CN101254499B

CN101254499B - 一种大开角叠堆晶片发射换能器

Info

Publication number: CN101254499B
Application number: CN2008101043704A
Authority: CN
Inventors: 王丽坤; 秦雷; 李莉; 张金铎
Original assignee: BEIJING INFORMATION ENGINEERING COLLEGE
Current assignee: BEIJING INFORMATION ENGINEERING COLLEGE
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2028-04-18
Also published as: CN101254499A

Abstract

本发明提供了一种叠堆晶片发射换能器，包括压电晶片堆、前盖板和背衬，其中压电晶片堆由多片压电陶瓷晶片叠堆而成，前盖板由轻金属制成，背衬由重金属制成，前盖板和背衬分别位于压电晶片堆的上下两端；相邻的晶片之间，以及压电晶片堆与前盖板和背衬之间夹有金属薄片，以焊接电极引线；压电陶瓷晶片的极化方向沿着厚度方向；其特征在于：前盖板为带圆柱头的椎体，具体可分为上下两部分，下部分为一个倒扣的喇叭状圆台，上部分是一个顶面为平面或球冠面的圆柱。本发明保持了叠堆晶片振子发射声能密度大的特点，同时采用带圆柱头的锥体状前盖板，扩大了换能器的发射波束开角，而且可以通过改变前盖板的形状和尺寸来调整发射的波束开角。

Description

一种大开角叠堆晶片发射换能器

技术领域

本发明属水声探测技术领域，具体涉及一种利用压电陶瓷的压电效应发射水声信号而实现水中探测的发射换能器，可广泛用于水下通信、探测、目标定位、跟踪等，是声纳使用的重要部件。

背景技术

水声换能器是将声能和电能进行相互转换的器件，其地位类似于无线电设备中的天线，是在水下发射和接收声波的关键器件。水下的探测、识别、通信，以及海洋环境监测和海洋资源的开发，都离不开水声换能器。换能器可分为发射型、接收型和收发两用型。将电信号转换成水声信号，并向水中辐射声波的换能器，称为发射换能器，发射换能器要求有比较大的输出声功率和比较高的电声转换效率。用来接收水中声波信号，将其转换成电信号的换能器为接收换能器，也常称为水听器，对接收换能器则要求宽频带和高灵敏度。既可以将声信号转换成电信号，又可以将电信号转换成声信号，用于接收或发射声信号的换能器称为收发换能器。

通常，发射换能器都有一个电储能元件和一个机械振动系统。当换能器用作发射时，从发射机的输出级送来的电振荡信号引起电储能元件中电场或磁场的变化。这种变化借助于某种物理效应，对换能器的机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态，从而推动与机械振动系统相接触的介质振动，即向介质中辐射声波。

目前常用的一类水声发射换能器是采用叠堆晶片制作的各种发射换能器，这种叠堆晶片振子可以较小的重量和体积获得大的声能密度而广泛地用于水声和超声技术中。这类换能器主要有以下几种：

(1)复合棒压电换能器

复合棒压电换能器也称为夹心式压电换能器或喇叭形压电换能器(T.Inoue，T.Nada，T.Tsuchiya，T.Nakanishi，T.Miyama，M.Konno，“Tonpilz piezoelectricers with acousticmatching plates for underwater color image transmission”，IEEE Trans.Ultrason.Ferroelect.，Freq.Contr.，Vol.40，pp.121-129，1993；Qingshan Yao Bjorno.L.Broad band tonpilzunderwater acoustic transducers based on multimode optimization IEEE VFFC.Vol 44 5 1997P1060-1066；Inoue T.Nada.T.“Tonpilz Piezoelectric transducer with acoustic matching platesfor underwater color image IEEE VFFC Vol.40.2，1993 P121-130.)。它是一种常用的大功率发射换能器，用作接收亦有较高的灵敏度。复合棒压电换能器振子结构示意图如图1所示。

由于压电陶瓷纵振模态频率较高，而且其发射头11为喇叭状，这种换能器工作频率主要在几千赫兹到几百千赫兹，其发射指向性图的波束宽度(开角)较小。

(2)双端发射复合棒压电换能器(Janus transducer)

Janus换能器，即双端纵振动换能器(S.C.Thompson，M.P.Johnson，M.P.Johnson，“Performance and recent developments with doule resonant wide-band transducers”，Proc.3rd Int.workshop Transducers Sonics Ultrason，Orlando，Bath，V，K FL，PP.234-249，1992；S.C.Thompson，“Underwater Electroacoustic Transducers”，Proe Fransducers sonic Ulorason，Orlando，Bath，U.K，FL，PP215-217，1991；J.N.DecarPigny J.C.Debus，B.Tocquet D.Boucher，In-air analysis of Piezoelectric tonpilz transdueers in a wide frequency band using a mixed finiteelement-plane wave methoal J.Acoust.Soc，Amer.，Vol.78，No.5，PP1499-1507，1985.)，是双面对称发射的复合棒压电换能器。如图2所示，其优点是结构紧凑，设计简单；功率重量比好，能发射中、高功率；与支撑结构有较好的去耦，尾质量位于结构的中心；装配成阵比较容易，物理特性和制造技术比较成熟。

和复合棒压电换能器一样，Janus换能器主要工作在几千赫兹到几百千赫兹，波束宽度(开角)较小。但改用磁致伸缩材料代替压电陶瓷堆作为驱动可以降低工作频率。

(3)环状换能器(Ring transducer)

环状换能器(S.G.Schock，L.R.Leblanc，S.Panda“spatial and temporal pulse designconsiderations for a marine sediment classification sonar”，IEEE J.Oceanic Eng.，Vol.19 PP406-415，July 1994；Y.Qinqshan，L.Bjomo，“Broadband tonpilz underwater acoustic transducersbased on multimode optimization”，IEEE Frans Ulorason.，Ferroelect.，freq.Contr.，Vol.44，P1060-1066，1997.)以外部的圆环作为辐射面，如图3所示，通过计算确定圆环的厚度，可以使其能够承受深水的静水压。一些长度振子按照“星”形插入圆环内。每个长度振子由压电陶瓷堆23和尾质量53组成。这种换能器由于结构上的特点，可以工作在深水。并且有两个主要的谐振频率可以应用，一是圆环自身的谐振频率(圆环的呼吸模态)，稍低的振动频率；二是每个长度振子的谐振频率(类似复合棒压电换能器的纵振动模态)，稍高的振动频率。

该换能器考虑到复合棒压电换能器和Janus换能器难以实现低频发射的缺点，因此改用纵振模式的陶瓷来驱动外环作弯曲模式的振动，这样就可以实现低频发射。但该换能器有一个不足就是相对辐射面积过小，没有把陶瓷堆的纵振能量充分地转换为低频弯曲振动的能量，因此辐射能力不够大。

(4)桶板(I型)弯张换能器

桶板弯张换能器(Jone D F.Flextensional Barrel-stave Projectors，in Transducers for Sonicand Ultrasonic，MeCollum M D.Hamonic B F.Wilson O.B.eds.Technomic Publishing co.Inc.，Lancaster，1993：150-159.)将若干块由平面弯成的圆孤(或其它曲线)弓形段弯曲梁，用螺钉安装到压电陶瓷晶片堆24两端的质量块上，构成压电振子。其中，一种典型的结构如图4所示。通过用闭孔泡沫塑料充填部分空腔，采用自由浸沉，有工作于500m深水的能力。桶板弯张换能器将晶片堆的纵振动转换为桶板的弯曲振动，工作频率较低。凸形壳体，在水中工作时，作用于其上的静水压的合力为沿长轴方向的张力，这就抵消了部分施加的预压应力。随着深度的增加，这种张力也正比地增加，就不可能保证在高驱动工作时的安全应力，从而限制了工作深度。

凹面弯张换能器(如图5)是针对这一问题设计的。它的优点是：静水压合力为沿长轴的压力，随着深度增加而增加，因而需施加的装配预应力最小；当外壳在基频径向振动时，外壳全部作同相位振动，能更有效地向远场辐射声功率。

该换能器的缺点是整体布局成细长型，在占用同样的最大尺度上，作为驱动的元件压电陶瓷的数量相对偏少，驱动能力就相对不足。

综上所述，目前常用的叠堆晶片发射换能器分为两类，一类应用压电陶瓷晶片纵振模态工作，频率在几千到几百千赫兹，发射波束宽度(开角)较小。另一类将晶片纵振模态转换为外壳的弯曲振动，大大降低了换能器的工作频率，一般可降到几赫到几千赫兹，但波束宽度(开角)也较小。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有叠堆晶片发射换能器开角较小的不足，提供一种高灵敏度大开角的发射换能器。

上述目的是通过如下技术方案实现的：

一种叠堆晶片发射换能器，包括压电晶片堆、前盖板、背衬等，压电晶片堆由多片压电陶瓷晶片叠堆而成，前盖板用轻金属制成，背衬由重金属制成，前盖板和背衬分别位于压电晶片堆的上下两端；相邻的晶片之间，以及压电晶片堆与前盖板和背衬之间夹有金属薄片，金属薄片上焊接电极引线；压电陶瓷晶片的极化方向沿着厚度方向；所述前盖板为带圆柱头的椎体，具体地说，前盖板分为上下两部分，下部分为一个倒扣的喇叭状圆台，上部分是一个顶面为平面或球冠面的圆柱。

上述压电晶片堆的晶片可采用中心带孔的压电陶瓷PZT制作，每相邻两片的极化方向相反，晶片的数量为2～50，晶片的直径一般为10～100mm，每片晶片的厚度一般为0.5～5mm

上述前盖板的圆柱头即为发射头，其直径应小于发射换能器的工作波长的1/2。圆柱头下面的圆台顶面直径与发射头相同，而底面大小与晶片相同。圆台及圆柱的总高度为10～100mm，圆柱的高度小于总高度的1/2。

前盖板采用铝、铝镁合金等轻金属制作，而背衬采用钢、黄铜等重金属制作，前盖板与背衬的密度之比应小于0.3，以使晶片堆的振动能量大部分通过前盖板向外辐射。背衬的厚度为5～100mm

金属薄片与压电晶片、前盖板及背衬之间用环氧树脂胶合。金属薄片用黄铜或锌铂铜等易于焊接的金属或合金制作，越薄越好，一般要求其厚度小于0.1mm。

背衬、压电晶片堆进一步通过贯穿其中的预应力螺钉与前盖板固定连接。

发射换能器装配好后往往需要封闭于防水透声层中。换能器的防水透声层材料通常为聚氨酯透声橡胶，这种材料具有介电强度高、体积电阻高、抗张和抗切变强度高、耐磨性好和阻尼高等特性，而且聚氨酯还有较好的耐酒精、耐酯族溶剂性能。顾名思义，防水透声层的主要作用是防水、透声，避免换能器内部由于进水、短路而导致器件损坏。同时，聚氨酯的特性阻抗与水匹配，声衰减系数很低，保证换能器与水介质之间良好的声能传递。

本发明发射换能器的陶瓷的极化方向沿厚度方向，当在晶片堆上加交变电压时，由于陶瓷的压电效应，晶片产生振动，推动前盖板振动，向前辐射声波。由于压电晶片堆采用多片陶瓷叠堆，振子的振动为多个晶片振动的迭加，可产生大的能量密度，进而提高换能器的发射灵敏度。前盖板圆台的底面直径与晶片相同，而顶面直径与作为发射头的圆柱相同，发射头的直径小于发射换能器的工作波长的1/2，振子的辐射面的线度由晶片的直径减小到圆柱的直径。这样可增大发射换能器的辐射波束宽度(开角)。若发射头顶端为球冠面，则球冠的表面将晶片产生的轴向位移部分转换为径向位移，将进一步增大发射波束开角，但发射功率略有减小；若发射头顶端为平面，晶片堆的轴向推力全部通过圆柱的轴向振动向外辐射，发射功率较球冠面的大，开角略有减小。

总之，本发明的叠堆晶片发射换能器通过合理设计叠堆晶片前端的前盖板，既保持了叠堆晶片振子发射声能密度大的特点，同时又增大了其发射波束开角，从而弥补了现行复合棒、Janus等压电换能器开角较小的不足。另外，还可以通过改变前盖板的形状和尺寸来调整发射的波束开角。

附图说明

图1是复合棒压电换能器振子的结构示意图。

图2是Janus换能器的结构示意图。

图3是环状换能器的结构示意图。

图4是凸型桶板弯张换能器的结构示意图。

图5是凹型桶板弯张换能器的结构示意图。

图6是本发明的叠堆晶片发射换能器的结构示意图。

图7a是发射头顶为球冠面的前盖板结构示意图；图7b是发射头顶为平面的前盖板结构示意图。

图8是本发明发射换能器压电晶片堆的结构及连线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的叠堆晶片发射换能器进行详细说明。

本实例的叠堆晶片发射换能器包括压电晶片堆2、前盖板1、背衬5、预应力螺钉6、防水透声层8和输出电缆7等，如图6所示。

压电晶片堆2中，晶片采用中心带孔的压电陶瓷PZT制作，每相邻两片的极化方向相反(参见图8)。晶片间，以及晶片与前盖板1和背衬5之间夹以金属薄片3，以焊接引线4。晶片、金属薄片3、前盖板1及背衬5之间用环氧树脂胶合。晶片堆的接线如图8所示，采用并联连接，以保证在各晶片上同时施加同相电压，而产生同步振动。

前盖板有两种方案，方案一为图7a所示的结构，由1a和1b两部分组成，发射头1b为顶面是球冠面的圆柱体；方案二为图7b所示的结构，由1a和1c两部分组成，发射头1c为顶面是平面的圆柱体。前盖板中1b(或1c)扣在圆台1a上形成带圆柱头的椎体，圆台1a的底面直径与晶片相同，顶面直径与发射头相同，为换能器的1/10～1/2波长，使振子的辐射面的线度由晶片的直径减小到圆柱底面的直径。这样可增大换能器辐射波束宽度(开角)。

前盖板1用轻金属制作，背衬5用重金属制作，以得到大的前后盖板的位移比。由动量守恒，晶片堆两端的动量要相等，则其速度与位移成反比。如用铝作前盖板，钢作背衬，其位移比约为三比一，此时轻金属前盖板表面(辐射面)的位移较大，将辐射出振子贮存振动能量的较大部分，使晶片堆的振动能量大部分通过前盖板向外辐射。

装配换能器时，先用环氧树脂将压电晶片逐片与金属薄片3粘接，再相互粘接，形成压电晶片堆2，而后用预应力螺钉6将背衬5、压电晶片堆2和前盖板1固连，将压电晶片堆2与前盖板1和背衬5相连的引线(图8中的右侧引线)同输出电缆7的地极连接，压电晶片堆2的另一极引线(图8中的左侧引线)与输出电缆7的芯线连接。将装配件放入定制的模具内，浇灌聚氨酯橡胶，构成防水透声层，最终完成换能器的制作。

以上通过实施例描述的本发明的叠堆晶片发射换能器及其实现方法，并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和实质范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求书所界定。

Claims

1.一种叠堆晶片发射换能器，包括压电晶片堆、前盖板和背衬，其中压电晶片堆由多片压电陶瓷晶片叠堆而成，前盖板由轻金属制成，背衬由重金属制成，前盖板和背衬分别位于压电晶片堆的上下两端；相邻的晶片之间，以及压电晶片堆与前盖板和背衬之间夹有金属薄片，金属薄片上焊接电极引线；压电陶瓷晶片的极化方向沿着厚度方向；其特征在于：前盖板为带圆柱头的椎体，具体可分为上下两部分，下部分为一个倒扣的喇叭状圆台，上部分是一个顶面为平面或球冠面的圆柱；所述圆台的顶面直径与圆柱头的直径相同，而其底面大小与晶片相同；圆柱头的直径小于发射换能器工作波长的1/2。

2.如权利要求1所述的叠堆晶片发射换能器，其特征在于：所述压电晶片堆的晶片采用中心带孔的压电陶瓷PZT制作，相邻晶片的极化方向相反，晶片的数量为2～50，晶片的直径为10～100mm，每片晶片的厚度为0.5～5mm。

3.如权利要求1所述的叠堆晶片发射换能器，其特征在于：所述前盖板的总高度为10～100mm，其中圆柱头的高度小于总高度的1/2；而背衬的厚度为5～100mm。

4.如权利要求1所述的叠堆晶片发射换能器，其特征在于：制作所述前盖板与背衬的金属的密度之比小于0.3。

5.如权利要求4所述的叠堆晶片发射换能器，其特征在于：所述前盖板采用铝或铝镁合金制作，而所述背衬采用钢或黄铜制作。

6.如权利要求1所述的叠堆晶片发射换能器，其特征在于：所述金属薄片与晶片、前盖板及背衬之间用环氧树脂胶合；所述金属薄片用易于焊接的金属或合金制作，厚度小于0.1mm。

7.如权利要求1～6中任一权利要求所述的叠堆晶片发射换能器，其特征在于：所述背衬、压电晶片堆通过贯穿其中的预应力螺钉与所述前盖板固定连接。