500 kHz超聲壓電換能器儲存性能

成冬冬,解立洋,譚菊琴,楊 堅,陳荷娟

(南京理工大學智能彈藥技術國防重點學科實驗室,江蘇南京 210094)

0 引言

超聲壓電換能器是超聲探測系統中的重要器件,實現同頻率下電能與機械能的互換,要求具有簡單可靠、抗干擾能力強、適用范圍廣等特點。本文測試壓電換能器的諧振頻率為500 k Hz,用于近炸引信水下目標探測系統,要求在整個可聽聲頻范圍內,換能器響應均勻、不發生共振。根據引信應用特點,換能器還必須滿足十年及更長時間的長存貯性要求。設計時為避免波形瞬態畸變,盡量降低共振系統尖銳度(Q值),尤其水聲聲源的工作帶寬有限,Q值不能太高。針對目前國內市場上缺乏高于100 k Hz換能器的情況,作者所在課題組研制了一批300～500 k Hz、波束角 14°的壓電換能器[1-3]。在這種高質量換能器制作中,聲學元件質量較難控制,隨著存放時間的延長,發現同批、同頻率換能器機械品質因素值、導納值發生變化,輸出信號失真,甚至不振動。為了找出原因,2005年重新制作了20個500 k Hz換能器,且在之后的五年內定期測試,以探索其儲存性能。

1 引信用換能器結構及其實驗原理

圖1為換能器結構示意圖,外殼厚度為6.6 mm,晶體材料為鋯鈦酸鉛P-51,晶片尺寸:直徑Φ10 mm×3.6 mm。吸聲背襯為環氧絕緣板,用環氧樹脂灌封。設計換能器多采用等效電路類比法,本文采用這種方法用來分析換能器的阻抗特性,等效電路見圖2。忽略換能器電損耗,假設在串聯諧振點換能器等效參數恒定不變,則諧振點附近的總導納為:

式中,Y為總導納,Y0和Y1分別為靜態導納和動態導納,ω為施于換能器上的激勵電信號角頻率,C0、R1、C1和L1分別定義為壓電圓片的等效靜態電容、動態電阻、動態電容和動態電感。在力端增加電阻R1,主要是考慮機械內耗和輻射阻。將式(1)的實部和虛部分別用G1、B表示,稱為電導和電納,則有:

圖1 換能器結構圖Fig.1 The structure of transducer

圖2 換能器等效電路圖Fig.2 The equivalent circuit of transducer

設換能器頻帶寬度為ωs(簡稱帶寬),是電導G1隨角頻率變化曲線上對應低于最大頻響3 dB處上下兩個半功率點頻率之差[4],得到機械品質因素Qm時,G1最大,G1max=1/R1。若考慮換能器的靜態損耗R0,則總導納G=G1+1/R0,圖3所示的電導曲線將向上平移1/R0。機械品質因數Q m決定電導曲線變化的快慢,Qm越大,G1值在諧振頻率附近變化越快。

三電壓法測試原理如圖4所示,電壓源為一正弦信號U G(正弦信號的有效值),測試換能器和一電阻串聯連接,則換能器阻抗模和幅角分別為:

式中,UT為被測換能器上的電壓;UR為串聯阻抗電壓;UG為電壓源電壓;ZT為換能器阻抗的模;φ為換能器阻抗的幅角;R為串聯電阻阻值。

圖4 壓電換能器導納測量原理Fig.4 The measuring principleof admittance of piezoelectric transducer

換能器放置姿態、被測件與測試儀器距離滿足GB7965-87《聲學水聲換能器測量》的要求[5]。由信號發生器產生10 V正弦信號,信號頻率范圍:300～600 k Hz,由數字式導納分析儀測得的數據 f、UG、UT和UR通過串口傳到上位計算機,按式(1)—式(3)計算出在頻率為 f時被測量導納值,并繪制曲線,計算機操作界面見圖5[6]。

圖5 壓電換能器導納測量原理Fig.5 The operator interface of admittance measurement

2 換能器儲存性能測試結果

2005年 、2006 年 、2007年 、2009年 4—5 月間,測試了2005年制作的換能器在空氣中的導納曲線,根據導納曲線得到的帶寬ωs、諧振頻率 f、最大電導值G1max列于表1,由表1數據得到的隨存放時間延長的變化見圖6。

表1 測試帶寬和最大電導值Tab.1 Test bandwidth and maximum conductivity

圖6 按表1繪制數據的曲線Fig.6 The curve traced by data of table 1

根據表1和圖6,將帶寬、諧振頻率、最大電導值變化歸納如下:

1)大多數換能器存放到第三年時(2007年),帶寬ωs變大,帶寬變化曲線明顯高于其他年份。隨后下降,在第五年下降到很低值(一致性很差),這時Q m很大,波形已嚴重畸變。

2)第一、二年(2005、2006年),這一批換能器的諧振頻率變化較一致,且每個換能器的頻率誤差很小,最大誤差值只有10.6 k Hz(09#)。第三、五年,諧振頻率變化曲線明顯上移,說明諧振頻率都已偏離設計值。

3)最大電導值在第三年前都有下降趨勢,但變化量很小。第五年的最大電導值突然上移了很多(約5 ms),說明換能器的動態電阻變小了?？倢Ъ{G=G1+1/R0,其中靜態電阻R0緩慢增大對導納影響不大,那么,動態電阻R1若突然變小則將使電導值急劇增大,從而改變阻尼系數和品質因數。從壓電換能器的結構和制作工藝角度分析,背襯(聲阻尼)和透聲層(載聲介質)材料對換能器性能影響最大[1]。

3 換能器儲存規律驗證

通過五年的儲存測試得到:換能器帶寬第五年開始降低到很低值、諧振頻率和最大電導值第三年開始突變。分析原因,主要有以下幾方面:

1)溫濕度變化影響媒質振動速度和壓電晶體極化性能。測試中還發現溫度和濕度影響換能器輸出波形,有的已無信號輸出(這批換能器沒有專門去濕干燥、恒溫存放)。從聲波傳輸特性分析,媒質的壓縮特性將影響聲波傳輸的快慢,即聲速。溫濕度變化,使空氣媒質的密度變化,則媒質質點振動速度將改變,從而影響聲波傳播,導致換能器輸入輸出響應變化,嚴重的會不振動。溫濕度變化也將改變晶體的極化性能,極化后鐵電陶瓷內定向排列的90°疇和180°疇隨時間延長而逐漸無序化。材料內部產生空間電荷,在壓電晶片兩面特性阻抗介質中產生的動摩擦力將增加,厚度與振動不滿足半波長要求,使f偏離基頻。晶體元件的厚度直徑比(t/d)設計不當,也是出現諧振頻率后出現多峰的主要原因,t/d值越大,越不會出現次峰。

2)透聲層介質與晶體阻抗不匹配。換能器發射平面波,其聲波應該處處與媒質特性阻抗相匹配(相等),這樣換能器的傳播損耗最小。P-51材料的Qm雖然低(一般Qm＜10),不易產生波形瞬態畸變,但其材料內損耗較大,聲輻射功率較低。其次,理論計算中忽略了換能器結構中粘接層對阻抗匹配的影響,實際上壓電圓片與吸聲背襯、透聲層粘貼在一起后,由于阻尼作用,而會使原定的諧振頻率有所降低。此外,透聲層材料泡水后導致阻抗改變(因這批換能器同時也進行水中測試),也會破壞匹配關系,實際觀察發現透聲層已經暗淡發黃,材料有老化的外在表征。透聲層介質與晶體阻抗不匹配降低聲輻射效率。

3)背襯和環氧膠工藝差使Q m值不一致。早期制作換能器晶體的背襯(吸聲)材料采用去耦橡皮板,雖然在諧振峰的電導值有提高,同時也提高了換能器的Qm值,頻帶變窄,不易對準500 kHz諧振頻率,耐沖擊性能差。本設計背襯材料改為環氧樹脂和鎢粉的混合物,雖然在諧振峰的電導值有所降低,降低了值,但使前后峰連在一起,帶寬有所增加,換能器能處于寬頻帶下工作(見表 1帶寬達幾十k Hz),容易保證工作頻率在帶寬之內,減少了透過壓電晶體元件的聲波因界面反射而再度返回晶體形成的次生壓電效應。然而,外購環氧樹脂無法檢測、篩選,不能保證與鎢粉的配比,Qm值一致難以保證。另一方面,粘結表面(包括電極片、墊片和陶瓷片表面)的環氧樹脂涂抹不均,膠體內產生氣泡,環氧膠隨著存放時間延長,換能器的導電性變差和粘接不牢,累積到一定程度因振動松潰最終造成電導最大值急劇增大而損壞。

超聲壓電換能器是超聲探測系統中的重要器件,其性能的優劣直接影響系統的總體性能。引信用換能器必須滿足其應用特性,還應該牢固、耐沖擊、長期儲存性能穩定。通過對500 k Hz超聲換能器儲存實驗及性能變化原因分析,提出了幾點注意事項:

1)控制換能器的輸出功率,保持產品性能的一致性。尤其對于引信用多個換能器組成的基陣和由串聯或并聯組成收發系統,產品性能一致性直接影響探測效果。因成品率低,通過篩選獲得性能完全一致的換能器,成本很高,所以,制作時除了晶體圓片性能和參數盡量一致外,一個有效的方法是將分配功率相差控制在±0.5 dB,即換能器功率誤差不超過1 d B,則最大電導值在1～0.8 ms內變化。

2)使用剛度好的背襯環氧絕緣板,有利于提高阻尼系數而使品質因數減小,同時可提高抗沖擊能力。為了彌補背襯和環氧膠因工藝性差而使Qm值不一致的缺陷,可以在壓電晶體圓片的負極澆注吸收塊,吸收向背面發射的超聲波,抑制徑向振動和雜波,對壓電圓片的振動起阻尼作用,從而起到降低晶片機械品質因數的作用。

3)對厚度振動模式換能器,當受迫振動達穩定時,厚度等于振動半波長(l=λ/2)[1,3],振動在基頻附近,如按這一規律選取晶片厚度,就可減少諧振頻率后多峰的出現。

4)為了提高聲輻射效率,應該重新選擇匹配層的厚度,盡量讓結構與晶體圓片的阻抗匹配,修正理論計算模型,將粘接膠體作為聲學匹配層考慮,可考慮設計多層聲匹配結構。由于本換能器用于水聲探測,所以可設置水密保護層以延緩透聲層老化,選擇更耐用透聲層。

5)灌封時,均勻攪拌環氧膠和均勻涂抹粘結表面,充分溢出氣泡,保證透聲層厚度。固化時嚴格控制環氧膠的溫度和時間。

4 結論

通過對500 kHz超聲換能器五年的存儲測試,得到了諧振頻率、帶寬、最大電導值隨存放時間變化的規律,發現換能器諧振頻率和最大電導值第三年開始突變,帶寬第五年開始降低到很低值。認為長期儲存中,溫濕度變化、透聲層介質與晶體阻抗匹配特性及背襯和環氧膠工藝性是影響換能器工作的主要因素,從結構和工藝上提出了控制換能器的輸出功率的一致性,使用剛度好的背襯環氧絕緣板等改進措施,為提高長貯性、改進超聲波換能器制作提供參考。

[1]陳荷娟,馬寶華.水中探測超聲換能器研究[J].儀表技術與傳感器,2001(7):9-11.CHEN Hejuan,MA Baohua.Reserch of ultrasonic transducer for underwater detecting[J].Instrument Technique and Sensor,2001(7):9-11.

[2]陳荷娟,范志應,楊繼良,等.深水炸彈聲近炸引信:中國,00128005.8[P].2000-12-15.

[3]陳荷娟,馬寶華.水中近距聲探測器研究[J].北京理工大學學報,2002,22(2):234-236.CHEN Hejuan,M A Baohua.A study on close-range underwater detectors[J].Transactions of Beijing Instituteof Technology,2002,22(2):234-236.

[4]羅紹棠,高明仙,朱阿春.CB1125-98水聲用壓電陶瓷材料規范[S].北京:中國船舶工業總公司,1998.

[5]鄭進鴻,宋受鎰,張麗英,等.GB7965-87聲學水聲換能器測量[S].北京:中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,2002.

[6]趙國庫.引信水中超聲波探測技術研究[D].南京:南京理工大學,2006.