1 引言
換能器和換能器陣是聲納系統中的關鍵部件，它是實現電聲能量相互轉換的器件。而換能器和換能器陣的性能又主要取決于換能材料的性能、結構和制作工藝。目前，水聲換能器大多采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)作為換能材料，其優點是具有高的機電耦合系數、損耗低、制作方便、價格低廉。但是由于壓電陶瓷特性阻抗高，當負載是水或生物組織時，不易與負載匹配，在界面處的反射損耗較大，而且其橫向耦合很強，因此用其制備的厚度振動換能器存在頻帶窄、Q值高、靈敏度較低等缺點。
1—3型壓電復合材料由于摻入了聚合物相，而具有較低的特性阻抗、Q值、介電常數、橫向機電耦合系數和較高的厚度機電耦合系數，是制作高靈敏度寬帶換能器的理想材料。杭州七一五研究所的陳俊波，王月兵等對利用相同尺寸的1-3型壓電復合材料和普通PZT圓片制成的活塞型換能器的性能進行了測量，得到了兩種換能器在空氣中和水中的導納曲線、發送電壓響應、接收靈敏度和指向性圖。并通過對比分析，得出1—3型壓電復合材料換能器比普通PZT壓電換能器的收發性能有明顯改善。
改進的1-3(1—3—2)型壓電復合材料保留了1—3型壓電復合材料的優良電聲特性，且具有很好的溫度和壓力穩定性，非常適于制備水聲換能器。本文利用1-3—2型壓電復合材料設計、制作了一種圓柱型水聲換能器，并測量了其導納，發射電壓響應、接收靈敏度和指向性等性能。
2 1—3—2型壓電復合材料的結構和制備
如圖l所示，1-3—2型壓電復合材料由1-3型壓電復合材料和陶瓷基底沿陶瓷極化方向串聯而成。這種結構在平行和垂直于極化方向均有硬質壓電陶瓷支撐，較1-3型復合材料穩定。它不僅保留了1-3型壓電復合材料的所有優點，而且在較高溫度下不易變形，有較好的耐熱和抗外界沖擊能力。
1—3—2型壓電復合材料利用切割一填充工藝制備而成，其壓電陶瓷采用中科院聲學研究所生產的PZT一5A，出廠時已經過極化。利用自動切割機(DAC321，日本Disco公司)在垂直于陶瓷極化軸的表面，沿著互相垂直的兩個方向進行切割，保留一定厚度的基底，形成陶瓷骨架。在陶瓷骨架中澆注添加適量固化劑的聚合物（就是無錫樹脂廠生產的環氧樹脂WRS618），然后，抽真空排出器氣泡，室溫固化，制成復合材料毛坯，打磨或切割進行毛坯整形，制成1-3-2型復合材料樣品，最后，利用高真空磁控濺射儀為樣品表面被覆電極。利用上述工藝制備了兩塊40mm*40mm*10mm的1-3-2型壓電陶瓷/聚合物復合材料薄片。其中陶瓷柱寬度和柱間環氧樹脂寬度分別為0.9和0.45mm，陶瓷基底厚度為1mm。沿該復合材料的厚度方向，分別將兩片復合材料切割成24片長10mm，寬6.5，厚10mm的復合材料晶片，測量各晶片的諧振性能，分別選取其中的18片用于制作兩個換能器，其中一個換能器各陣元性能測量結果列于表1中。由表可知，各陣元的性能一致性較好，其諧振頻率幾乎相同。圖2示出了其中一個陣元的導納測量曲線，其中陣元均與其相似。
3 圓柱型換能器結構與制作工藝
3.1 換能器結構
將多片1-3-2型壓電復合材料沿圓周均勻排列形成圓形陣列，制作出圓柱型換能器，該換能器結構見圖3.目前，這種結構的換能器未見有相關的研究報道。
如圖3所示，1—3—2復合材料圓柱型換能器由復合材料陣元、銅質背襯、支架和蓋板等組成。18片復合材料陣元沿圓周均勻排列在環形銅背襯的凹槽中，利用導電膠將復合材料陣元底面與銅背襯粘緊。這樣銅質背襯不僅能定位陣元，而且有增強振動位移的作用。由于采用了導電膠粘接，復合材料陣元的下電極與背襯導通，簡化電極引線工藝，這樣，下電極引線(信號線)便可從銅管背襯的內側壁引出，接至同軸電纜的信號線。然后將支架和端蓋分別從上下兩個方向將銅背襯夾緊、固定。背襯與支架、端蓋之間用硬質泡沫墊圈絕緣，再將各復合材料陣元外電極與同軸電纜的屏蔽線連接，并用水密接頭或防水膠密封。最后將裝配件放于模具中，灌注厚度2mm左右的聚氨酯，形成防水、透聲、密封層。
利用上述工藝，實驗制作了兩只相同的圓柱型換能器，其組裝成型后總體外型尺寸均為70mm×15mm的圓柱。
3．2圓柱型換能器諧振性能
該圓柱型換能器的設計是利用1—3—2復合材料陣元的厚度振動實現電聲轉換，以獲得水平方向均勻的指向性，換能器的設計頻率為74kHz。為分析預測換能器的諧振頻率，本文采用有限元分析軟件ANSYS對換能器進行仿真計算，選取圓柱陣列的1／18，即1片1-3-2型復合材料長條及背襯進行建模，復合材料尺寸與樣品實際大小完全一致，背襯外徑為60mm、管壁厚度5mm、高度15mm。圖4示出了換能器一個陣元的厚度振動模態，其諧振頻率為73．9kHz。
實驗測量了兩只換能器在消聲水池中的諧振性能，兩者導納曲線幾乎相同，從而可知該制作工藝可行，樣品具有很好的一致性。圖5給出了利用精密阻抗分析儀(美國Agilent)測量的其中一只圓柱型換能器水中導納曲線，諧振頻率為72kHz。兩圖比較可知，水中測量結果與仿真結果也非常接近。這表明，圓柱型換能器樣品的振動頻率基本滿足設計要求。
4 換能器性能測量
利用自動聲學校準系統，測量了兩只1-3-2復合材料圓柱型水聲換能器的發射電壓響應、接收電壓靈敏度和指向性等性能，測量頻率從20～100kHz。實驗在北京長城無線電廠水聲測量中心的消聲水池中完成。
兩只換能器各項性能均比較相似，相對偏差均在5％以內�，F選取其中一只換能器性能進行分析，其發射電壓響應隨頻率變化見圖6，其最大值為139dB，3dB帶寬7kHz；換能器接收靈敏度測量結果見圖7，20～60kHz頻率寬度內，其接受電壓靈敏度為一212(起伏土4dB)。換能器的指向性測量結果繪于圖8中，從圖8(a)可知換能器基本上具有呈水平360。的指向性，但波動較大，其主要是因為換能器的陣元之間間隔過大，換能器陣元輻射面積較小。圖8(b)垂直指向性圖顯示換能器的垂直方向
一3dB波束寬度為12°。
5 結論
從以上仿真、測量結果可知，1-3-2壓電復合材料圓柱型換能器中復合材料陣元為10mm厚，圓柱直徑為70mm時，其諧振頻率為72KHz左右。若減小復合材料陣元的厚度，縮小圓柱直徑能進一步提高換能器諧振頻率，這樣就使得換能器在直徑較大的情況下，可以獲得較高的諧振頻率，從而改善了純壓電陶瓷圓柱型換能器諧振頻率較高時，其體積較小，難以加工的缺點。同時，1-3-2復合材料圓柱型換能器與同頻率的壓電陶瓷圓柱型換能器相比，帶寬有較大的的提高，發射電壓響應與陶瓷的相當。
由于該換能器的設計結構與制作成型后的結構略有差別，且制作工藝還有待改進，使得換能器的性能略低于預期計算結果。另外，換能器陣元輻射面積較小，且各陣元振動能量沿圓周發散，導致接收靈敏度較低。但是通過增大陣元輻射面面積、降低陣元厚度、減小陣元間距等方式，可以提高換能器的接收靈敏度同時也能提高換能器水平指向的均勻性。
作者：李莉 王麗坤 秦雷 王鋼
(1．沈陽化工學院計算機分院，遼寧沈陽110142；2．北京信息科技大學傳感器重點實驗室，北京lOOl01)
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