換能器大功率下溫升規律初探

張明宇 王艷 張睿 劉佳 李凡

(上海船舶電子設備研究所，上海，201108)

現代水聲發展中，水聲設備呈現出向大功率、高穩定性、長時間使用的發展趨勢[1]。在實際使用中，換能器的功率極限限制因素主要分為電極限、空化極限、熱極限、應力極限等，在換能器的連續工作中，熱極限往往率先出現。

在進行長時間大功率發射時，換能器存在一定損耗，因此電能無法全部轉化為聲能，其中，大部分損耗電能將會轉化成熱能。由于圓管換能器輻射面往往被導熱性能較差的水密層所覆蓋，且圓管換能器上不易針對地設置散熱器件，所以熱能無法及時散掉。因此大量的熱能將隨時間逐步累積，進而導致換能器溫度升高，出現諸如換能器阻抗降低、通過電流增大、壓電陶瓷退極化等現象[2]，相關設備因此過載或損壞[3,4]。結合圓管換能器的結構特點，本文對圓管換能器大功率長脈沖下的溫度分布特性進行仿真計算與測量監控，為研究圓管換能器較長時間下的工作特性提供一定參考。

1 圓管換能器的熱仿真

有限元軟件可以有效地計算壓電陶瓷換能器的性能參數，模擬換能器的真實工作狀態，解決應力分布、振動特性、熱量分布等多類問題[5]。

換能器的發熱性能主要受通過換能器兩端的電流以及其自身阻抗性能的影響。當電流流經自阻抗一定的換能器時，換能器內部電阻會因電流的熱效應而產生熱能。

本文在設定換能器阻抗一定的前提下，使用有限元軟件仿真圓管換能器在不同電流與不同外界環境條件下的內部溫度分布情況。對尺寸為 Φ70 mm×Φ66 mm×25 mm，材料為PZT-4的徑向極化壓電陶瓷圓管換能器進行仿真。

對換能器開展空氣環境穩態仿真，假設換能器內壁接觸空氣腔，外壁接觸自由場空氣環境，空氣環境恒定為 20 ℃，當通過圓管換能器兩端的電流分別為0.05、0.1、0.2、0.3 A時，空氣環境圓管換能器上的穩態溫度分布情況如圖1～4所示。

圖1 0.05 A電流下圓管換能器溫度分布情況

圖2 0.1 A電流下圓管換能器溫度分布情況

圖3 0.2 A電流下圓管換能器溫度分布情況

圖4 0.3 A電流下圓管換能器溫度分布情況

由仿真結果可知，在空氣環境中，當通過換能器的電流為0.05 A時，圓管換能器上的最高溫度約為30.3 ℃；當通過換能器的電流為0.1 A時，圓管換能器上的最高溫度約為 41.3 ℃；當通過換能器的電流為0.2 A時，圓管換能器上的最高溫度約為65.8 ℃；當通過換能器的電流為0.3 A時，圓管換能器上的最高溫度約為94.4 ℃。

對換能器開展水環境穩態仿真，假設換能器內壁接觸空氣腔，外壁接觸自由場水環境，空氣環境恒定為 20 ℃，當通過圓管換能器兩端的電流分別為0.25、0.5、1、1.5 A時，空氣環境圓管換能器上的穩態溫度分布情況如圖5～8所示。

圖5 0.25 A電流下圓管換能器溫度分布情況

圖6 0.5 A電流下圓管換能器溫度分布情況

圖7 1 A電流下圓管換能器溫度分布情況

圖8 1.5 A電流下圓管換能器溫度分布情況

由仿真結果可知，在空氣環境中，當通過換能器的電流為0.25 A時，圓管換能器上的最高溫度約為29.1 ℃；當通過換能器的電流為0.5 A時，圓管換能器上的最高溫度約為 38.7 ℃；當通過換能器的電流為 1 A時，圓管換能器上的最高溫度約為59.9 ℃；當通過換能器的電流為1.5 A時，圓管換能器上的最高溫度約為84.2 ℃。

仿真發現，通過圓管換能器的電流越大，換能器發熱現象越明顯，并且換能器的穩態平衡溫度隨通過換能器上電流的增大而升高。

有限元軟件仿真可以在一定程度上計算換能器的發熱情況。但是，換能器在實際使用中的發熱情況往往更為復雜，水密層的導熱性能也將對換能器溫度特性分布產生極大影響，所以應開展更加深入的實驗。

2 圓管換能器升溫過程實驗

換能器溫度對水聲設備的工作狀態、工作精度等參數的評估有著非常重要的意義，所以及時精確地獲得換能器的溫度變化數據就成為了相關研究的基礎性工作。當換能器的產熱功率等于換能器的散熱功率時，換能器溫度將到達穩態狀態，但是，當產熱功率大于散熱功率時，換能器溫度將不斷上升[6]。

在實驗過程中，應使用較低的發射電壓激勵換能器，從而避免換能器應力極限對熱極限產生影響。并且，使用兩只徑向極化圓管換能器進行對比實驗，陶瓷圓管尺寸為Φ70 mm×Φ66 mm×25 mm，材料為PZT-4。將兩只換能器記為1#和2#。

使用換能器進行連續波發射工作，信號頻率為換能器發射響應最大時頻率，即14.6 kHz。在測試中同時監控并記錄換能器溫度隨時間的變化情況與此時的聲源級大小。在實驗中，使用兩只圓管換能器進行連續波發射測試，在100～450 V的有效值電壓施加下，換能器溫度出現不同程度的升高。在500 V有效值電壓的連續波測試下，換能器測試結果如圖9所示。

圖9 圓管換能器溫度測試曲線

從對比實驗結果可以發現：

（1）從測試開始至第 15 min，圓管換能器內壁溫度上升至約80 ℃；

（2）同一時刻下，圓管換能器的內壁溫度略高于外壁溫度；

（3）繼續進行測試，換能器溫度將進一步上升，未達到熱平衡狀態。

從測試結果可以看出，換能器的溫升特性受到換能器兩端施加電壓影響，并且溫度上升現象對換能器的聲學性能也存在一定影響，當換能器溫度達到100℃時聲源級將下降約6 dB。所以在設計中應對圓管換能器采取一定的散熱措施，降低圓管換能器內部溫度，延長換能器的穩定工作時間，使得水聲對抗換能器保持較長時間的穩定工作。并且可以使用該溫度測量方法對其他類型的換能器進行溫度測試工作，得到換能器的穩定工作時間。同時，對換能器溫升影響原因開展研究，有助于在實際應用中規避換能器溫度特性帶來的不良影響，保障換能器的正常使用。

3 溫度對聲源級影響原因分析

在換能器大功率、長脈沖使用時，壓電陶瓷元件的溫度特性將在一定程度上影響換能器聲學特性[7]。壓電陶瓷溫度特性集中體現于線膨脹特性與溫度影響特性。線膨脹特性即壓電陶瓷在一定溫度條件下所產生的形變特性。在本實驗中，薄壁壓電陶瓷圓管的線膨脹特性較弱，在環境溫度升高后對換能器聲學性能影響較小。溫度對壓電效應存在一定影響[6]。當溫度升高后，壓電陶瓷中部分高內能亞穩態電疇結構將會在一定時間內轉變為低內能完全穩態電疇結構，進而導致內應力的減小，造成電性能下降，出現老化現象。同時，不同溫度對壓電陶瓷去極化作用的影響程度也不同。當溫度升高后，電疇動能增大，電疇結構更加容易發生轉化，陶瓷內部去極化現象愈發明顯，換能器老化進程進一步加快，在換能器內部溫度升高至換能元件居里溫度后，換能元件的壓電效應將會逐漸減弱，甚至消失。圖 10為一種使用耐高溫摻雜技術制作的壓電陶瓷的壓電常數 d33溫度穩定性變化曲線，可以作為PZT-4壓電陶瓷材料在高溫條件下性能變化的部分佐證。

隨著換能器內部熱量的累積，換能器內部溫度逐漸升高，導致換能器內壓電陶瓷的電疇不斷轉化，d33不斷減小，換能器的聲源級與機械效率隨之降低，產生的熱量進一步增大，進而造成惡性循環，最后使得內部溫度急劇升高。在換能器溫度上升過程中，過高的溫度也將在換能器上造成熱應力聚集現象，熱應力的聚集也導致換能器上的應力分布情況改變，影響了換能器的大功率發射工作。

另外，對實驗過后的換能器進行解剖，可以發現，隨著換能器溫度的上升，包裹在圓管換能器外壁上的聚氨酯水密層出現了部分融化。因此高溫條件對聚氨酯的融化效果也進一步地限制了換能器的聲輻射能力，降低了換能器的發射聲源級。

4 結束語

本文對圓管換能器在不同電流情況下的發熱現象進行了仿真，并對圓管換能器在大功率長脈沖下的溫升情況進行了測試與分析，對圓管換能器的設計與使用有一定的幫助。在今后的研究中，將對圓管換能器進行更加深入的仿真分析，進一步研究換能器的發熱機理，進行相關實驗，驗證溫度條件對換能器的電學特性的影響效果，并開展圓管換能器的散熱技術研究，為換能器大功率、長脈沖的使用工作提供一定指導與幫助。