一种宽频带压电单晶换能器设计

刘一鸣, 田丰华,2, 宋 哲, 王 涛, 吕林夏

一种宽频带压电单晶换能器设计

刘一鸣1, 田丰华1,2, 宋 哲1, 王 涛1, 吕林夏1

(1. 中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077; 2. 西安交通大学 电子与信息工程学院, 陕西 西安, 710049)

为提高复合棒换能器的低频性能、工作带宽、发送电压响应和接收灵敏度, 文中以铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)压电单晶作为驱动元件, 利用匹配层技术拓展带宽, 设计了宽频带压电单晶换能器。利用有限元软件分别建立压电单晶换能器和相似规格的压电陶瓷换能器的有限元模型, 完成了对PMN-PT单晶材料性能的量化评估。水池测试表明, 利用PMN-PT单晶材料作驱动元件的宽带换能器与锆钛酸铅压电陶瓷PZT-4相比, 频率更低, 带宽更宽, 发送电压响应提高3~5 dB, 接收灵敏度提高1~12 dB, 可有效提高换能器的水声探测能力。

复合棒换能器; 压电单晶; 匹配层; 有限元; 宽频带

0 引言

现有研究表明, 声波是大海里唯一能够远距离传递信息和能量的载体, 而水声换能器作为声波产生、发射和接收的装置, 已成为水声技术发展的关键部件。随着信号处理技术的迅速发展, 为提高探测能力需要获取更多的信息, 这就对换能器的声学性能提出了更高的要求, 而新功能材料的使用是水声换能器性能提升的关键因素。

压电单晶材料自问世以来, 便以其优越的性能成为声学换能器的研究热点。1981年, Kuwata等[1]采用助溶剂法生长出达到压电测试尺寸要求的铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)材料, 测得其压电常数33=1500 pC/N, 机电耦合系数33=90%。接着, 美国宾州大学和中科院上海硅酸盐研究所的专家们, 分别采用不同方法生长出了大尺寸、高质量的弛豫铁电单晶材料[2-3]。之后, 国内外专家陆续开展了对单晶换能器的技术研究。Tressler等[4-5]用铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)单晶材料, 锆钛酸铅压电陶瓷PZT-4和PZT-5H材料分别制作了cymbal换能器基阵, 得出压电单晶换能器的声源级相对于PZT换能器至少大4 dB的结论; 获得同样的声功率, 单晶换能器所需的电压-电流乘积仅是PZT换能器的1/3; 单晶换能器在大驱动下工作1~2小时, 声性能没有明显下降。Shrout等[6]分别制作了PMN-PT单晶和1-3型压电复合材料超声换能器, 验证了单晶换能器具有更好的宽带特性和灵敏度。Meyer等[7]用单晶材料和PZT-8材料分别制作了同结构尺寸的复合棒换能器, 在保证相近频率工作的前提下, 单晶换能器的尺寸减小30%, 发射和接收响应更高并且发射效率更高。在国内, 孟洪[8]和郑信雄[9]等也开展了弛豫铁电单晶材料在水声换能器方面的应用研究。可见, 新型压电单晶材料具有许多优点, 其应用也可大幅度提高换能器各方面的性能, 是新一代换能器的理想功能材料。

为了提高换能器的收发性能和拓展换能器的工作带宽, 文中采用PMN-PT作为换能器驱动材料, 运用匹配层技术拓展带宽, 研制了一种宽频带压电单晶换能器。并通过有限元软件对压电单晶换能器和相似规格的压电陶瓷换能器进行仿真对比, 以对宽频带压电单晶换能器的水声探测能力进行评估。

1 新型弛豫铁电单晶材料及其性能

通过对比发现, PMN-PT单晶材料与PZT-4压电陶瓷相比具有以下优点: 1) PMN-PT的相对介电常数大于PZT-4, 以其作为换能器的驱动材料能够降低换能器的阻抗, 更易于实现阻抗匹配; 2) PMN-PT的柔性常数大于PZT-4, 易于获得较低的谐振频率或者减小换能器的尺寸; 3) PMN- PT的压电应变常数和机电耦合系数均大于PZT- 4, 有利于使换能器获得较大的应变, 扩展工作带宽。

表1 PMN-PT与PZT-4部分性能参数对比

表2 PMN-PT与PZT-4弹性常数对比

表3 PMN-PT与PZT-4压电应力常数对比

表4 PMN-PT与PZT-4相对介电常数对比

但是压电单晶材料矫顽场较低, 退极化场低, 居里温度较低, 抗压强度也较低, 这些弱点需要在设计制作过程中去研究解决。

2 理论分析

图1 复合棒换能器机电等效图

机械共振频率为动态回路中总电抗等于零时的频率。其中总电抗为

图2 左(右)半部分机电等效图

前后盖板假设为等截面细棒, 其等效机械阻抗为

若置于空气中, 则其等效机械阻抗为

所以可得频率方程为

3 2种换能器仿真比较

文中通过有限元软件分别对相似规格的压电单晶换能器和压电陶瓷换能器进行仿真。在建立模型过程中忽略粘接层、电极片等对性能影响较小的结构。由于方头复合棒换能器属于对称结构, 所以只建立1/4的3D换能器结构。前盖板选用密度较小的硬铝, 后质量块选用密度较大的铜, 预应力螺杆选用韧性较好的钢。

2种换能器前盖板和后质量块的尺寸完全一致。2种压电材料片的外径相同, 压电单晶PMN- PT的内径比压电陶瓷PZT-4的小2 mm, 厚度比压电陶瓷小2 mm, 并且2种换能器的压电材料片数均为4。2种换能器的匹配层横截面积完全一样, 压电单晶换能器的匹配层厚度比压电陶瓷换能器小2 mm, 其中匹配层的材料参数见表5。为了综合提升压电单晶换能器的声学性能, 将4片压电单晶片采用串并串的连接方式, 这样在换能器谐振频率不变的情况下, 使得换能器的电容变小, 阻抗变大, 从而提高换能器的接收性能。通过上述结构参数完成对压电单晶换能器和相似结构的压电陶瓷换能器的建模分析。换能器有限元模型如图3所示。

表5 匹配层材料参数

图3 换能器有限元模型

3.1 无匹配层仿真结果

无匹配层的2种换能器在空气中的电导值有限元仿真对比曲线见图4, 横坐标为谐振频率。

图4 无匹配层压电单晶换能器和压电陶瓷换能器电导值有限元仿真曲线

3.2 带有匹配层仿真结果

带有匹配层的2种换能器在空气中的电导值有限元仿真对比曲线如图5所示, 可以看出: 压电单晶换能器第1阶谐振频率为21.3 kHz, 第2阶谐振频率为44.3 kHz, 而压电陶瓷换能器第1阶谐振频率为22.7 kHz, 第2阶谐振频率为43 kHz。PMN-PT单晶换能器谐振频率处的电导值更高, 第1阶谐振频率更低。

图5 带有匹配层压电单晶换能器和压电陶瓷换能器电导值有限元仿真曲线

带有匹配层的2种换能器在水域中的发送电压响应(transmitting voltage response, TVR)有限元仿真对比曲线见图6。从图可知: 压电单晶换能器在17.8~42.2 kHz频带内, TVR大于134.2 dB, 起伏小于6 dB, 比压电陶瓷大3~5 dB, –6 dB带宽向两端拓展1.6 kHz, 故PMN-PT单晶材料的复合棒换能器发射性能更好。其中, 单晶材料压电常数和机电耦合系数都大于PZT-4材料, 更利于复合棒换能器获得较大的应变和拓展换能器的工作带宽。

带有匹配层的2种换能器在水域中的接收灵敏度有限元仿真对比曲线如图7所示, 可以看出: 压电单晶换能器在21~43.2 kHz频带内自由场接收灵敏度大于–172.3 dB, 起伏小于6 dB, 其比压电陶瓷换能器高1~12 dB, –6 dB带宽向两端拓展了7.6 kHz, 所以PMN-PT单晶材料的复合棒换能器接收性能更好。

图6 压电单晶换能器和压电陶瓷换能器发送电压响应有限元仿真曲线

图7 压电单晶换能器和压电陶瓷换能器接收灵敏度有限元仿真曲线

4 压电单晶换能器的制作与测试

4.1 压电单晶换能器的制作

4.2 压电单晶换能器的测试

将制作好的压电单晶换能器进行封装, 以确保在水中的密封性和绝缘性。借助自动化测量系统, 在消声水池对PMN-PT压电单晶换能器进行声学性能测试。

图8 压电单晶换能器实物

测试水中的TVR曲线见图9, 最大TVR为139.6 dB, 在18~42 kHz频带内, TVR大于134 dB, 起伏小于6 dB。测试水中的接收灵敏度曲线如图10所示, 最大为–166 dB, 在19~44 kHz频带内自由场大于–172 dB, 起伏小于6 dB。

图9 压电单晶换能器TVR曲线

图10 压电单晶换能器接收灵敏度曲线

4.3 试验结果对比分析

为验证PMN-PT压电单晶材料参数的可靠性及与对应换能器结构的匹配度, 文中对仿真结果与实测结果进行了对比分析, 如图11和图12所示。测试结果与仿真计算结果略有差异, 原因包括: 实际的PMN-PT单晶材料的性能参数和仿真材料参数略有差异; 在换能器各部分的制作过程中, 实际尺寸与设计尺寸存在差异; 各部分连接可能存在非刚性连接等。整体而言, 仿真结果与实测结果具有较好的一致性。

图11 发送电压响应实测与仿真对比曲线

图12 接收灵敏度实测与仿真对比曲线

5 结束语

文中通过有限元仿真对相似结构的PMN-PT压电单晶复合棒换能器和PZT-4压电陶瓷复合棒换能器进行了分析比较, 并研制了PMN-PT压电单晶换能器, 然后对其进行水池测试, 证明仿真结果与实测结果具有较好的一致性。通过有限元软件仿真对比分析表明: 相似结构下, PMN-PT单晶材料复合棒换能器的低频性能、工作带宽、发射和接收性能都优于PZT-4陶瓷材料的复合棒换能器, 所以PMN-PT材料能够有效地提高换能器的水声探测能力。结合不同的应用背景和需求, 后续还需开展PMN-PT压电单晶换能器的功率老化、抗振动冲击能力及相应的环境适应性研究。

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Design of a Broadband Piezoelectric Single Crystal Transducer

LIU Yi-ming1, TIAN Feng-hua1,2, SONG Zhe1, WANG Tao1, LÜ Lin-xia1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2. School of Information and Communications Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To improve the low-frequency performance, working bandwidth, transmitting voltage response and recei- ving sensitivity of the composite bar transducer, a broadband piezoelectric single crystal transducer is designed with PMN-PT piezoelectric single crystal as the driving element, and the matching layer technology is adopted to expand its bandwidth. The finite element software is employed to establish finite element models of the piezoelectric single crystal transducer and a similar piezoelectric ceramic transducer, and quantitative evaluation of single crystal PMN-PT materials is completed. Pool test shows that compared with the transducer with PZT-4 material, the designed broadband transducer has lower frequency and wider bandwidth, and its transmission voltage response is 3~5 dB higher and receiving sensitivity is 1~12 dB higher, indicating that the designed transducer has better acoustic detection performance.

composite bar transducer; piezoelectric single crystal; matching layer; the finite element; broadband

TJ630; U666.74

A

2096-3920(2020)01-0107-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.015

刘一鸣, 田丰华, 宋哲, 等. 一种宽频带压电单晶换能器设计[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(1): 107-112.

2019-05-28;

2019-07-09.

刘一鸣(1995-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水声换能器与声系统.

(责任编辑: 杨力军)