压电圆环换能器

压电圆环换能器是水声换能器中最常见的换能器之一，可用于发射和接收声波，由于其核心结构压电陶瓷圆环，如图1所示，具有圆周对称结构。因此具有水平无指向性的优点，常用于做标准的发射换能器或水听器。压电圆环换能器具有结构简单、性能稳定、制作工艺成熟、有效机电耦合系数近于材料本身等优点，得到了广泛的应用。

图1 压电陶瓷圆环

1、压电陶瓷圆环的极化方式和振动模式

压电陶瓷圆环有三种极化方式，分别是径向极化、高度极化和切向极化，如图2所示。压电陶瓷圆环的基本振动模式是径向振动，在这时，其中径向极化圆环的极化方向与振动方向垂直，用31模式；高度极化和切向极化的极化方向与振动方向相同，用的33模式。

图2  压电圆环的三种极化方式

压电圆环除了可以用于径向振动之外，还有两种振动模式，就是厚度振动和高度振动，如图3所示。径向振动和高度振动主要用于中频工作，大约几千赫兹到几十千赫兹；厚度振动用于几百千赫兹的高频工作。

图3  压电圆环的三种振动模式

利用33模式的镶拼圆环换能器，因为机电耦合系数更高，压电系数d33几乎是d31的2倍，又可实现大尺寸圆环，所以在低频、大功率应用时被选用。

2、压电圆环换能器的理论分析

压电圆环换能器用集总参数的等效电路法进行分析。压电陶瓷是电介质，其电端相当于有损耗的电容器；压电陶瓷环的径向振动可以相当于一个弹簧质量系统，弹簧刚度就是压电陶瓷环的径向刚度，质量就是陶瓷环的质量；压电圆环的声辐射可以用辐射阻Zs模拟，这样就建立了压电圆环换能器集总参数等效电路模型。

图4  压电圆环的等效电路图

压电圆环换能器也可以用有限元软件进行分析，建立换能器及流体的有限元模型（如图5），进行模态分析和谐波响应分析，可以得到压电圆环换能器的振动模态（如图6）、阻抗特性（如图7）和发送电压响应级曲线（如图8）。

图5  圆环换能器的有限元模型

图6  圆环换能器的径向振动模态

图7阻抗特性曲线

图8  发送电压响应级曲线

3、压电圆环换能器的应用

压电圆环换能器有空气背衬或溢流式两种结构。换能器两边加端盖，内部形成空气腔，然后水密封装，就是空气背衬结构；两端不加盖，只把压电圆环水密，让流体自由进出圆环内部，这种结构称为溢流圆环换能器。溢流圆环换能器由于两端开口，内外压力平衡，理论上可以工作在任何深度，适用于深水、变深工作的要求。溢流圆环在水下工作时除了换能器本身的径向振动外，还带动腔体内的液体振动。利用液腔振动模态和圆环径向振动模态的振动耦合，可得到较宽的工作频带。

图9 两种结构压电圆环换能器

压电圆环换能器具有结构简单、工作性能稳定、水平无指向性、可深水工作、具有较高的接收灵敏度等诸多优异性能，因此在水声通信领域、水声探测等领域得到了广泛应用。如应用在舰艇的大型被动声呐基阵中，主动拖曳声呐、各种通信节点、水下声信标、深海应答器、释放器等，具体如图10所示。

图10 用于水声通信的压电圆环换能器

世界上最大的溢流圆环换能器由Gearing &Watson公司设计，，外结构形式为多边形，由多个压电长堆分段拼接而成，最大直径尺寸达1.5米，在200Hz -800Hz频段范围内声源级大于200dB，最大声源级204dB。UltraElectronics公司设计的圆环换能器声源级达到220dB。

Gearing & Watson公司的圆环  UltraElectronics公司的圆环

图11 用于水声探测的压电圆环换能器

哈尔滨工程大学水声换能器研究室近些年研制的系列深海圆环换能器，如图12所示，解决了耐全海深电引出、结构耐压、轻重量、高效率等技术难点，实现换能器耐127MPa（全海深）静水压技术能力，搭载于水下主动探测小目标平台、通信节点、深海释放器等设备。

图12 全海深压电圆环换能器

哈尔滨工程大学水声换能器研究室研制的20-30kHz（全海深）压电圆环换能器，被用于拍摄“奋斗者”号深潜器的“沧海号”深海着陆器，是专门在万米洋底“打光拍照”的“御用摄影师”，全球独家深海着陆器，可进行全海深4K超高清视频拍摄传输；“凌云号”，可在海底自由活动，提供更多角度照明。

图13 全海深视频直播“沧海号”着陆器