压电单晶弯张换能器研究

陈 思，蓝 宇，顾郑强

(哈尔滨工程大学 水声技术实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

换能器的发展是与功能材料的发展密不可分的.大尺寸、高质量的弛豫铁电单晶铌镁酸铅－钛酸铅((1－x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，PMNT)和铌锌酸铅-钛酸铅((1－x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，PZNT)的生长成功是无机功能材料领域里的一项重要突破［1］.新型弛豫铁电单晶在准同型相界(morphotropic phase boundary，MPB)附近具有非常优异的压电性能，引起了国内外学者的广泛关注.美国海军水下作战中心、宾夕法尼亚大学等机构［2-4］均开展了弛豫铁电单晶材料及相应水声换能器的性能研究工作;国内的北京大学、杭州第七一五研究所等单位［5-7］也开展了相关研究，获得了一些有益的结果.

本文利用有限元软件ANSYS设计并制作了一个以PMNT单晶为驱动元件的Ⅳ型弯张换能器.期望通过本文的研究，进一步了解单晶材料的特性、单晶换能器的性能，并通过有机结合弯张换能器的振幅放大效应和单晶优异的压电性能制作出性能更加优异的水声换能器.

1 弛豫铁电单晶及其性能

新型弛豫铁电单晶是指以铌镁酸铅-钛酸铅(PMNT)和铌锌酸铅-钛酸铅(PZNT)为代表的一类具有复合钙钛矿结构的固溶体单晶，其在准同型相界(MPB)附近具有非常优异的压电性能.压电常数d33达到2 000 pC/N，机电耦合系数k33达到90%以上，其最大应变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上，达到了1.7%.

表1是弛豫铁电单晶PMNT同常用的压电陶瓷PZT-4的性能比较表［8］.由于受生长方法、加工工艺、测量等因素的影响，即使是同一成分的PMNT单晶，不同文献报道的性能结果也存在较大的波动［9-10］.本文采用的是上海硅酸盐研究所提供的PMNT69/31单晶.

通过对弛豫铁电单晶材料的分析研究，发现PMNT单晶与PZT压电陶瓷相比存在如下优点:

1)弛豫铁电单晶PMNT的介电常数大于PZT-4，因此作为发射换能器的换能材料有效降低了换能器的阻抗，易于实现阻抗匹配.

2)PMNT的压电常数、机电耦合系数均大于PZT-4，有利于获得较大的应变、扩展水声换能器的工作频带;在对PMNT单晶施加一定的直流偏置的前提下，施加相同的交流驱动时，单晶材料的能量密度约为PZT的15倍［11］，这将有利于提高换能器的功率容量.

3)PMNT的恒电场条件下的柔性常数分量SE33，约为PZT-4的1/5，对于纵振动换能器来说，更易于获得较低的谐振频率或减小换能器的尺寸.

但是PMNT单晶也存在一定的不足，如:弛豫铁电单晶在材料均匀性和一致性方面存在一定的不足，材料受组分变化性能有很大差异;其在准同型相界附近的居里温度和三方、四方相变温度较低［12］，这对换能器的制作工艺提出了新的要求，也在某种程度上限制了单晶换能器的应用.

表1 弛豫铁电单晶PMNT与PZT-4的部分材料参数比较Table 1 The comparison between part of the material parameters of relaxor ferroelectric single crystal PMNT and PZT-4

2 换能器的理论分析

Ⅳ型弯张换能器是水声领域一类典型的低频大功率换能器［13］，图1为典型Ⅳ型弯张换能器的结构示意图，弯张换能器壳体通常为一椭圆管.有源材料堆或棒沿椭圆管的长轴紧密安装于壳体内部，利用其纵向伸缩振动激励壳体作弯曲振动，耦合成弯曲伸张振动模式，向外辐射声能［14］.

图2 换能器1/8有限元模型Fig.2 The 1/8 finite element model of the transducer

图1 典型Ⅳ型弯张换能器的结构示意图Fig.1 The configuration of a typical classⅣflextensional transducer

应用有限元软件ANSYS分别对PMNT和PZT-4作为驱动材料的Ⅳ弯张换能器进行有限元分析.建立Ⅳ型弯张换能器有限元模型.Ⅳ型弯张换能器的主要结构包括壳体、过渡结构(这里采用硬铝材料)和驱动元件(这里采用PMNT和PZT-4).金属壳体和过渡结构的单元类型选择SOLID45，材料参数需要输入硬铝的杨氏模量、泊松比和密度;驱动元件的单元类型选择SOLID5，材料参数输入PMNT和PZT-4的介电常数、压电常数、弹性系数和密度，然后进行网格划分.由于Ⅳ型弯张换能器的结构具有空间对称性，因此，只需建立换能器的1/8有限元模型，如图2所示.空气中有限元模型共有1 073个单元，1 168个节点.

2.1 空气中模型分析

对Ⅳ型弯张换能器进行空气中的模态分析，得到换能器的固有频率和振型.图3为单晶换能器一阶弯曲振动的位移矢量图，模态频率为2.88 kHz.同样对PZT-4弯张换能器进行模态分析，得到PZT-4换能器一阶弯曲振动的模态频率为3.47 kHz.

图3 换能器第一阶模态的位移矢量图Fig.3 The figure of the displacement vector for the first mode of the transducer

图4 换能器空气中导纳曲线Fig.4 The admittance curves of the transducers in the air

弯张换能器辐射面的特殊形状决定了这类换能器结构所具有的振幅放大效应，短轴方向的位移通常为长轴方向的2～4倍，可以产生较大的体积位移.

谐波响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时稳态响应的一种技术.将谐波响应分析用于换能器的分析时，对换能器的晶堆施加不同频率的交流电载荷，可以得到诸如换能器的电导纳曲线、发送电压响应曲线等一系列表征换能器性能的重要参数.

对Ⅳ型弯张换能器进行空气中的谐波响应分析，得到换能器的空气中的导纳曲线，如图4所示.PMNT换能器空气中谐振频率为2.88 kHz，谐振时的电导值为24 mS;PZT-4换能器空气中谐振频率为3.47 kHz，谐振时的电导值为1.7 mS.

2.2 水中模型分析

建立换能器水中的有限元模型，对其进行谐波响应分析.在水中的谐波响应分析中，除了上述单元和材料，还需要FLUID30流体单元用来模拟水介质，FLUID130声吸收单元用来模拟无限吸收边界;添加材料类型水，需要输入水的声速和密度参数.还需要施加流固耦合等边界条件来模拟换能器在水中的振动传递情况等.建立的水中有限元模型共有13 195个单元，14 370个节点.

通过计算，得到换能器水中的导纳曲线，如图5所示.PMNT换能器水中谐振频率为2.0 kHz，谐振峰处电导值为1.20 mS;PZT-4换能器水中谐振频率为2.4 kHz，谐振峰处电导值为0.13 mS.

通过计算，得到换能器的发送电压响应曲线如图6所示.PMNT换能器的最大发送电压响应值136 dB(参考级0 dB:1 μPa/V，1 m处)，谐振频率2.0 kHz;PZT-4换能器最大发送电压响应值129 dB，谐振频率2.4 kHz.

图5 换能器水中导纳曲线Fig.5 The admittance curves of the transducers in the water

图6 PMNT和PZT-4换能器的发送电压响应曲线Fig.6 The transmitting voltage response of the transducers of PMNT and PZT-4

3 换能器的制作与测量

3.1 换能器的制作

根据以上有限元模型，分别制作了结构尺寸相同的PMNT弯张换能器和PZT-4弯张换能器.换能器的主要尺寸为:弯张壳长轴长130 mm，短轴长52 mm，壳高40 mm;晶片尺寸为Φ16 mm×3 mm.

3.2 换能器的测量

换能器水中测量是在非消声水池进行的，水池的尺寸为12 m×5 m×4 m.发射换能器与标准水听器的间距为1.13 m，吊放深度2 m.弯张换能器的导纳测量使用了HP4194A阻抗分析仪.图7给出了测量得到的PMNT弯张换能器和PZT-4弯张换能器水中的导纳曲线.制作的PMNT换能器水中谐振频率为1.7 kHz，谐振峰处电导值为0.76 mS;制作的PZT-4换能器水中谐振频率为2.0 kHz，谐振峰处电导值为0.12 mS.

图8给出了测量得到的PMNT弯张换能器和PZT-4弯张换能器发送电压响应曲线.PMNT换能器的最大发送电压响应值132 dB;PZT-4换能器的最大发送电压响应值127 dB.

图7 换能器水中导纳测试曲线Fig.7 The tested admittance curves of the transducers in the water

图8 PMNT和PZT-4换能器的发送电压响应测试曲线Fig.8 The tested transmitting voltage response of the transducers of PMNT and PZT-4

将以上有限元分析以及对换能器样机的测量得到的PMNT、PZT-4换能器的部分电声性能列于表2.

表2 PMNT、PZT-4弯张换能器的电声性能比较Table 2 The comparison of electroacoustic capabilities between PMNT and PZT-4 flextensional transducers

通过比较分析得到:同种结构尺寸的Ⅳ型弯张换能器，利用PMNT做驱动材料相比PZT-4，谐振频率降低17%，谐振时的电导值大5倍，获得的发送电压响应高5 dB.

4 结论

本文利用有限元软件ANSYS，设计并制作了一个谐振频率为1.7 kHz，最大发送电压响应为132 dB的PMNT弯张换能器.与制作的相同尺寸的PZT-4弯张换能器相比:

1)PMNT换能器的谐振频率低17%.

2)谐振时的电导值大5倍.

3)获得的发送电压响应高5dB，且单晶材料具有更大的能量密度，应用在低频大功率主动声呐中具有优势.

进一步的工作可针对弛豫铁电单晶材料的特点设计新型水声换能器，以及研究施加直流偏置电场对单晶换能器性能的影响.

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