，這是由于彎張換能器外殼支持作用改變了壓電陶瓷邊界條件。圖4中B點(diǎn)振動(dòng)幅度達(dá)到1.22×10-8m，與圖4中A點(diǎn)相比振幅增大157.38%。證明這種彎張結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)幅度的放大。同時(shí)彎張結(jié)構(gòu)將A點(diǎn)處較小的振動(dòng)面積擴(kuò)展到彎張殼體的較大面積上，進(jìn)一步提高了聲輻射性能。

3 振子制備與測(cè)試

本文采用精密切割和機(jī)械加工粘接的方法制備剪切型換能器的壓電振子，其制備工藝流程如圖5所示。首先將一整塊的PZT-5A型壓電陶瓷去除上下表面電極后切割為最優(yōu)尺寸參數(shù)的多個(gè)陶瓷塊。然后在平行于極化方向的陶瓷塊兩個(gè)側(cè)面上采用銀漆法涂覆導(dǎo)電銀漿，并放于150°烘箱中進(jìn)行烘干，完成其表面電極層的制備。待烘干后將兩塊陶瓷塊的電極面用環(huán)氧樹(shù)脂粘接。最后將機(jī)械加工好的硬鋁外殼粘接在陶瓷塊的接縫處，并引出電極，構(gòu)成壓電振子。

利用阻抗分析儀測(cè)量振動(dòng)基元的電導(dǎo)曲線(xiàn)如圖6所示。將其與圖2的仿真電導(dǎo)曲線(xiàn)對(duì)比可以看出，通過(guò)實(shí)測(cè)得到的諧振峰的頻率為96.9 kHz，與仿真結(jié)果97.45 kHz基本一致，誤差小于1%。實(shí)測(cè)與仿真的電導(dǎo)隨頻率的變化趨勢(shì)也基本吻合。

通過(guò)激光測(cè)振儀觀察振動(dòng)基元和壓電振子表面的振動(dòng)形態(tài)。如圖7所示，所測(cè)試的表面為振動(dòng)基元和壓電振子的上表面也就是做成換能器后的聲輻射面。圖中深色區(qū)域表示此時(shí)振動(dòng)方向?yàn)閦軸正向，淺色區(qū)域表示振動(dòng)方向?yàn)閦軸負(fù)向。圖7(a)中，振動(dòng)位移的最大值出現(xiàn)在基元的中間，也就是兩塊陶瓷片的粘接處。在0°相位時(shí)，振動(dòng)基元中間部分振動(dòng)方向?yàn)檎?，兩?cè)部分振動(dòng)方向?yàn)樨?fù)；而在180°相位時(shí)，情況正相反。這正是典型的剪切振動(dòng)形態(tài)，與圖3給出的仿真結(jié)果一致。圖7(b)為振動(dòng)基元與彎張外殼粘接在一起后的振動(dòng)模態(tài)。觀察外殼上輻射表面的振動(dòng)情況，可以看出與圖7(a)不同，振動(dòng)位移的最大值出現(xiàn)在梯形過(guò)渡支架的兩側(cè)。通過(guò)與圖4仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其振動(dòng)模態(tài)為薄外殼的彎曲振動(dòng)，由此可以看出這種結(jié)構(gòu)達(dá)到了將剪切振動(dòng)轉(zhuǎn)化為外殼彎張振動(dòng)的目的。

4 換能器陣列制作與測(cè)試

本文制備的剪切型換能器陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，為一個(gè)4×15的矩形換能器陣列，主要包括15個(gè)陣元、不銹鋼定位板以及不銹鋼出線(xiàn)盒。首先將4個(gè)壓電振子等距橫向排列粘接在有機(jī)玻璃定位條上，各振子間陶瓷電極面用導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)焊接引出正負(fù)極，為防止導(dǎo)線(xiàn)脫落，使用少量的環(huán)氧樹(shù)脂固化于接觸點(diǎn)上，形成一個(gè)陣元。共制備了15個(gè)陣元，表1給出了這些陣元的電導(dǎo)值和準(zhǔn)靜態(tài)電容。從表中數(shù)據(jù)可以看出，陣元電導(dǎo)值和準(zhǔn)靜態(tài)電容相對(duì)偏差均小于1%，陣元一致性較好。然后將這15個(gè)陣元等距并排排列固定于不銹鋼定位板，將陣元所有引線(xiàn)通過(guò)出線(xiàn)盒連接在輸出電纜上，出線(xiàn)盒裝配防水膠圈。最后將其放入灌注模具并用聚氨酯水密封裝。該換能器陣列的輻射面積為120 mm×240 mm。

換能器陣列的相關(guān)電聲參數(shù)在中船重工集團(tuán)公司長(zhǎng)城無(wú)線(xiàn)電廠的消聲水池進(jìn)行測(cè)試。發(fā)射電壓響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖9所示。可以看出，該換能器陣列在頻率101 kHz處產(chǎn)生158.3 dB的發(fā)射電壓響應(yīng)峰值。在82～113 kHz范圍內(nèi)其發(fā)射電壓響應(yīng)起伏小于6 dB。

如圖10所示，該換能器陣在諧振頻率72 kHz處接收靈敏度達(dá)到最大值-195.7 dB，在66～114 kHz頻率范圍內(nèi)，其接收電壓靈敏度為-196 dB(起伏3 dB)。

表1 各陣元樣品的電學(xué)性能

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于剪切振動(dòng)模態(tài)的彎張換能器設(shè)計(jì)方案。通過(guò)創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將壓電陶瓷的剪切振動(dòng)轉(zhuǎn)化為振子金屬外殼的彎張振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了利用壓電陶瓷的剪切振動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生聲波輻射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，換能器陣在輻射面積為120 mm×240 mm時(shí)，發(fā)射電壓響應(yīng)達(dá)到158.3 dB(101 kHz)，工作頻率范圍在82～113 kHz，帶寬達(dá)到31 kHz。接收電壓靈敏度在66～114 kHz頻率寬度內(nèi)起伏小于3 dB，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)要求，滿(mǎn)足了工程需求。該類(lèi)型換能器的研發(fā)為水聲發(fā)射換能器、水聽(tīng)器以及壓電俘能器等提供了新的設(shè)計(jì)思路。