低频钹式换能器的性能分析与设计

　　0 引言

　　压电陶瓷是水声换能器的核心部件,极化后的压电陶瓷以振动的方式将感应到的压力信号转换为电信号,或者反之将施加于其上的电激励信号转换为压力信号。提高压电陶瓷材料的压电系数,等同于提高诸如声纳阵元的性能[1-2]。材料学领域为此进行了多年研究,在提高压电陶瓷的居里点温度和压电系数等方面取得了诸多成果,并形成了系列产品,如PZT系列产品[3]。尽管压电复合材料仍然是该领域的研究方向[4],但在基材一定的情况下,其压电性能已无更大的提高空间。

　　由于压电传感器以振动方式工作,故利用振动规律提高传感器性能,即将结构与压电陶瓷进行物理复合,将结构振动与压电陶瓷振动进行耦合,可达到提高传感器性能的目的,并成为目前开发高性能压电传感器的前沿方向。1991年, Xu提出了附加月芽型金属结构(Moonie)的执行器,首次给出了物理复合的研究成果[5]。随后的10余年里,宾夕法尼亚州立大学材料实验室在资深声纳专家Newhamn的带领下,对该结构进行了改进与系列研究,取得了钹式换能器的研究成果[6-10],并在高频(约18 kHz)新型声纳阵元和胰岛素注射仪的实验与优化研究中[11-13]给出了压电传感器的共振频率、发射幅压响应及自由场接收灵敏度等性能指标随附加结构参数的变化规律。国内学者在陆续访问该实验室之后,相继开展了跟踪研究,主要成果表现在对钹式传感器的振动频率等指标进行分析计算等方面[14-15],且在国家自然科学基金项目资助下,导出了简化条件下钹式传感器的共振频率的理论解[16]。这些成果或者利用ANSYS作为分析工具,根据自身的应用背景证实了钹式换能器的结构参数变化规律,或者从理论上完善了钹式结构的解析解。事实上,在开发利用钹式换能器技术中,尚有诸多问题值得进一步研究,其中,制作工艺、材料的选择、模具的开发、结构的屈曲、介质的匹配性质及工作频率的变化等,皆为换能器指标的敏感因素,实验与功率的确定、阵列的模型与计算以及波束控制规律等都是制约开发该类传感器应用技术的研究课题。

　　本文首先利用有限元方法,研究结构振动随介质变化的规律,比较含有振动结构的钹式换能器与普通压电换能器的特性,同时给出了材料、振动结构的空腔高度、厚度以及半径等参数的设计规律,获得了更为全面实用的设计规律,以期通过钹式结构开发出新型低频换能器,并提高设计指标。在此基础上,制作了低频阵元样品。在随后的研究论文中,针对不同频段多类钹式换能器产品,研究了钹式结构阵元系列的制作工艺,并在水池中进行了低频阵元实验研究。

　　1 本构方程与共振频率估算