水听器用钹式压电复合物的试验研究

　　1 引言

　　金属端帽钹式(Cymbal)压电复合物是由在厚度方向极化的压电陶瓷片夹在两个薄的金属端帽之间,每一个端帽的内表面都有一个圆台形空穴(见图1.钹式压电复合物的结构示意图)[1-2]。在施加交流电场下,陶瓷径向收缩,通过端帽将其应力转换成端帽的纵向弹性运动,在法向于端帽的方向产生一个放大的位移[1],从而在复合物的纵向产生较大的应变S3,由压电常数的定义知[3]:

　　则钹式压电复合物的等效压电常数d33^e(上标e表示等效)也增大,从而使其等效等静压压电电荷常数dh^e也成倍地增加;由于钹式压电复合物的介电常数ε与构成它的压电陶瓷的介电常数相同,因而其等效等静压压电电压常数gh^e(gh^e=dh^e/ε)也成倍地增加。由于金属端帽钹式压电复合物的等效等静压压电电压常数(gh^e)远远高于其他类型的压电复合物,因而在水声换能器的应用上受到研究人员的关注。本文对钹式压电复合物的等效等静压压电性能进行了研究,其等效等静压压电电荷常数dh^e及等效等静压压电电压常数gh^e可分别达到6813pC/N和580x10^-3Vm/N;在频率为1KHz时的自由场电压灵敏度可达-190dB。

　　2 试验方法

　　2.1 钹式压电复合物的制作方法

　　使用黄铜箔(60%Cu-40%Zn)作为钹式压电复合物的金属端帽材料,厚度分别为tb=0.15,0.2,0.25,0.3,0.4(mm)。用切割工具钢制作冲模,端帽直径dp=12mm。圆台深度分别为te=0.2,0.3,0.4,0.5,0.6(mm),圆台上部直径de1=3mm,圆台底部直径de2=9mm。成型和冲制一次完成,然后将铜帽进行表面处理,以便于良好的粘结。压电陶瓷采用中国科学院声学研究所制造的PZT-5A(其有关性能列于表1),直径dPZT=12.5mm,厚度tp=1mm。粘结剂采用北京化工研究院研制的改性环氧树脂,粘结厚度为70μm。

　　2.2 等效等静压压电常数dhe值、ghe值的测试方法

　　等效等静压压电常数dhe值、ghe值用静态法测量,测量原理如图2.1所示。

　　当施加压力到设定值后,突然释放压力,则有电荷输出。取电荷输出最大值的5次平均值,根据dhe=Q/F和ghe= dhe/E计算出相应压力下的压电常数。Q为试样在压力F下所产生的电荷量,ε为试样的介电常数。用HP-4129A阻抗频率测试仪测试试样的自由电容量CT(1kHz),根据CT=ε.S/t(S:试样的电极面积,t:试样PZT-5A的厚度)计算出试样的介电常数ε。

　　2.3 自由场电压灵敏度的测试方法

　　将试样放在水听器校准仪的屏蔽腔内,即试样与标准水听器处在同一个声场内。用比较法测试样品的自由场电压灵敏度。测试原理如图2.2所示。图中Cs为标准水听器,CT为测试样品。