水声换能器在水下探测应用中的发展

　　1 新型压电复合换能器

　　月芽式压电复合换能器(如图3.1)和钹式压电复合换能器(如图3.2)是当前国外重点研究的最具代表性的弯张换能器。这两种结构的压电复合换能器由其金属端帽的形状而得名。月芽式结构的金属端帽腔体为月芽式，而钹式结构的金属端帽腔体为翘钹式，腔体为空气，它们都是通过金属与压电陶瓷复合制作而成。金属—压电陶瓷复合材料通过板状、壳状和帽状金属与压电陶瓷复合，改变陶瓷内部的应力分布，从而提高压电材料的性能。其主要特点是设计简单、易于加工、成本低。月芽式压电复合换能器和钹式压电复合换能器显现出良好的压电性能，这种结构通过帽状金属与陶瓷介面的应力转换，改变陶瓷介面的应力分布，使复合材料的纵向压电性能和横向压电性能产生加合作用，从而大大提高材料的压电耦合性能dh。其中月芽结构复合材料的dh较压电陶瓷高10～20倍。帽状结构可以较压电陶瓷提高30～40倍。月芽和帽状金属—压电陶瓷复合材料与压电陶瓷的性能比较见表3.1。

　　2 钹式换能器

　　阵元结构：阵元基本结构如图4.1，它是由两片冲压成钹状的金属片与压电陶瓷片粘结成型，金属片材料可以为钛合金、黄铜、合金钢等。利用钛合金作为金属片材料，可以使钹式阵元具有较大的抗水压性能，对于阵元直径dp=10mm的钹式换能器可以承受600米水深时的压力。但是钛合金材料较黄铜和合金钢材料昂贵，因此在不考虑水深使用时，钛合金材料相对受限。黄铜与合金钢材料相比，当它们同时应用于钹式阵元时，黄铜材料的钹式阵元具有更好的压电性能。压电陶瓷的材料也主要包括PZT-4、PZT-8和PZT-5，钹式换能器作发射换能器使用时，常用PZT- 4和PZT- 8压电陶瓷，作接收换能器使用时，常用PZT-5压电陶瓷。工作原理：当在钹式阵元的两极施加电压时，压电陶瓷会产生纵向和横向的振动，压电陶瓷的纵向振动，使得阵元的两金属片直接产生纵向位移;压电陶瓷片的横向位移使得金属片发生径向的压缩或扩张，由于钹式的特殊形状，这同样导致金属片顶端产生纵向的位移，如图4.2。压电陶瓷纵向和径向位移都会使得金属端帽产生纵向的位移，而且两种位移叠加后的结果，即为金属端帽的位移，从而产生了金属端帽位移的放大。

　　3 钹式压电换能器的特点及应用前景

　　3.1 钹式压电换能器的特点

　　1) 阵元体积小，静压压电系数高，易与水介质匹配，具有十分大的带宽;其中利用凹型阵元设计、特殊静液压平衡设计，突破基阵的工作深度限制。