邊　翔，吳燕妮

（1. 山西平陽重工機械有限責任公司， 山西 侯馬， 043002； 2. 西安文理學院， 陜西 西安， 710065）

一種提高換能器產品合格率的改進結構和工藝

邊翔1，吳燕妮2

（1. 山西平陽重工機械有限責任公司， 山西 侯馬， 043002； 2. 西安文理學院， 陜西 西安， 710065）

針對聲吶換能器在研制生產中合格率較低的問題， 采用換能器等效電路理論分析出現(xiàn)這一問題的原因，提出了采用非極化陶瓷片和金屬材料熱過渡的換能器改進結構及工藝， 試制了改進后的換能器樣品并對其進行測試。測試結果表明， 該改進措施可有效提高換能器批量生產中的產品合格率， 為換能器設計和生產提供參考。關鍵詞： 聲吶換能器； 等效電路； 熱過渡

0　引言

聲吶換能器是聲吶設備的重要組成部分， 其產品一致性的好壞直接影響聲吶系統(tǒng)的性能指標。在換能器的生產過程中， 經常存在換能器產品合格率低的問題， 其主要原因是設計參數(shù)存在較大的差異， 結構設計不盡合理， 導致?lián)Q能器在生產工藝中出現(xiàn)材料物理及結構性質發(fā)生變化，從而出現(xiàn)總體參數(shù)的改變， 造成換能器生產合格率低。例如， 在測試某型換能器過程中就出現(xiàn)了大功率非線性失真、電聲參數(shù)一致性差的問題。

針對上述問題， 文中結合理論公式解釋了導致問題產生的原因， 提出了改進結構和工藝方法，并通過了試驗驗證。經驗證， 產品合格率提高到90%。

1　換能器等效電路模型

經典復合棒換能器一般由前蓋板、壓電陶瓷晶堆和后蓋板組成， 其前、后蓋板一般為圓柱形。根據換能器各部件的機電等效網絡， 由邊界條件（力的連續(xù)性或速度的連續(xù)性）將各部分級聯(lián)起來就可以得到整個換能器的機電等效圖［1］， 如圖1所示。

圖1中： Zs1和Zs2分別是后蓋板和前蓋板輻射阻抗； n和c0分別為換能器的機電轉換系數(shù)和靜態(tài)電容。且

圖1　換能器分布參數(shù)等效電路模型Fig. 1　Equivalent circuit model of transducer with distributed parameters

當換能器工作在諧振頻率附近時［2］， 可將圖1進一步簡化， 如圖2。圖中， C1，L1和R1分別為換能器的動態(tài)電容、動態(tài)電感和動態(tài)電阻。

圖2　換能器集中參數(shù)等效電路模型Fig. 2　Equivalent circuit model of transducer with lumped parameters

根據圖2可以獲得換能器的動態(tài)導納為

當B1=0時， 換能器處于機械諧振狀態(tài)， 此時換能器的諧振頻率

根據等效剛度計算公式

和 l分別為楊氏模量、等效面積和長度）可知， 當換能器的楊氏模量減少時， 換能器的等效剛度降低，諧振頻率下降

［3］

。

換能器的靜態(tài)電容為［4］

根據式（5）， 當壓電陶瓷片的面積減小時， 換能器的靜態(tài)電容降低。

2　基于換能器質量提高的產品工藝改進

2.1問題描述

圖3為一種大功率超聲發(fā)射換能器， 主要包括前蓋板、壓電陶瓷、預應力螺桿及后蓋板等。加工中完成了換能器裝配、粘接、加熱固化等工藝流程， 測試了換能器的電聲參數(shù)。對測試數(shù)據統(tǒng)計、歸納后發(fā)現(xiàn)， 多數(shù)換能器單元存在以下一些問題：

1） 換能器大功率發(fā)射時， 輸出波形出現(xiàn)非線性失真， 導致?lián)Q能器大功率工作電聲效率降低，無法達到要求的發(fā)射聲功率；

2） 換能器電聲參數(shù)一致性較差， 主要表現(xiàn)在諧振頻率和靜態(tài)電容偏低且一致性較差， 諧振頻率一致性差意味著組陣后換能器單元之間相位差大， 會造成發(fā)射波束和接收波束的畸變。靜態(tài)電容一致性差使得發(fā)射匹配困難， 對系統(tǒng)電源的功率需求提高。

這些問題降低了換能器單元的合格率， 產生大量廢品。

圖3　改進前換能器結構示意圖Fig. 3　Schematic of transducer before improvement

2.2原因分析

結合換能器等效電路理論針對上述問題分析如下。

1） 非線性失真分析

非線性現(xiàn)象一般是由換能器某些零件出現(xiàn)損傷引起的。當發(fā)射功率超過材料的耐受程度時，材料工作在非線性區(qū)， 表現(xiàn)出來就是換能器發(fā)射波形失真。一般換能器前后蓋板采用鋁和鋼金屬材料， 強度高不易損壞， 而換能器壓電陶瓷片較脆， 容易開裂， 因此應重點關注是否由于陶瓷片的損傷造成換能器出現(xiàn)非線性。通過仔細觀察發(fā)現(xiàn)， 換能器加熱固化完成后， 在壓電陶瓷片與前后蓋板尤其是與前蓋板結合處壓電陶瓷片出現(xiàn)裂紋， 有些甚至出現(xiàn)豁口， 這是導致?lián)Q能器出現(xiàn)非線性的根本原因。

結合換能器的使用材料和制作工藝可以解釋非線性失真形成的原因， 是壓電陶瓷片與金屬材料熱力學特性的巨大差異造成的。根據文獻［5］，壓電陶瓷片的熱膨脹系數(shù)為3×10-6m/℃， 而前蓋板（硬鋁合金）的熱膨脹系數(shù)為23.8×10-6m/℃， 后蓋板（鋼）的熱膨脹系數(shù)為15×10-6m/℃。當換能器90℃高溫加熱固化時， 壓電陶瓷片的膨脹尺寸較小， 金屬蓋板尤其是鋁蓋板膨脹尺寸較大。當固化完成后， 在陶瓷與金屬的粘接面產生較大的剪切力， 當換能器溫度降至常溫時， 因為材料收縮的程度不同， 剪切應力可能將粘接面內部撕裂，造成陶瓷片電極層不同程度的脫落或陶瓷片出現(xiàn)裂紋。

2） 諧振頻率分析

基于上述分析， 當壓電陶瓷片出現(xiàn)裂紋時，相當于壓電陶瓷片變“軟”， 陶瓷片楊氏模量降低， 根據剛度與楊氏模量的公式， 其等效剛度K降低， 再根據式（4）， 換能器的諧振頻率降低。壓電陶瓷片損傷程度不同， 換能器諧振頻率下降的程度就會不同， 表現(xiàn)出來就是一批產品的一致性差。

3） 靜態(tài)電容分析

同樣， 根據式（5）可知， 靜態(tài)電容與陶瓷片的有效面積成正比， 當電極層脫落或開裂時， 陶瓷片的有效面積Sp減小， 因此， 換能器的靜態(tài)電容下降。由于電極層破壞程度的差別， 靜態(tài)電容變化率不同， 導致?lián)Q能器個體之間的一致性變差。

綜上所述， 將換能器出現(xiàn)上述現(xiàn)象和問題的原因歸結為換能器材料之間熱性能差異的結論是成立的。

2.3改進措施

由上述原因分析可知， 要解決問題必須改進換能器的結構設計和制作工藝。即采用不同熱力學材料及非極化陶瓷進行熱過渡結構和工藝， 具體改進方案如下。

1） 結構改進

前蓋板采用的是鋁材料， 同樣加熱溫度下尺寸變化相對壓電陶瓷更大， 容易在結合面處產生剪切力。因此， 在兩者之間添加熱力特性介于2種材料之間的過渡材料， 改進后換能器如圖4所示。

圖4　改進后換能器結構示意圖Fig. 4　Schematic of transducer after improvement

在前蓋板后分別增加1個不銹鋼墊片和無極化壓電陶瓷片， 同時在后蓋板處增加1個無極化壓電陶瓷片。

增加不銹鋼墊片是因為其熱膨脹系數(shù)介于前蓋板與壓電陶瓷片之間， 可以起到緩沖作用， 從而降低剪切應力。

增加無極化陶瓷墊片是因為其熱膨脹系數(shù)與壓電陶瓷片相同， 但其是無源的， 可以起到保護有源壓電陶瓷片電極層的作用， 避免造成有源壓電陶瓷片的損壞。

因為增加了換能器的總長度， 為了保持諧振頻率在設計范圍內， 應適當縮短后蓋板的長度。

2） 工藝改進

零件受到的溫度越高， 其尺寸變化越大， 產生的剪切應力越大， 因此適當降低溫度并改進加熱固化工藝， 可以有效改善上述情況。采用階梯型加熱固化流程， 可使固化過程更緩和， 從而使其熱過渡特性更好， 避免由于熱應力劇烈變化引起壓電陶瓷片產生裂紋。

3　試驗驗證

按照改進方案， 試制了10件換能器樣品， 測試了其電聲參數(shù)， 并與改進前的樣品進行了對比，改進前后大功率發(fā)射試驗結果如表1。

從表1可以看出， 在同樣的發(fā)射功率條件下，改進后的換能器9只發(fā)射波形正常無畸變， 改進效果明顯。

采用阻抗分析儀測試了換能器的諧振頻率和靜態(tài)電容， 結果見表2和表3。

由表2可知， 改進前換能器諧振頻率在18.3～19.8 kHz之間， 一致性差別為1.5 kHz； 改進后換能器諧振頻率在19.9～20.5 kHz之間， 一致性差別為0.6 kHz。

由表3可知， 改進前換能器靜態(tài)電容在1.82～2.11 nF之間， 一致性差別為0.29 nF； 改進后換能器諧振頻率在2.10～2.21 nF之間， 一致性差別為0.11 nF。

表1　功率發(fā)射結果表Table 1　Power transmitting results

表2　諧振頻率記錄表Table 2　Record of resonant frequency

表3　靜態(tài)電容記錄表Table 3　Record of static capacitance

試驗結果證明， 文中介紹的改進措施是有效的， 可以大幅提高產品的合格率和一致性。

4　結束語

文中針對換能器合格率低的問題進行了分析，提出了采用無源墊片熱過渡結構及工藝方法， 并隨樣本展開了研制及測試， 試驗結果表明了改進方案的有效性。文中介紹的工藝方法可為提高縱振式換能器的合格率提供依據。

［1］欒桂冬， 張金鐸， 王仁乾. 壓電換能器和換能器基陣［M］. 北京： 北京大學出版社， 2005.

［2］Charles H. S， John L. B. Transducers and Arrays for Underwater Sound［M］. Berlin： Springer Verlag， 2007.

［3］劉望生， 俞宏沛， 周利生. 雙激勵加匹配層寬帶水聲換能器研究［J］. 聲學技術， 2008，27（2）： 285-288.

Liu Wang-sheng， Yu Hong-pei， Zhou li-sheng. The Study of Broadband Underwater Acoustic Transducer with Doubly Exciting Plus Matching layer［J］. Technical Acoustics，2008， 27（2）： 285-288.

［4］洪有才， 俞宏沛， 杜紀新. 縱向振動換能器驅動元件機電等效參數(shù)的計算［J］. 聲學與電子工程， 2003， 70（2）：2-4.

［5］成大先. 機械設計手冊［M］. 第5版. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2009.

（責任編輯： 楊力軍）

Improvement of Structure and Procedure for Raising Acceptance Rate of Sonar Transducer

BIAN Xiang1，WU Yan-ni2
（1. Shanxi Pingyang Heavy Industry Machinery Co. Ltd， Houma 043002， China； 2. Xi′an University， Xi′an 710065， China）

To raise the acceptance rate of sonar transducer in its development and production processes， an equivalent circuit model was built to analyze the factors influencing the acceptance rate. Consequently， a non-polarized piezoelectric ceramic was adopted in the structure of the transducer， and thermal transition of metallic material was applied to the procedure. A prototype of the sonar transducer with the improved structure and procedure was produced and tested. The results indicate that this improvement can raise the acceptance rate of the product.

sonar transducer； equivalent circuit； thermal transition

TJ630.34； TB564

A

1673-1948（2015）03-0183-04

2015-01-08；

2015-03-01.

邊翔（1978-）， 男， 技師， 長期從事動力及總體裝配工藝研究.