Cymbal单元的薄型低频宽带水声发射换能器设计

　　随着不同类型的水下声发射换能器70多年的发展,水声发射信号的频率覆盖了10Hz ~100MHz[1-2]的范围.目前, 10kHz以下的低频大功率水声发射换能器是一个研究热点,这种换能器可用于海底掩埋目标探测、导航、水下目标探测.为满足不同的作业工况,这种发射换能器应该具有轻薄便于携带、输出功率较大等特点,并且能很容易地覆盖安装在弯曲外表面上.从经济性考虑,这种换能器应该设计简单、价格低廉、易于批量生产.

　　目前的水下发射换能器中,工作在1~100kHz频带范围内的换能器主要是Tonpilz型换能器和1-3型压电复合材料换能器.Tonpilz型换能器是一种典型的纵振式复合棒压电换能器,其特点是具有高功率容量的单面辐射,辐射面较小,振动模式单一.工作频率一般在10~50kHz,厚度一般有几十厘米,且重达数千克[3].

　　1-3型压电复合材料换能器采用注塑成型工艺将压电陶瓷棒埋在聚合物中制造而成,可做成曲面形状,并且声阻抗与水相匹配,设计频率低于100kHz时厚度约为10mm,但其性能受陶瓷和聚合物的弹性系数、材料的宽高比、压电陶瓷的体积分割、压电陶瓷棒的排列方式等因素影响,并且该换能器的工艺复杂,价格昂贵[4-5].

　　20世纪90年代后期,宾州州立大学材料研究实验室研制出一种微型V型弯张换能器Cym-bal[6-7].Cymbal换能器具有体积小质量轻、能产生较大的位移、有较大的动态范围等优点,并且制造工艺简单、成本低廉.研究表明,在该微型换能器的基础上可以研制能批量生产的高功率薄板型低频水声发射换能器.

　　1 Cymbal单元几何结构

　　Cymbal换能器单元的结构是由在厚度方向极化的压电陶瓷片夹在2个薄的黄铜端帽之间,每一个端帽的内表面都有一个平顶锥形内腔.在电场激励的情况下,陶瓷径向收缩,黄铜端帽的作用是作为机械转换装置,将压电陶瓷片的小径向位移和振动速度转换成更大的轴向位移和垂直于端帽顶端的振动速度[8].压电陶瓷片的径向谐振频率大约是Cym-bal谐振频率的10倍.图1给出了本文所研究的Cymbal换能器单元的几何结构示意图.

　　端帽材料采用厚度0.50mm的黄铜箔.用切割工具钢制作的冲模压制成帽状,螺杆直径f3.0mm,长度8.0mm,端帽直径f20.0mm ,螺杆与端帽采用锡焊连接.内腔锥顶直径为f7.0mm ,锥底直径为f16.0mm,空腔深度为0.8mm,将铜帽进行表面处理以便粘接.压电陶瓷采用无锡宏杰换能器科技有限公司的PZT-4压电陶瓷片,直径20.0mm,厚度1mm,极化方向为厚度方向,上下表面有银电极,d33和d31分别为250pm/V和负号270pm/V.用环氧树脂将压电陶瓷片和黄铜端帽粘接在一起,粘接层厚度为20μm.

　　2 Cymbal单元建模分析与测量