1 引言
换能器和换能器阵是声纳系统中的关键部件，它是实现电声能量相互转换的器件。而换能器和换能器阵的性能又主要取决于换能材料的性能、结构和制作工艺。目前，水声换能器大多采用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)作为换能材料，其优点是具有高的机电耦合系数、损耗低、制作方便、价格低廉。但是由于压电陶瓷特性阻抗高，当负载是水或生物组织时，不易与负载匹配，在界面处的反射损耗较大，而且其横向耦合很强，因此用其制备的厚度振动换能器存在频带窄、Q值高、灵敏度较低等缺点。
1—3型压电复合材料由于掺入了聚合物相，而具有较低的特性阻抗、Q值、介电常数、横向机电耦合系数和较高的厚度机电耦合系数，是制作高灵敏度宽带换能器的理想材料。杭州七一五研究所的陈俊波，王月兵等对利用相同尺寸的1-3型压电复合材料和普通PZT圆片制成的活塞型换能器的性能进行了测量，得到了两种换能器在空气中和水中的导纳曲线、发送电压响应、接收灵敏度和指向性图。并通过对比分析，得出1—3型压电复合材料换能器比普通PZT压电换能器的收发性能有明显改善。
改进的1-3(1—3—2)型压电复合材料保留了1—3型压电复合材料的优良电声特性，且具有很好的温度和压力稳定性，非常适于制备水声换能器。本文利用1-3—2型压电复合材料设计、制作了一种圆柱型水声换能器，并测量了其导纳，发射电压响应、接收灵敏度和指向性等性能。
2 1—3—2型压电复合材料的结构和制备
如图l所示，1-3—2型压电复合材料由1-3型压电复合材料和陶瓷基底沿陶瓷极化方向串联而成。这种结构在平行和垂直于极化方向均有硬质压电陶瓷支撑，较1-3型复合材料稳定。它不仅保留了1-3型压电复合材料的所有优点，而且在较高温度下不易变形，有较好的耐热和抗外界冲击能力。
1—3—2型压电复合材料利用切割一填充工艺制备而成，其压电陶瓷采用中科院声学研究所生产的PZT一5A，出厂时已经过极化。利用自动切割机(DAC321，日本Disco公司)在垂直于陶瓷极化轴的表面，沿着互相垂直的两个方向进行切割，保留一定厚度的基底，形成陶瓷骨架。在陶瓷骨架中浇注添加适量固化剂的聚合物（就是无锡树脂厂生产的环氧树脂WRS618），然后，抽真空排出器气泡，室温固化，制成复合材料毛坯，打磨或切割进行毛坯整形，制成1-3-2型复合材料样品，最后，利用高真空磁控溅射仪为样品表面被覆电极。利用上述工艺制备了两块40mm*40mm*10mm的1-3-2型压电陶瓷/聚合物复合材料薄片。其中陶瓷柱宽度和柱间环氧树脂宽度分别为0.9和0.45mm，陶瓷基底厚度为1mm。沿该复合材料的厚度方向，分别将两片复合材料切割成24片长10mm，宽6.5，厚10mm的复合材料晶片，测量各晶片的谐振性能，分别选取其中的18片用于制作两个换能器，其中一个换能器各阵元性能测量结果列于表1中。由表可知，各阵元的性能一致性较好，其谐振频率几乎相同。图2示出了其中一个阵元的导纳测量曲线，其中阵元均与其相似。
3 圆柱型换能器结构与制作工艺
3.1 换能器结构
将多片1-3-2型压电复合材料沿圆周均匀排列形成圆形阵列，制作出圆柱型换能器，该换能器结构见图3.目前，这种结构的换能器未见有相关的研究报道。
如图3所示，1—3—2复合材料圆柱型换能器由复合材料阵元、铜质背衬、支架和盖板等组成。18片复合材料阵元沿圆周均匀排列在环形铜背衬的凹槽中，利用导电胶将复合材料阵元底面与铜背衬粘紧。这样铜质背衬不仅能定位阵元，而且有增强振动位移的作用。由于采用了导电胶粘接，复合材料阵元的下电极与背衬导通，简化电极引线工艺，这样，下电极引线(信号线)便可从铜管背衬的内侧壁引出，接至同轴电缆的信号线。然后将支架和端盖分别从上下两个方向将铜背衬夹紧、固定。背衬与支架、端盖之间用硬质泡沫垫圈绝缘，再将各复合材料阵元外电极与同轴电缆的屏蔽线连接，并用水密接头或防水胶密封。最后将装配件放于模具中，灌注厚度2mm左右的聚氨酯，形成防水、透声、密封层。
利用上述工艺，实验制作了两只相同的圆柱型换能器，其组装成型后总体外型尺寸均为70mm×15mm的圆柱。
3．2圆柱型换能器谐振性能
该圆柱型换能器的设计是利用1—3—2复合材料阵元的厚度振动实现电声转换，以获得水平方向均匀的指向性，换能器的设计频率为74kHz。为分析预测换能器的谐振频率，本文采用有限元分析软件ANSYS对换能器进行仿真计算，选取圆柱阵列的1／18，即1片1-3-2型复合材料长条及背衬进行建模，复合材料尺寸与样品实际大小完全一致，背衬外径为60mm、管壁厚度5mm、高度15mm。图4示出了换能器一个阵元的厚度振动模态，其谐振频率为73．9kHz。
实验测量了两只换能器在消声水池中的谐振性能，两者导纳曲线几乎相同，从而可知该制作工艺可行，样品具有很好的一致性。图5给出了利用精密阻抗分析仪(美国Agilent)测量的其中一只圆柱型换能器水中导纳曲线，谐振频率为72kHz。两图比较可知，水中测量结果与仿真结果也非常接近。这表明，圆柱型换能器样品的振动频率基本满足设计要求。
4 换能器性能测量
利用自动声学校准系统，测量了两只1-3-2复合材料圆柱型水声换能器的发射电压响应、接收电压灵敏度和指向性等性能，测量频率从20～100kHz。实验在北京长城无线电厂水声测量中心的消声水池中完成。
两只换能器各项性能均比较相似，相对偏差均在5％以内。现选取其中一只换能器性能进行分析，其发射电压响应随频率变化见图6，其最大值为139dB，3dB带宽7kHz；换能器接收灵敏度测量结果见图7，20～60kHz频率宽度内，其接受电压灵敏度为一212(起伏土4dB)。换能器的指向性测量结果绘于图8中，从图8(a)可知换能器基本上具有呈水平360。的指向性，但波动较大，其主要是因为换能器的阵元之间间隔过大，换能器阵元辐射面积较小。图8(b)垂直指向性图显示换能器的垂直方向
一3dB波束宽度为12°。
5 结论
从以上仿真、测量结果可知，1-3-2压电复合材料圆柱型换能器中复合材料阵元为10mm厚，圆柱直径为70mm时，其谐振频率为72KHz左右。若减小复合材料阵元的厚度，缩小圆柱直径能进一步提高换能器谐振频率，这样就使得换能器在直径较大的情况下，可以获得较高的谐振频率，从而改善了纯压电陶瓷圆柱型换能器谐振频率较高时，其体积较小，难以加工的缺点。同时，1-3-2复合材料圆柱型换能器与同频率的压电陶瓷圆柱型换能器相比，带宽有较大的的提高，发射电压响应与陶瓷的相当。
由于该换能器的设计结构与制作成型后的结构略有差别，且制作工艺还有待改进，使得换能器的性能略低于预期计算结果。另外，换能器阵元辐射面积较小，且各阵元振动能量沿圆周发散，导致接收灵敏度较低。但是通过增大阵元辐射面面积、降低阵元厚度、减小阵元间距等方式，可以提高换能器的接收灵敏度同时也能提高换能器水平指向的均匀性。
作者：李莉 王丽坤 秦雷 王钢
(1．沈阳化工学院计算机分院，辽宁沈阳110142；2．北京信息科技大学传感器重点实验室，北京lOOl01)
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