一种非谐振压电复合材料宽带换能器设计

李晓雷，滕 超，涂其捷，周 瑜

（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

1 引言

水声换能器作为声纳系统的重要部件，可实现水下声能和电能之间的相互转换。换能器按功能可分为发射换能器和接收换能器两种。其中：发射换能器可把电信号转换成声波发射出去；接收换能器可把水下声波转换成电信号供系统处理分析。按工作带宽，换能器又可分为宽带换能器和窄带换能器。宽带换能器由于传输信号的高保真性、完整性以及多样性，一直是国内外研究者重点关注的内容。

换能器拓展带宽的方法主要有以下几种：一是通过多模耦合方法实现，如多模谐振技术、匹配层技术和纵弯复合技术等；二是利用新型的材料技术，通过降低材料元件的机械品质因数拓展带宽，如1-3 型压电复合材料［1］；三是应用非谐振频段工作技术，即把换能器的谐振频率设计得远大于工作频段的上限值。

某种水下声探测设备要求换能器的接收灵敏度≥-195 dB（60～100kHz），且带内起伏≤4 dB。针对这一需求，本文将1-3 型压电复合材料拓展带宽技术和非谐振频段工作技术相结合，设计了一种非谐振压电复合材料宽带换能器，并进行了仿真分析和换能器的制备与测试。

2 换能器仿真设计

非谐振压电复合材料宽带换能器主要包括电缆、金属壳体、1-3 型压电复合材料敏感单元、吸声泡沫以及防水透声层，结构如图1 所示。

2.1 1-3 型压电复合材料敏感单元结构

非谐振压电复合材料宽带换能器的敏感单元由基于1-3 型结构的压电复合材料组成，结构如图2 所示，包括压电相、聚合物相和上（下）电极。图2 中，方柱部分为压电相（本文选用压电陶瓷），仅在Z 方向上连通；压电柱周围填充的是聚合物相，在X、Y、Z 这3 个方向上均连通。1-3 型压电复合材料在垂直于极化方向上，压电柱与聚合物属于串联关系，可减小复合材料的横向耦合，大幅提高了复合材料的等静压下的压电常数，从而提高了换能器的接收灵敏度。同时，聚合物的低密度和低声速等材料特性，降低了压电复合材料特性阻抗和机械品质因数，使其具有容易与水特性阻抗匹配的优点。

2.2 换能器仿真设计

采用有限元数值计算方法，对如图1 所示的非谐振压电复合材料宽带换能器进行仿真分析，包括模态分析和谐响应分析。根据换能器的结构特点，建立等效四分之一对称模型，设置边界条件和边界载荷。同时，为了减小计算量，忽略对换能器性能影响较小的电缆、吸声泡沫、金属壳体和防水透声层等结构。添加四分之一水域结构并划分网格，如图3 所示。

2.2.1 模态分析

首先进行模态分析，通过调整1-3 型压电复合材料的结构参数（主要是厚度），使其谐振频率远大于工作频带60～100 kHz 的上限，最终确定压电复合材料长115 mm、宽22 mm、厚7.3 mm，对应的一阶纵振模态如图4 所示，频率为204.25 kHz。

2.2.2 谐响应分析

通过进行谐响应分析，计算非谐振压电复合材料宽带换能器在远离谐振频率204.25 kHz 的工作频段60～100 kHz 范围内的接收灵敏度，结果如图5 所示。由图5 可知，在60～100 kHz 频率范围内，换能器的接收灵敏度≥-191 dB，且带内起伏≤2 dB。

3 换能器制作与测试

3.1 换能器制作

根据仿真优化计算确定的结构尺寸，制作相应的换能器样机。首先制备1-3 型压电复合材料，制作过程包括切割、灌注、固化、研磨及制备电极，实物如图6 所示。

把制备好的1-3 型压电复合材料装进支撑结构，并用防水透声橡胶密封，制作成的换能器样机如图7 所示。

3.2 换能器测试

非谐振压电复合材料宽带换能器的空气中性能主要利用E4990A 精密阻抗分析仪进行测量，测量频率范围50～300 kHz。图8 是非谐振压电复合材料宽带换能器在空气中导纳曲线图。由图8可知，非谐振压电复合材料宽带换能器在空气中的谐振频率为206 kHz，与模态分析计算出的一阶纵振频率204.25 kHz 几乎一致，对应的最大电导值为20.3 mS。

图9 是非谐振压电复合材料宽带换能器在空气中的阻抗曲线图。由图9 可知，非谐振压电复合材料宽带换能器在空气中的反谐振频率为246 kHz，电阻峰值为5.3 kΩ。

由图8 和图9 可知，非谐振压电复合材料宽带换能器在工作频带60～100 kHz 内，空气中导纳和阻抗曲线平滑，无较大起伏。

利用水声自动测量系统在消声水池测量非谐振压电复合材料宽带换能器的接收灵敏度。水池尺寸5 m×2 m×2 m，测量结果如图10 所示。由图10 可知，在工作频带60～100 kHz 内，换能器的接收灵敏度≥-192 dB，且带内起伏≤3 dB。

3.3 仿真与实测对比分析

把非谐振压电复合材料宽带换能器接收灵敏度的仿真结果和测量结果进行对比分析，结果如图11 所示。由图11 可知，换能器接收灵敏度的实测值与仿真值基本相符，曲线趋势一致，各频点对应值相差小于1.5 dB，说明有限元仿真计算可为换能器制作提供前期设计支撑。

4 结语

本文利用有限元数值计算的方法，对基于1-3型压电复合材料的非谐振宽带换能器进行了仿真优化设计，包括模态分析和谐响应分析，并在仿真优化计算的基础上制作了非谐振压电复合材料宽带换能器样机。利用E4990A 精密阻抗分析仪测试换能器空气中的导纳和阻抗，测试结果与模态分析仿真计算中的一阶纵振频率基本一致。此外，利用水下声学自动测量系统在消声水池中测量换能器的接收灵敏度，并与仿真计算结果进行对比，结果显示两条曲线基本吻合。由测量结果可知，采用1-3 型压电复合材料降低机械品质因数与工作频段上限远离一阶纵振频率相结合的方法，可实现换能器工作频段内的宽带接收。因此，这种基于1-3 型压电复合材料的非谐振宽带换能器可作为水下探测、识别和成像设备上接收阵列的阵元组成部分。