压电复合换能器的结构对其频率特性的影响

　　0　引言

　　超声检测技术具有穿透能力强，设备简单，使用条件和安全性好，检测深度大等优点，是目前应用最广泛，使用频率最高的无损检测技术之一[1-2]。超声无损检测系统一般由发射换能器、数据采集器、数据处理软件和接收换能器等部分组成，其中压电换能器以其良好的收发性能成为无损检测系统的重要组成部分。对换能器来说，提高其检测性能，就需要换能器在工作时，具有宽频带，高灵敏度的特性。近年来，由于聚合物和压电陶瓷复合构成的压电复合材料，如1-3型压电复合材料，与压电陶瓷具有低声阻抗、低机械品质因数(Q)及高静水压压电常数等优点[3]，因而被广泛用于新型压电复合换能器的生产与使用[4-6]。Chong等[7]提出用PZT与1-3型压电复合材料组成的混合结构作为换能器压电晶堆，研究了不同压电晶堆结构组合对换能器频率特性的影响。Li等[8]采用1-3-2型压电复合材料制作了换能器及换能器阵，结果证明此种换能器具有频带宽、灵敏度高及稳定性好等优点。换能器一般由背衬、压电晶堆和前盖板构成，前盖板呈倒喇叭状。这种结构将产生两种振型，一种是换能器本身的纵向振动，另一种是由前盖板引起的弯曲振动，根据换能器的多模耦合原理[9-11]，通过调节弯曲振动频率，使弯曲振动频率与纵向振动频率相互之间较接近，达到增加带宽的目的[12-13]。因此，前盖板几何尺寸的设计对换能器的共振频率具有重要影响。

　　另外，由于压电复合材料中压电陶瓷体积分数的变化[3，5]会引起换能器共振频率的不同，这对拓宽换能器的频带会产生重要影响[7，14]，但针对这方面的研究较少，压电换能器的结构与共振频率的相互关系尚不清楚。因此，本文采用1-3型压电复合材料设计了压电换能器，并利用有限元软件AN-SYS研究了1-3型压电复合材料中压电陶瓷体积分数及前盖板几何尺寸对换能器共振频率影响。

　　1　有限元模型的建立

　　图1为换能器结构，前盖板设计成T型形状，压电晶堆采用压电复合材料。选取铝、钢分别作为前盖板与背衬的材料，压电陶瓷选用PZT5A。背衬、压电晶堆及前盖板后端面的直径和厚度分别为Φ10mm和6mm。表1、2分别为换能器、压电陶瓷PZT5A的材料参数[15]。

　　首先确定构成压电复合换能器各种材料的有限元单元类型，然后选择ANSYS有限元软件的六面体压电分析单元solid5来模拟1-3型压电复合材料，其他结构选用3-D结构实体单元solid45，并略去粘结层、上下电极片的影响[16-17]，即背衬与前盖板，他们的位移和力是连续的。最后，建立三维有限元模型，划分网格，施加边界条件，模态分析及求解。