2024, Vol. 46
随着现代水声及信号处理技术的迅速发展，为了提高探测能力，需获取更多的水下信息，因而对水下声学换能器的低频性能、工作带宽、声学性能、尺寸、重量等也提出了更高要求。
目前，采用锆钛酸铅（PZT-4）及其改性的压电陶瓷作为驱动元件的水声换能器已到了发展的瓶颈期，通过改变结构设计和加工工艺已很难大幅度提高其综合性能，需寻找性能优越的压电材料来解决这一问题。
20世纪70年代，人们开始了对新型弛豫型铁电材料的研究，因为它有较高的电致伸缩效应和介电系数，可作为电致伸缩器件和片状电容器的材料。1969年，Nomura等[1]首次报道了弛豫铁电体P6(Zn1/3Nb2/3)O3与普通铁电体P6TiO3形成的二元固溶体PZNT的准同型相界。1981年，Kuwata等[2-3]采用助溶剂法生长了达到压电测试要求尺寸的铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）晶体，测得其压电常数d33=1500×10−12 C/N，机电耦合系数k33=90%。1997年，新型弛豫铁电单晶材料的研究获得了巨大突破，在国际上已生产出快要达到实际使用尺寸的PMN-PT和PZN-PT压电单晶，测得压电常数d33=1500×10−12～2500×10−12 C/N，机电耦合系数为92%～95%，电致应变为1.7%，储能密度为130 J/kg[4]，全部指标超过了当时的所有压电材料。所以，能生产出实用尺寸的新型弛豫铁电单晶体这一巨大进展，给许多领域提供了新型材料，为其带来了一场革新。近些年来，国内外研究机构都相继开展了弛豫铁电单晶材料水声换能器的研究[5-13]。
本文结合工程实际，采用PMN-PT压电单晶材料作为换能器的驱动元件，通过有限元仿真计算、设计加工及试验验证，进行了基于压电单晶的宽频带复合棒换能器研究，并通过其与相似规格的PZT-4压电陶瓷换能器在设计、加工及性能上的对比，进一步研究宽频带PMN-PT单晶换能器在宽带、收发、加速度灵敏度等特性上的优势。
1 新型弛豫铁电单晶及其性能PMN基钙钛矿结构的弛豫铁电材料是一类无机非金属材料，因其优异的介电性能、压电性能、热释电性能和铁电性能，所以成为了科学研究领域关注的重点。随着材料学的不断发展，PMN基弛豫铁电晶体研究也获得很大进展。例如有二元组分的铌锌酸铅-钛酸铅Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（简记为PZN-PT）和铌镁酸铅-钛酸铅(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3（简记为PMN-PT），还有三元体系的Pb(Sc1/2Nb2/3)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（简记为PSN-PMN-PT）。如今，弛豫铁电单晶材料已广泛的应用于制作换能器、医用超声成像、超声马达、热释元件和压电驱动元件等领域[14 − 21]。
PMN-PT压电单晶材料压电常数d33为PZT-4压电陶瓷的4～6倍，有利于提高换能器的发射和接收性能；纵向机电耦合系数k33较PZT-4压电陶瓷材料多出20%，有利于换能器获得更大的带宽；杨氏模量约为PZT-4材料的1/3，有利于实现低频小尺寸发射。研制PMN-PT压电单晶作驱动材料设计的复合棒换能器，理论上可实现小尺寸、高响应、宽频带发射和接收性能，以提高水声探测能力。
2 换能器仿真比较有限元软件能较精准地分析各种类型的换能器，具有理论分析无法比拟的优点，本文通过有限元软件分别对压电单晶换能器和压电陶瓷换能器进行仿真计算。因换能器辐射头属于中心对称结构，所以只建立1/4的三维换能器模型。
PMN-PT压电单晶换能器的建模与PZT-4压电陶瓷换能器相比，辐射头和后质量块的结构尺寸一致；PMN-PT压电单晶元件与PZT-4压电陶瓷相比，外径相同，内径小2 mm，厚度小2 mm，压电元件数量均为4片；匹配层厚度也小2 mm。这样设计压电单晶PMN-PT元件尺寸是为了将压电单晶换能器与压电陶瓷换能器处于同频段比较，使压电单晶换能器的频段覆盖压电陶瓷换能器的频段。最后为了同时提高换能器的发射和接收性能，对压电单晶换能器结构进行优化设计，将4片压电单晶片由全并联改为串并串的连接方式，即互相串联之后再并联。这样在换能器谐振频率基本不变的情况下，提高了换能器的接收性能，使其与压电陶瓷换能器相比最终能同时提高发射和接收性能；并且这样设计可弥补压电单晶元件矫顽场较低的缺点，实现大功率发射。
对上述3种换能器进行建模分析。灌注匹配层的PZT-4压电陶瓷换能器有限元模型如图1所示。
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图 1 压电陶瓷换能器有限元模型 Fig. 1 Finite element model of piezoelectric ceramic transducer |
灌注匹配层的PMN-PT压电单晶换能器有限元模型如图2所示。
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图 2 压电单晶换能器有限元模型 Fig. 2 Finite element model of piezoelectric single crystal transducer |
灌注匹配层优化设计后的PMN-PT压电单晶换能器有限元模型如图3所示。
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图 3 优化设计后压电单晶换能器有限元模型 Fig. 3 Finite element model of piezoelectric single crystal transducer after optimal design |
3种换能器在空气中的电导值曲线如图4所示，可看出压电陶瓷换能器在谐振频率26.2 kHz处电导曲线峰值为6.10×10−3 S。压电单晶换能器在谐振频率24.2 kHz处电导曲线峰值为50.61×10−3 S。优化设计后的压电单晶换能器在谐振频率24.5 kHz处电导曲线峰值为11.00×10−3 S。
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图 4 3种换能器电导值有限元仿真曲线 Fig. 4 Conductance finite element simulation curve of three transducers |
灌注匹配层的3种换能器在空气中的电导曲线如图5所示，可看出压电陶瓷换能器第一阶谐振频率为22.7 kHz，其电导值为5.13×10−3 S；第二阶谐振频率为43 kHz，其电导值为0.52×10−3 S。压电单晶换能器第一阶谐振频率为21.1 kHz，电导值为33.87×10−3 S；第二阶谐振频率为43.9 kHz，电导值为3.93×10−3 S。优化设计后的压电单晶换能器第一阶谐振频率为21.3 kHz，电导值为9.64×10−3 S；第二阶谐振频率为44.3 kHz，电导值为1.09×10−3 S。
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图 5 灌注匹配层的3种换能器电导值有限元仿真曲线 Fig. 5 Conductance finite element simulation curve of three transducers with matching layer |
灌注匹配层的3种换能器在水域中的发送电压响应如图6所示，可看出压电陶瓷换能器在18.6～41.4 kHz频带内，发送电压响应大于129.7 dB，起伏小于6 dB，最大发送电压响应级为135.7 dB。压电单晶换能器在17.6～41.6 kHz频带内，发送电压响应大于140.2 dB，起伏小于6 dB，最大发送电压响应级为146.2 dB。优化设计后的压电单晶换能器在17.8 ～42.2 kHz频带内，发送电压响应大于134.2 dB，起伏小于6 dB，最大发送电压响应级为140.2 dB。
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图 6 3种换能器发送电压响应有限元仿真曲线 Fig. 6 Transmit voltage response finite element simulation curve of three transducers |
可看出优化设计后的压电单晶换能器相比压电陶瓷换能器而言，17.8～42.2 kHz频带内发送电压响应高了3～5 dB，−6 dB带宽向两端拓展了1.6 kHz。
2.4 换能器接收灵敏度仿真结果灌注匹配层的3种换能器在水域中的接收灵敏度如图7所示，可看出压电陶瓷换能器在19.3～33.9 kHz频带内自由场接收灵敏度大于−176 dB，起伏小于6 dB，最大接收灵敏度级为−170 dB。压电单晶换能器在21.1～42.6 kHz频带内自由场接收灵敏度大于−178.2 dB，起伏小于6 dB，最大接收灵敏度级为−172.2 dB。优化设计后的压电单晶换能器在20.9～43.2 kHz频带内自由场接收灵敏度大于−172.2 dB，起伏小于6 dB，最大接收灵敏度级为−166.2 dB。
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图 7 3种换能器接收灵敏度有限元仿真曲线 Fig. 7 Receiving sensitivity finite element simulation curve of three transducers |
优化设计后的压电单晶换能器相较之前而言，20.9～43.2 kHz频带内接收灵敏度高了5～6 dB，−6 dB带宽向两端拓展了0.8 kHz；相比压电陶瓷换能器而言，20.9～43.2 kHz频带内接收灵敏度高了1～12 dB，−6 dB带宽向两端拓展了7.7 kHz，说明优化设计后的压电单晶换能器接收性能较优化之前的压电单晶换能器和压电陶瓷换能器都要好。
2.5 换能器加速度灵敏度仿真结果优化设计后的压电单晶换能器和压电陶瓷换能器加速度灵敏度如图8所示，可知在0～500 Hz频带内，压电单晶换能器的加速度灵敏度比压电陶瓷换能器的加速度灵敏度整体要低，说明其对振动不敏感，抗振动性能更好。
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图 8 2种换能器加速度灵敏度有限元仿真曲线 Fig. 8 Acceleration sensitivity finite element simulation curve of two transducers |
制作了一批相似规格的PZT-4压电陶瓷换能器和优化设计后的PMN-PT压电单晶换能器。压电单晶换能器与压电陶瓷换能器相比，平均重量少约17 g，平均长度小约10 mm。
3.2 压电陶瓷换能器实测与仿真结果对比分析在空气中，借助阻抗分析仪，对2种换能器进行声学性能测试。在消声水池，借助自动化测量系统，对2种换能器进行声学性能测试。
对制作的PZT-4压电陶瓷换能器在空气中进行了声学性能测试，其实测结果与仿真结果对比如图9所示，可看出压电陶瓷换能器在谐振频率26.7 kHz处电导曲线峰值为6.6×10−3 S。对制作的灌注匹配层PZT-4压电陶瓷换能器进行声学性能测试，其实测结果与仿真结果对比如图10所示，可看出灌注匹配层压电陶瓷换能器第一阶谐振频率为22.95 kHz，电导值为5.8×10−3 S；第二阶谐振频率为43.2 kHz，电导值为0.56×10−3 S。对制作的灌注匹配层PZT-4压电陶瓷换能器在消声水池进行了声学性能测试，其实测结果与仿真结果对比如图11和图12所示，可看出压电陶瓷换能器在19.6 ～40.2 kHz频带内，最大发送电压响应级为136.2 dB，起伏小于6 dB；在18～34.8 kHz频带内，最大接收灵敏度级为−170 dB，起伏小于6 dB。
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图 9 压电陶瓷换能器电导值实测与仿真对比 Fig. 9 Comparison of measured and simulated conductance of piezoelectric ceramic transducers |
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图 10 灌注匹配层压电陶瓷换能器电导值实测与仿真对比 Fig. 10 Comparison of measured and simulated conductance of piezoelectric ceramic transducers with matching layer |
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图 11 压电陶瓷换能器发送电压响应实测与仿真对比 Fig. 11 Comparison of measured and simulated transmitting voltage response of piezoelectric ceramic transducer |
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图 12 压电陶瓷换能器接收灵敏度实测与仿真对比 Fig. 12 Comparison of measured and simulated receiving sensitivity of piezoelectric ceramic transducer |
在正常大气压条件下，采用PCB394c06标准激振器，对压电陶瓷换能器进行加速度灵敏度测试，测得160 Hz的加速度灵敏度为287 mV/g，仿真值为256 mV/g。
3.3 优化设计后的压电单晶换能器实测与仿真结果对比分析对制作的PMN-PT压电单晶换能器在空气中进行了声学性能测试，其实测结果与仿真结果对比如图13所示，可看出压电单晶换能器在谐振频率24.4 kHz处电导曲线峰值为10.4×10−3S。对制作的灌注匹配层PMN-PT压电单晶换能器进行声学性能测试，其实测结果与仿真结果对比如图14所示，可看出压电单晶换能器第一阶谐振频率为21.5 kHz，电导值为9.4×10−3 S；第二阶谐振频率为44.2 kHz，电导值为1×10−3 S。对制作的匹配层PMN-PT压电单晶换能器在消声水池进行了声学性能测试，其实测结果与仿真结果对比如图15和图16所示，可看出压电单晶换能器在17.7～43.8 kHz频带内，最大发送电压响应级为139.6 dB，起伏小于6 dB；在18.9～43.8 kHz频带内，最大接收灵敏度级为−166 dB，起伏小于6 dB。
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图 13 压电单晶换能器导纳值实测与仿真对比 Fig. 13 Comparison of measured and simulated conductance of piezoelectric single crystal transducer |
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图 14 灌注匹配层压电单晶换能器导纳值实测与仿真对比 Fig. 14 Comparison of measured and simulated conductance of piezoelectric single crystal transducer with matching layer |
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图 15 压电单晶换能器发送电压响应实测与仿真对比 Fig. 15 Comparison of measured and simulated transmitting voltage response of piezoelectric single crystal transducer |
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图 16 压电单晶换能器接收灵敏度实测与仿真对比 Fig. 16 Comparison of measured and simulated receiving sensitivity of piezoelectric single crystal transducer |
在正常大气压条件下，采用PCB394c06标准激振器，对压电单晶换能器进行加速度灵敏度测试，测得160 Hz的加速度灵敏度为193 mV/g，仿真值为157 mV/g。
通过实测结果可知，优化设计后的压电单晶换能器的低频性能更好；最大发送电压响应比压电陶瓷的高3.4 dB，发送电压响应−6 dB带宽向两端拓展了5.5 kHz；最大接收灵敏度比压电陶瓷的高4 dB，接收灵敏度−6 dB带宽向两端拓展了8.1 kHz；加速度灵敏度也更低。整体而言，仿真结果与实测结果具有较好的一致性。
4 结 语本文通过有限元仿真及试验测试对相似结构的PMN-PT压电单晶复合棒换能器和PZT-4压电陶瓷复合棒换能器进行了对比分析。结果表明：PMN-PT压电单晶换能器与相似规格的PZT-4压电陶瓷换能器相比，带宽更宽，加速度灵敏度更低，能同时提高收发性能，具有明显性能优势。后续还需开展PMN-PT压电单晶换能器的机械强度、高低温贮存、冲击等适应性研究。
| [1] |
李晓娟, 李全禄, 谢妙霞, 等. 国内外压电陶瓷的新进展及新应用[J]. 硅酸盐学报, 2006, 25(4): 101-107. |
| [2] |
徐家跃. 单晶材料的新发展及其对生长技术的挑战[J]. 人工晶体学报, 2003, 32(5): 469-475. |
| [3] |
JUN K, KENJI U, SHOICHIRO N. Phase transitions in the Pb (Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 system[J]. Ferroelectrics, 1981, 37(1): 5979-5982. |
| [4] |
许桂生, 罗豪甦, 王评初, 等. 新型弛豫型铁电单晶PMNT的铁电与压电性能[J]. 科学通报, 1999(20): 2157-2161. |
| [5] |
李国荣, 罗豪甦, 殷庆瑞. PMN-PT驰豫铁电单晶及其超声换能器性能研究[J]. 无机材料学报, 2001(6): 1077-1083. DOI:10.3321/j.issn:1000-324X.2001.06.008 |
| [6] |
吴亮, 史翔, 杜慧玲. 压电单晶扬声器低频性能的优化及实验研究[J]. 压电与声光, 2021, 43(4): 533-537. |
| [7] |
罗豪甦, 冯祖勇. 新型压电单晶PMNT在高性能传感/驱动器中的应用[C]//中国土木工程学会. 科技、工程与经济社会协调发展——中国科协第五届青年学术年会论文集. 中国科学技术出版社, 2004: 40−41.
|
| [8] |
TRESSLER J F, HOWARTH T R. Cymbal drivers utilizing relaxor-based ferroelectric single crystal materials[C]//12th IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics (ISAF 2000), vol. 2. 2000: 561−564.
|
| [9] |
JAMES F T, THOMAS R H, DEHUA HUANG. A comparison of the underwater acoustic performance of single crystal vs. piezoelectric ceramic based cymbal projectors[C]//Oceans 2003 MTS/IEEE Conference (OCEANS 2003), 2003(5): 2372−2379.
|
| [10] |
COCHRAN S, PARKER M, MARIN-FRANCH P. Ultrabroadband single crystal composite transducers for underwater ultrasound[C]//Ultrasonics Symposium, 2005 IEEE Conference, 2005: 231−234.
|
| [11] |
MARK B M, HAROLD C R, JAMES M P. Single-crystal lead magnesium niobate-lead titanate (PMN-PT) as a broadband high power transduction material[J]. J. Acoust. Soc. Am. 2007, 12 (5): 2591−2599.
|
| [12] |
CHUNG Myung-jin, YEE Yang-hee, CHA Dong-hyuk. Development of auto focus actuator for camera phone by applying piezoelectric single crystal[P]. International Symposium on Optomechatronic Technologies, 2007.
|
| [13] |
TWERDOWSKI E, PLUTA M, WANNEMACHER R, et al. Comparative evaluation of ultrasonic lenses and electric point contacts for acoustic flux imaging in piezoelectric single crystals[P]. SPIE Smart Structures and Materials + Nondestructive Evaluation and Health Monitoring, 2008.
|
| [14] |
KEVIN A S, PAUL W R, WESLEY S H, et al. Advanced piezoelectric single crystal based transducers for naval sonar applications[P]. SPIE Smart Structures and Materials + Nondestructive Evaluation and Health Monitoring, 2006.
|
| [15] |
孟洪, 俞宏沛, 罗豪甦, 等. PMNT及其在水声换能器中的应用[J]. 声学与电子工程, 2004(1): 22-26. |
| [16] |
郑信雄, 赵荣荣, 刘振君, 等. 压电单晶Ⅲ型弯张换能器研究[C]//2016中国西部声学学术交流会论文集, 2016: 559−562.
|
| [17] |
王春雷, 李吉超, 赵明磊. 压电铁电物理[M]. 北京: 科学出版社, 2009.
|
| [18] |
徐家跃. 新型弛豫铁电单晶及其超声医学应用[J]. 硅酸盐学报, 2003(11): 1091-1095. |
| [19] |
涂其捷, 滕超, 丁俊文, 等. 压电单晶换能器及其温度实验研究[J]. 电声技术, 2020, 44(5): 80-82. |
| [20] |
季博成, 蓝宇, 周天放. 压电单晶双激励宽带纵向换能器[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2018, 39(9): 1472-1477. |
| [21] |
罗豪甦, 徐海清, 王评初, 等. 新型压电单晶PMNT的生长和性能研究[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2002(6): 98-99. DOI:10.3969/j.issn.1007-2683.2002.06.044 |