径向振动压电超声换能器的发展及应用

刘世清, 麻磊磊

(浙江师范大学 应用声学研究所，浙江 金华 321004)

压电换能器的发展以压电效应的发现和压电材料的应用为前提。1880年法国科学家Jacques Curie和Pierre Curie在理论预见的基础上并实验证实，某些单晶材料沿一些特殊方向受到压应力时会在晶体表面产生电荷，即压电效应。随后Lippmann预言了逆压电效应的存在并为实验所证实。压电材料是一类能直接实现机械能和电能之间转换的功能材料，已广泛应用于机械、电子及军工等领域，在力、热、光、电、磁等功能转换器件应用中具有不可替代的作用。压电材料可分为压电单晶、压电陶瓷、压电高分子以及压电复合材料等几大类。石英晶体是一种最为熟悉的压电单晶材料；铌酸锂单晶是早期较新一代压电单晶材料的典型代表。20世纪五六十年代，锆钛酸铅(Pb(ZrTi)O3，简称PZT)压电陶瓷材料的发现及应用具有里程碑意义。与钛酸钡、偏铌酸铅等压电材料相比，PZT压电陶瓷具有更加优异的压电性能、较低的机械及介电损耗、较大的压电常数和机电耦合系数，特别适合于强电场及大振幅激励，并可通过组分变更在很大范围调整其性能，以满足不同应用的需要，PZT是目前应用最为广泛的压电陶瓷材料[1-5]。

在压电超声换能器发展过程中，提高压电材料的性能至关重要。20世纪90年代末发现的弛豫铁电单晶材料[6-7]，被认为是压电材料领域的革命性突破。近年来，研究者发现钐掺杂弛豫铁电单晶材料铌镁酸铅-钛酸铅(PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3, 即PMN-PT)，具有极优异的压电和机电耦合性能，其压电系数高达4 000 pC/N以上，介电常数达12 000，压电常数d33高达2 000～3 000 pC/N。此外，近年来高温压电陶瓷材料的研究也获得了突破性进展，如钪酸铋-钛酸铅BiScO3-PbTiO3(BS-PT)高温压电陶瓷[8-9]，通过组分调控，其高温压电性能可媲美弛豫铁电压电单晶材料。可以预见，这些新型压电材料一旦实用化，必将对压电超声换能器的发展产生极其深远的影响。

超声换能器是用来产生和接收超声的通用元件，种类较多，如：静电式、电容式、电磁式、磁致伸缩式以及电致伸缩式等，其中基于压电效应工作的换能器称为压电换能器，是目前应用最为广泛的一种类型。一方面，压电换能器结构简单，并可加工成各种形状满足不同的应用需要；另一方面，压电材料机电转换效率较高，功率密度大，且性能稳定。最早的实用型压电换能器是P. Langevin(P. 郎之万)换能器，亦称夹心式压电换能器。夹心式压电换能器也是目前功率超声领域应用最为广泛的纵振超声换能器。在功率超声领域，为适应新技术需要，除了常用的纵向振动模式超声换能器，逐步发展出了弯曲振动[10-11]、扭转振动以及纵扭及纵弯复合振动模式的超声换能器[12-16]。此外，换能器的工作频率也从单一频率发展到多频[17-18]，如用于超声清洗的复频和宽频超声换能器、用于超声焊接的双工作频率超声振动系统等。

除了纵向、扭转及弯曲等几种常用的振动模式外，径向振动也是一种重要的振动形式。径向振动压电换能器具有辐射面积大、辐射效率高、径向辐射指向性均匀以及声波作用范围广等一系列独特优点，在水声、超声降解以及声化学等超声液体处理技术领域应用广泛[19-22]。本文对径向或准径向振动模式压电超声换能器及其应用和发展进行介绍，分析几种不同换能器的优缺点和设计思路。

1 径向振动压电换能器

1.1 圆管型压电陶瓷换能器

圆管型压电陶瓷换能器[23]主要应用于水声领域，其不仅结构简单，而且性能相当稳定，并且沿半径方向指向性均匀，接收灵敏度高。薄壁短圆管(或圆环)压电换能器是一种独特的单一径向振动模式，且无二次谐波，广泛用作水声发射或接收换能器。作为发射器的优点是效率高；作为接收器，则具有十分平坦的灵敏度频率响应，因而常用作标准水听器。薄壁压电短圆管分为径向极化和切向极化两种，它是一种理想的一维振动系统。径向极化为3-1耦合，机电耦合系数较小，但制作工艺简单；切向极化为3-3耦合，可获得较高的发射效率和接收灵敏度，制作工艺相对复杂。对于厚壁压电陶瓷长圆管换能器，则需要利用耦合振动理论或有限元法进行分析和设计。

图1为一种自由溢流式圆管型压电换能器，它由一组几何尺寸及性能参数相一致的压电短圆管等间隔排列并与外部长圆管胶合在一起，陶瓷管内外浇注一层高分子材料，如：环氧树脂或硫化透声橡胶。在水下工作时，其内腔可进水形成谐振腔，常用作深水发射换能器。若在自由溢流式结构中采用厚度极化压电圆盘，则为一种增压式换能器。

图1 自由溢流式压电圆管换能器Fig.1 Structure of free overflow piezoelectric tubular transducer

图2为镶拼式圆管压电陶瓷换能器，常应用于低频水声范围。此换能器由一系列相同尺寸的弧形压电陶瓷片镶嵌而成。相邻两单元接触面为电极面，进行极化处理。镶嵌成圆管时，极化方向沿圆管切向方向。弧形压电陶瓷单元在电路上并联，相邻两单元的极化方向相反。显然，镶拼式圆管结构降低了制作工艺难度，且各单元极性与激发电场方向一致，提高了机电耦合系数；但同时在环壁中存在不连续性，削弱了圆管的结构强度。

图2 镶拼式压电圆管换能器Fig.2 Mosaic tubular piezoelectric transducer

上述径向振动圆管(或圆环)压电换能器主要用作水声发射或接收器。由于水声信号的收发一般要求无失真并且稳定，以避免产生空化和非线性效应，因而此类压电换能器在结构上一般不施加大的预应力，故其功率密度较小，声辐射效率也较低，一般为30%～40%[24]。为提高这类径向振动压电换能器的功率和效率，拓展其应用范围，一类大功率径向辐射压电超声换能器逐步推出和发展起来并获得广泛应用。依据工作原理，此类换能器主要有两和：一种是通过振动模式的转换来获得径向声辐射，如纵-径振动模式转换等；另一种为直接利用压电陶作径向驱动获得径向声能辐射。

1.2 复合型圆管压电换能器

20世纪80年代，Walter[25]推出了一种能有效改善超声清洗场的径向辐射推拉式圆管换能器(push-pull transducer)，如图3所示。它是通过激励耦合在一根长金属圆管两端(或一端)的纵向振动复合压电换能器，对圆管产生同相推拉作用，从而在其径向产生声辐射。单个换能器功率能达2 kW以上。管长通常为半波长整数倍，即工作于其基频共振频率的整数倍模态上。事实上，推拉换能器工作在径长耦合振动状态，而非单一径向振动模式。圆管实际上处于一种驻波振动状态，因而沿管长方向辐射声场分布为驻波场，其辐射声场的均匀性有待进一步改善和提高。

图3 Push-pull推拉式换能器 Fig.3 Push-pull transducer

20世纪90年代，Hielscher公司推出了系列UIP大功率棒形超声换能器[26]，如图4所示。该类型换能器目前能承受的最大电功率可达16 kW，且能工作在高温高压等极端恶劣环境下。原理类似于push-pull推拉换能器，由一个或多个(多头并联或多级机械串联)大功率纵向复合压电超声换能器激励一根带有阶梯盘的金属长棒，棒的长度亦满足λ/2

图4 棒形超声换能器Fig.4 Rod ultrasonic transducer

的整数倍。阶梯盘一般设计在棒的振动位移波幅或波节位置，其作用一方面加大了棒的有效声辐射面积，以提高声辐射效率；另一方面也增加了圆棒强度，可防止在大功率工作状态下，因位移振幅波节处应力集中而导致金属棒断裂。实际应用中发现，由于阶梯盘的作用，棒形超声换能器在水中的辐射声场分布均匀性优于push-pull推拉换能器，两者在水中的空化效果如图5所示。

图5 水中空化云图Fig.5 Distribution of cavitation in water 注：网络版为彩图。

对于此类管形(或棒形)超声换能器，国内学者也开展了广泛而深入的研究[27-29]。主要针对这类超声换能器的耦合振动模态、辐射声场特性以及结构进行了数值分析和优化设计。在此基础上进一步研制出了用于声化学反应、超声降解等处理的新型超声管形聚焦式声化学反应器。

上述管形或棒形换能器均通过纵向激励产生径向声辐射，是一种径长耦合振动，并非严格的径向振动，其径向辐射声场可借助有限元数值计算或边界元方法进行分析和设计。

另一种比较典型的圆柱形压电换能器是直接利用压电陶瓷圆管驱动产生径向振动，如图6所示。它是在一根金属圆管内部嵌套有多级径向极化压电陶瓷管，金属管对内部压电圆管提供一定的径向预应力。文献[30-32]对这种圆管复合压电换能器单元的径向振动特性进行了研究。这种圆管换能器的激励电场沿半径方向，与压电圆管极化方向及波传播方向一致，因而具有较高的电声效率。但也存在“先天”不足，一方面径向极化压电圆管径向振动模的横向机电耦合系数k31较小；另一方面，由于压电圆管抗压强度差，金属管对其不能施加太大的径向预应力，否则导致压电陶瓷圆管破裂。因此，换能器的功率受到制约。此外，换能器一般采用热胀冷缩法进行装配，预应力大小很难控制，需一次成型，且不可拆卸，换能器性能一致性难以保证。

图6 柱形形压电超声换能器 Fig.6 Cylindrical piezoelectric ultrasonic transducer

1.3 径向复合压电超声换能器

复合型压电换能器功率密度大、机电转换效率高且性能稳定。为适应大容量超声液体处理技术需要，近十几年来，功率容量大、辐射效率高及声辐射指向性均匀的径向复合压电超声换能器发展起来，并在声化学反应、超声降解等大功率液体超声技术等领域极具应用前景。

文献[33-34]提出了一种新型的径向复合薄圆盘压电超声换能器，并对其径向振动特性进行了研究。该换能器由内部金属薄圆环与外部的压电陶瓷薄圆环径向复合而成。依据具体的应用，压电圆环的极化方式可分3种情况，即厚度极化、切向极化以及径向极化。针对每一种极化方式，与之相对应的压电圆环振动模式有厚度振动、径向振动和弯曲振动3种情况。此外，决定压电陶瓷圆环振动模式的因素还与外激励电信号的频率有关，例如：对厚度极化压电陶瓷薄圆环，其径向共振频率较低，而厚度共振频率较高。然而，由于压电陶瓷环抗张强度低，该径向复合换能器内部金属薄圆环不能施加太大的预应力，因而其功率密度较小。

文献[35-37]提出的径向复合盘压电换能器是由内部的厚度极化压电圆盘与外部金属圆环复合而成，如图7所示。它是利用金属外环对压电圆盘施加较大的径向预压应力以提高换能器的功率密度。换能器为薄盘结构，可近视为一维径向振动系统，通过等效电路理论可得到其径向振动频率方程。这种压电换能器一般通过热胀冷缩来装配，为保证换能器性能的一致性，必须要求高精度的过盈配合加工和装配工艺。

对于径向复合薄圆盘压电换能器，一方面由于径向预应力施加与控制比较困难，导致各换能器性能的一致性也难以控制；另一方面，由于换能器为薄盘结构，其侧辐射面积较小，声辐射效率低，实用性不强。当然，可利用若干性能参数较一致的径向复合盘压电换能器通过轴向层叠方式以增大其声辐射面积，但工艺比较复杂。为此，具有较大辐射面积高功率径向复合圆柱换能器被研发出来。图8所示为一种三元径向复合圆柱压电超声换能器[38]，换能器由三部分组成：外部为金属圆管；内部为圆柱形金属弹性膨胀内芯；中间层为一组相同的弧形压电陶瓷片，它可由径向极化压电陶瓷管等分切割而成。对换能器的压电陶瓷施加一定的预压应力，能够成倍地提高其电功率极限[39-40]。此换能器内部为径向力可调节弹性膨胀内芯，其可协同外部金属圆管对弧形压电陶瓷环组施加足够大的径向预压应力，从而大幅提高换能器的电功率极限和功率密度。此外，厚度极化柱面压电陶瓷片准厚度振动模的机电耦合系数kt显著大于径向极化压电陶瓷圆管径向振动模的横向机电耦合系数k31，并且所加的电场方向与压电陶瓷极化方向相同，提高了换能器的机电转换能力。其径向振动特性的理论、实验及数值分析参见文献[38]。

图7 径向复合盘压电超声换能器Fig.7 Radial composite disc piezoelectric ultrasonic transducer

图8 径向复合圆柱压电超声换能器Fig.8 Radial composite cylinder piezoelectric ultrasonic transducer

图9为近年发展起来的一种新型三元复合夹心式径向振动压电超声换能器[41]，其结构与径向复合圆柱换能器基本相同。换能器中间层为一组弧形压电陶瓷晶片堆环组，每个弧形压电晶堆由若干柱面压电片沿径向层叠而成(常为偶数片)。相邻两弧形压电晶堆之间去耦或为空气隙。两层叠弧形压电片均沿半径方向极化，且方向相反，晶片之间夹以弧形金属电极片。其径向振动特性理论分析参见文献[41]。

图9 夹心式径向复合压电超声换能器Fig.9 Sandwiched radial composite piezoelectric ultrasonic transducer

显然，该结构增加了换能器的压电陶瓷占比，可大幅提高压电换能器的功率容量，且可实现换能器内外同电极性连接。理论与实验结果表明，对于径向复合压电换能器，若要获得较高的有效机电耦合系数，一方面应采用第二阶径向振动工作模式和较薄的预应力管壁；另一方面，压电陶瓷应尽量设计在第二阶共振位移节线附近。此外，第二阶径向振动模式频率较高，能实现高频、大尺寸的特性。

单个换能器的功率有限，若要获得更大的功率容量，可采用若干性能参数一致的径向复合压电换能器沿轴向串接方式来实现，理论上功率可不受限制，图10为双节串接夹心式径向复合换能器示意图。但必须指出，对于径向复合型大功率压电超声换能器，施加径向预应力比纵向复合压电换能器困难的多。因此，如何实现径向复合压电换能器系统中预应力的施加与控制是一个需要进一步解决的关键技术问题。此外，由于压电陶瓷采取分割极化处理，增加了此类换能器的装配工艺难度。

图10 轴向串接夹心式压电换能器Fig.10 Two sandwiched piezoelectric transducers in axial series connection

2 结论与展望

本文主要对径向振动压电超声换能器及其应用进行了介绍。特别对近十年来发展起来的新型大功率径向复合压电超声换能器的发展现状及面临的问题进行了综述。与纵向振动换能器相比，径向振动超声换能器不仅辐射面积大、作用范围广，而且周向辐射均匀，是一类特别适合液体类介质超声处理技术的换能器。相对于振动模式转换径向辐射换能器，径向复合型大功率压电超声换能器结构比较复杂，工艺要求较高，特别是径向预应力的施加与控制是目前制约其发展的关键技术问题，如得以解决必将极大地促进其应用发展。

振动模式转换超声换能器结构简单，且工艺制作成本低。因此，目前应用中的大功率径向振动辐射超声换能器主要是纵-径振动模式转换换能器，如推拉式换能器等。然而，对于液体介质超声处理换能器，除了希望有大的功率容量外，一方面还希望有尽可能大的体积形变(或排液量)以提高其声辐射效率；另一方面，亦希望有尽可能均匀的辐射声场分布以增大超声作用范围和处理效果。从这个意义上讲，弯曲振动模式更具优越性，其声辐射效率更高。因此，进一步研制和开发适用于液体处理的新型结构和振动模式的大功率、高效率径向辐射超声换能器具有重要意义。

压电超声能器应用已广泛渗透到机械、电子、航空航天、能源环境以及生物制药等领域，其研究领域涉及力学、机械、电子学及声学等多学科交叉。尽管目前我国在压电材料研制、工艺及换能器的产业化方面与发达国家相比仍有一定差距，但近年来在压电换能器理论研究、结构设计及应用开发等方面发展较快，某些方面的研究成果已达到甚至领先于国外水平。本文概述挂一漏万，以期抛砖引玉。