刘端适

王清池

Xiamen University Institutional Repository

南 3.19 7气象水文海洋仪器 Se P.9 9 1 7水层深度遥测仪的发射换能器厦门大学 王清池 刘端适一、引 言在海洋要素的测量中,要求精确地知道测量仪器所处位置的水深,通常采用缆式测量法。施放钢缆的长度要比实际水深增加一定的长度,这个长度是根据钢缆的倾角及水深来确定,它带有人的主观经验因素,这给精确地测量深度带来了较大的误差。针对这个问题,我们研制的水层深度遥测仪利用压力传感器感应出仪器所在处的深度信息,由水层深度遥测仪发射机的发射换能器,把深度信息发送到水介质,通过水介质中多信息传输,最后由水层深度遥侧仪接收换能器接收深度信息,从而完成声遥测水层深度测量。利用声学深度遥测仪测量深度,克服了因钢缆的倾斜及弯曲所产生深度测量的误差,能准确、实时、快速地测量水下仪器所处水层的深度。水层深度遥测仪要求测量 5 个水层深度的发射换能器的工作频率分别为 28.60 士0.5 k H z、32.2 9 士 0.5 k H z、3 7.0 9 士 0.5 k H z、4 2.5 8 土 0.5 k H z、4 6.5 4 士 0.s k H z,波束角庆3 dB > 7 0’,承受脉冲功率 10 w,水密要求耐 20 m 水深的静水压。为此,在水层 深度遥测仪研制中,5 个水层发射换能器频率的准确性和为了批量生产,各套仪器同一个水层的发射换能器的频率一致性,便成了水层深度遥测仪研制中的技术关键问题之一。二、换能器的设计纵向复合棒换能器是一种强功率辐射器,目前应用比较广泛。它具有以下特点:( 1)万场~ ~ J . ~ 玉~ ` ` . 州` ~ . 山I` 叫 `口 一图 1 纵向复合棒换能器前盖; 2.金属支衬板 ; 3.压电陶瓷片 ;4.后盖板 ; 5.预应力螺杆王清池等:水层深度遥侧仪的发射换能器这种结构的换能器盖板采用轻金属,如铝、铝钦合金,它们的密度 p = 2.5 一 2.7 x l护k g厂扩,后盖板用重金属,如 45 号钢,其密度 p = 8 一 .8 5 x 1 03k g /耐。由动量守恒定律可知,速度与密度成反比,因此前后盖板的振速比约为 马: 1,所以能量大部分从前盖板辐射。( 2 )这种类型的换能器使用了金属螺杆,对压电陶瓷施加预应力,使其机械强度可与金属材料相比拟,因此提高了换能器的功率重量比。( 3) 这种结构的换能器的前盖板采用喇叭形,增加了辐射面,使辐射阻抗提高,从而降低机械品质因素 Q ,。水层深度遥测仪的发射换能器采用纵向复合棒型换能器,其结构如图 1 所示。由换能器理论可知:对于后盖为圆柱形 (即截尾系数 巾~ o ),在不考虑介质的辐射阻抗的条件下,复合棒的频率方程为 f’ 1。叠、、Z,`t g八 1 -1 1 二 下丁代,L I 嘴-几t g 八 2石 3 = 下茄, .沼汤 3万穴2乙 2 ( ( F 十 1) K 2肠 一 gt K ZL Z〕( F 十 1 ) ( K Z乙 2 ) Z t g K Z L Z 一 K Z L Z〕1t g K 4 L 4式中,F =R zR z 一 R l为锥头系数 (延展系数 ),几 ” p。OC S。为晶堆的机械特性阻抗,Z : =p Z Q S、为前盖板与晶堆相接处的机械特性阻抗,几 二 pZC Z S : 为前盖板喇叭口处的机械特性阻抗,2 3 = p ; C ; S ; 为后盖板的机械特性阻抗,K ; =2冗八勺 二 弋一一人晶堆的波数,K Z、K ; 分别为前后盖板的波数。从频率方程可知:若已知换能器的谐振频率,前盖板喇叭 口的半径 RZ ,后盖板的半径R :,晶片长度 Ll 、 L , 以及材料的参数 (密度 p 和声速: ),由频率方程可确论前后盖板的长度 L: 和 L 4。水层深度遥测仪发射换能器选用山东淄博无线电瓷件厂生产的 P z T 一 F,必外径 18 “必内径 5 X h Z·5 晶片,采用两片晶片并联。根据频率方程计算出水层深度遥测仪 5 个水层的发射换能器具体尺寸列于表 1。裹 1默频 率 喇叭口直径 前盖板长度 后盖板长度( k Hz) (e m ) (e m ) (em )1 2 8.60 3.10 3.4 3 3.302 3 2.29 2.9 5 2.80 2.9 53 3 7.09 2.5 0 2.30 2.604 4 2.58 2.4 0 2.10 2.255 4 6.5 4`2.3 1 1.83 1.90三、频率调整的措施1.预应力的调整气象水文海洋仪器在纵向复合棒的制作中,利用螺杆对压电陶瓷施加预应力,其主要目的是提高换能器的机械功率极限 ;另一方面,通过对施加预应力 的调整,对换能器的谐振频率能起“微调”的作用。采用 必外径 45 x 中内径 14 x h 4 F CDM 型 P zT,12 片并联制成 5·5 士 0.s kH:的纵向复合棒换能器,通过调整施加预应力的大小达到` ’微调”频率的目的。实验数据列于表 2。裹 2卜飞犷二~卜之进谐振抓率 fr 带宽配 电压比( k H 名 ) ( k l lz)用板手将预应力探杆旋紧 5.84 7 0.9 84 17.0油压机上压力 7 60 kg,娜杆旋紧 5`8 83 1.0 6 1 17.8抽压机上压力 1 140 掩.螺杆旋紧 5.8 36 1.12 8 19.5抽压机上压力 1 5加 幼 螺杆旋紧 5.8 32 1.139 19.22.预应力的控制方法在水层深度遥测仪的纵向复合棒发射换能器 的制作中,对 P zT 压电陶瓷施加预应力.可以利用压电元件在力的作用下产生的电荷来控制压应力的大小。此方法是根据压电陶瓷的正压电效应,测量压电陶瓷材料中产生的电荷来进行的。预应力控制示意图如图 2 所示。图 2 中,C 为与压电陶瓷并联的大电容,电容值为几个至几十个微法拉 ; V 为高输人阻抗的直流电压表。当力施加在 n 片面积为 S 的压电陶瓷片组成的纵向复合棒换能器时,在并接的直流电压表上就可得出一直流电压。由电学原理,电容器上的电荷 Q = C V。根据压电原理的正压电效应,电容器上的电荷应为Q 二 d3 3 F 3月 = d ” 几 sn所以 C V = d 3 几 sn。” `~ C V 。因此 几 = 号牛 s,l~ ~` Jd 3 3 .’ .式中 d” — 压电陶瓷的纵向压电常数;n— 组成纵向复合棒换能器的压电陶瓷的片数 ;S— 压电陶瓷片的截面积。: 。〔扫预仪出 2 纵向换能器预应力控制示惫图1.前盖板沼.压电陶瓷口.法兰盘 ;.4 后益板 ; 5.预应力橄杆从 几 的表达式中,若知道电压表的电压值就能计算出所施加的应力的大小。3.前后盖板的调整为了确保制造出的纵向复合棒换能器的谐振频率等参数的一致性,对振子施加预应力后,将图 2 中的开关 K 转至 正,通过扫频仪观察振子的阻抗一频率特性曲线。如果振子的阻抗、谐振频率偏离较小,可以适当地调整施加的预应力。对于有的振子的阻抗、谐振频率偏离较大,其原因可能是由于压电陶瓷元件和前后盖板等机械零件加工不一致引王清池等:水层深度遥侧仪的发射换能器起。若预应力施加太大会使压电陶瓷材料退极化,如果施加的预应力超过压电陶瓷材料的抗压强度会导致陶瓷片破裂,或有时螺杆的内应力接近材料的疲劳强度,对振子就成为一个隐患。预应力施加太小,压电元件与接线片、前后盖板之间接触不 良,不伺界面的损耗增加,换能器的机械阻增大,并且预应力对压电陶瓷材料的抗张强度的补偿作用也不明显,致使换能器的电声性能不佳。在这种情况下,有效的方法是改变纵向复合棒换能器的前后盖板的尺寸。实验表明:如果发现振子的谐振频率偏低,可将前后盖板磨去一部分。对于水层深度遥侧仪的发射换能器,前盖板磨去 1 ~,其谐振频率可升高 30 一 40 H: ;后盖板磨去 1 ~,谐振频率可升高 20 一 30 H: 。通过调整前后盖板的尺寸,从而保证成批生产的振子的谐振频率的一致性。四、实 验 结 果水层深度遥测仪的发射换能器采用山东淄博无线电瓷件厂生产的外径为 i8 ~、内径为 5 ~、厚度为 3 ~ 的P zT一 4 压电陶瓷 2 片并联组成晶堆为激励元件制成纵向复合棒换能器。利用预应力控制和调整前后盖板的尺寸,从而获得谐振频率、谐振电阻等参数一致性较好的振子,满足整机的要求。如表 3 所示。裹 3六牡`要求的工作预率 研制的换能器的 谐振电阻( 、比 ) { 谐振频率 ( O )} ( kzH )第一水层 46.54 士 0.5 4 6.4 9一 46.7 1 3 4 ~ 4 2第二水层 42.58 士 0.5 4 2.5 6一 4 2.85 39 e 4 5第三水层 37.0 9 士 0.5 37.0 5一 3 7,3 4 3 7一 4 3第四水层 32.2 9 士 0.5 3 2.2 6 ~ 32.6 2 3 6 ~ 4 5第五水层 28.6 0 士 0.5 2 8.34 一 2 8.78 4 1一 50我们研制的纵向复合棒换能器作为水层深度遥测仪 5 个水层的发射换能器,经不同海域多次实验表明:仪器的性能良好,能准娜实时、快速地测量水下仪器所处 5 个水层的深度。1 992 年通过国家海洋局鉴定,为我国海洋调查仪器填补了空 白。该仪器于 19 94年获国家海洋局科技进步三等奖。参 考 文 献〔1] 衰易全 : 《超声换能器》,南京大学出版社.1 9 2 年〔幻 国家标准局 :压电肉瓷材料性能侧试方法— 纵向压电应变常数山,的静态洲试,198 2 年

水层深度遥测仪的发射换能器

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水层深度遥测仪的发射换能器

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