小尺寸低功耗换能器的研究

孙淑珍王亮

（1.中国科学院大学，北京，100049；2.北京长城电子装备有限责任公司，北京，100082）

小尺寸低功耗换能器的研究

孙淑珍1，2王亮2

（1.中国科学院大学，北京，100049；2.北京长城电子装备有限责任公司，北京，100082）

根据水下电话通讯系统的特点，研制了一种低频、小尺寸、低功耗换能器。采用V型弯张钹式换能器，对其性能进行了仿真并制作了样机，在谐振频率为6.7 kHz时外形尺寸只有Φ40×12 mm，适用于水下电话通讯系统。

钹式换能器；低频；小尺寸；低功耗；水下电话

水声换能器用来发射和接收声信号，是水声设备中必不可少的装置。水下电话是水下作业时用的通讯设备。工作时，由潜水员将其背在身上。考虑到携带方便，需要换能器具有尺寸小、重量轻的特点，通常使用圆环型换能器。一般尺寸小的圆环换能器频率高，高频信号在水中传输时，传播损失较大。相对而言，低频信号的传播损失要小得多，声源级相同时，低频信号传播要远一些。本文尝试研制一种钹式低频换能器用在水下电话系统中。钹式换能器是一种小型化的V型弯张换能器，自从八十年代末宾夕法尼亚大学研制成V型弯张换能器以来［1］，有了一定的发展。它具有尺寸小、重量轻、频率低的特点，工作频带内无指向性，符合水下电话系统对换能器的要求。弯张换能器工作时利用的是换能器的弯曲和伸张振动，实现小尺寸低频工作。

1　结构及材料选择

钹式换能器是由陶瓷片和两片金属端帽组成，结构如图1所示，因其形状像乐器钹而得名。陶瓷片为端向极化，当有电压施加在陶瓷元件两端时，陶瓷元件作径向振动，进而带动两边端帽作弯曲振动。

图 1 钹式换能器结构示意图

通常，激励材料有PZT-4、PZT-8、PZT-5等，发射换能器一般选用硬性材料PZT-4，大功率发射选用PZT-8，接收用换能器选用软性材料PZT-5。由工作原理可知，钹式换能器主要利用了材料的d31，本文研究的换能器主要用于小功率发射，所以驱动材料选用d31较大的PZT-5。

端帽材料的选择有很多种，对于尺寸相同的换能器来说，谐振频率是与材料的声速成正比的［2］。图2中数字代表的金属材料分别是：1黄铜；2钨；3钢；4铝；5钛；6钼。数据表明可以通过选择金属端帽的材料来控制换能器的一阶谐振频率大小。其中黄铜作端帽换能器无论在空气中还是在水中，它的一阶谐振频率都比其它材料的要低。同时黄铜有很大的刚度和疲劳极限，综合考虑成本等因素，选择黄铜作端帽材料。

图 2 端帽材料对换能器谐振频率的影响

2　换能器性能仿真

如图1所示，换能器需要确定的参数有：金属端帽顶部直径R1、金属端帽底部直径R2、压电陶瓷片直径R3、空腔高度H、金属端帽厚度H1、压电陶瓷片厚度H2，环氧树脂的厚度H3，因为环氧层很薄，图中省略。ANSYS是一个大型的有限元软件，可以用来解决结构、流体及流固耦合等问题，适合做复杂综合分析。用ANSYS软件进行性能仿真，选择结构参数。

由于换能器的结构对称性，选取二分之一的对称模型，轴对称单元。钹式换能器有空气中及水中有限元模型如图3所示。由于水下电话通讯装置是背在潜水员身上，而换能器装在通讯装置的顶部，考虑到安装空间，初步确定换能器水中频率为6 kHz左右。

钹式换能器在空气中谐振频率和水中谐振频率分别随陶瓷片厚度、端帽厚度、空腔高度的增加而增加，随着空腔底部半径、空腔顶部半径的增加而减小。当陶瓷片厚度大于2 mm时，水中谐振频率变化不明显。发射电压响应随着陶瓷片厚度的增加而快速变小，随着陶瓷片半径、端帽厚度、空腔高度的增加而增大，而随着空腔底部半径的增大先是增大然后减小，随着空腔顶部半径的增大而减小［3］。端帽厚度变小的时候，谐振频率下降，所能承受强度也下降。陶瓷片变薄时，谐振频率会下降，陶瓷片所能承受的工作电压也会随之下降，进而所能发射的声源级也会降低。结合使用要求综合考虑，我们取陶瓷片直径为26 mm，厚度取2 mm；端帽厚度取0.2 mm，空腔高度2 mm。用ANSYS软件仿真其空气中及水中的性能，导纳仿真结果见图4，发射电压相应仿真结果见图5。

图 3 钹式换能器空气中（上图）及水中（下图）有限元模型

图 4 钹式换能器空气中（上图）及水中（下图）导纳曲线

从图4可以看出，换能器在空气中的谐振频率为11.8 kHz，水中谐振频率为6.5 kHz，-3 dB带宽为1.6 kHz。从图5可以看出，换能器的最大发射电压响应在6.6 kHz频率点处达到最大为127 dB。

图 5 钹式换能器的发射电压响应曲线

3　换能器性能测试及应用评估

根据上文仿真结果，组装并灌封了一个换能器样机见图6，外形尺寸为Φ40×12 mm。测试结果见图7和图8。

图 6 钹式换能器

图 7钹式换能器的发射电压响应测试曲线

从图7、图8中的测试曲线可以看出，研制的钹式换能器空气中谐振频率为11.70 kHz，水中谐振频率为6.43 kHz，-3 dB带宽为2.18 kHz，等效阻抗约8068 Ω；最大发射电压响应为126 dB。空气中和水中的谐振频率仿真结果和实际测试结果基本一致，-3 dB带宽实际测试结果比仿真结果要宽，这是因为在理论仿真建立模型时忽略了换能器粘接胶层及外面灌注的聚氨酯层，所以实际研制的样机工作频带比仿真结果宽，Q值偏小。在水声通信中，宽的工作频带会提高通信速率或减小误码率，在实际应用中更有优势。

图 8 钹式换能器空气中（上图）及水中（下图）导纳测试曲线

在三级海况，良好水文条件下，水下电话采用30 kHz高频水声信号，发射源级为170 dB，通讯距离可达到3.6 km，消耗功率为10 W。采用本文的钹式换能器，用6.7 kHz信号载频，消耗功率为10 W时，声源级可达174 dB，由于低频信号在水中的传播衰减小，通讯距离可达15 km。当通讯距离同为3.6 km时，采用30 kHz水声信号，消耗功率为10 W；采用6.7 kHz水声信号，消耗功率仅为0.2 W。由此可知，本文研制的低频换能器消耗功率非常小。

4　结论

本文研制了适合用在水下电话系统中的低频钹式换能器，给出了理论结果及测试结果，两者基本符合。由于优化了换能器结构部分尺寸分配，发射电压响应比国外某相同谐振频率的钹式换能器高3 dB左右。通常水下电话通讯系统中电源采用的是电池，能量有限，低功耗是非常有优势的。该型钹式换能器很好的符合了水下电话整机的小尺寸、低功耗要求，将其用在水下电话系统中是今后的一个研究方向。

［1］ NEWNHAM R E，DOGAN A. Metal-electroactive ceramic composite transducer：US5729077［P］.1998-03-17.

［2］ WALTER L CARNEY，THOMAS R HOWARTH，JAMES F TRESSLER. Thin，low frequency，oil-filled projectors for UUV applications［C］. The Industrys Premier US Conference and Exposition，2001，3：1577-1580.

［3］ 邢建新. Cymbal换能器及成阵技术研究［D］. 哈尔滨工程大学，2006.