CN101715157A

CN101715157A - 一种基于串并联压电复合材料的圆柱换能器

Info

Publication number: CN101715157A
Application number: CN200910236983A
Authority: CN
Inventors: 王丽坤; 李莉; 秦雷; 王钢
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: CN101715157B

Abstract

本发明公开了一种基于串并联压电复合材料的圆柱换能器，包括一带底盘的支架、一环形背衬、一端盖和若干个晶片，所述晶片为串并联压电复合材料晶片，这些晶片沿圆周均匀排列于环形背衬外侧，沿圆环径向极化，在背衬和晶片构成的圆管状敏感元件上下衬垫绝缘垫圈，套扣在支架的底盘上，而所述端盖固定于支架上端，在敏感元件上方的绝缘垫圈之上。该换能器采用多晶片环形阵作为敏感元件，晶片的振动采用厚度模，工作频率较圆管径向振动的频率高，可实现高频发射声波；此外，由于晶片采用串并联复合材料制作，复合材料的机电耦合系数高，频带宽，使换能器的灵敏度高，工作频带宽。因此本发明换能器具有高频、大灵敏度、宽带、水平全向的特点。

Description

一种基于串并联压电复合材料的圆柱换能器

技术领域

本发明属于水声探测技术领域，涉及声纳使用的重要部件——水声换能器，具体涉及一种利用串并联压电复合材料的压电效应发射和接收水声信号而实现水中探测的换能器。

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，可广泛用于水下通信、探测、目标定位、跟踪等，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。

水声换能器中圆柱型压电换能器由于沿半径方向有均匀的指向性，灵敏度较高，且结构简单，因而广泛用于水声技术、超声技术、海洋开发和地质勘探中。现有的圆柱型压电换能器主要有以下几种：

一、圆柱型压电陶瓷水声换能器

圆柱型压电陶瓷水声换能器的换能元件为压电陶瓷圆管，其极化方向常沿着半径方向。当换能器工作于发射状态时，压电陶瓷圆管在电场的作用下，借助反向压电效应，发生伸张或收缩，从而向媒质发射声波。当换能器工作于接收状态时，压电陶瓷圆管在声信号的作用下发生伸张或收缩，借助正向压电效应，转换为电信号输出。压电陶瓷圆管水听器(栾桂冬，张金铎，王仁乾，压电换能器和换能器阵，修订版，北京大学出版社，2005)就是其中一种，其压电振子由几个压电陶瓷圆管串接构成，各圆管之间用橡胶衬垫隔离，管内填充反射材料或吸声材料，外部硫化一层透声橡胶或浇注一层透声聚氨酯。若需要增加水听器的灵敏度，可在金属套管内装配前置放大器。该水听器灵敏度高，工作频率通常在100kHz以下。

二、多层圆柱型换能器

多层圆柱型换能器(曹承伟，多层有限高度圆柱型水声换能器的研究，声学学报，1988，vol.13(6)，424-431.)是一种基于压电陶瓷圆管的多层结构，主要由压电陶瓷管、油层、金属圆柱壳、端盖板、低声阻材料、橡胶等构成。换能器置于无限大水域中，其中低声阻材料声压为零，压电陶瓷圆管采用径向极化。这种换能器的共振频率低，仅可达十几kHz，带宽大，但灵敏度有限。

三、PVDF圆柱型水听器

压电高聚物PVDF(聚偏二氟乙烯)薄膜具有很强的压电性，压电常数g₃₃很大，比PZT大10余倍，用作水听器具有较高的灵敏度，PVDF密度小，声速较低，便于与水媒质声匹配，但其振动时能量密度低，仅适用作接收材料。PVDF圆柱型水听器的结构例如文献“栾桂冬，张金铎.圆柱形软背衬PVDF水听器[J].应用声学，1992，11(6)：13-16.”中记载的，该水听器的耐压壳为聚丙烯，灌注层为聚氨酯橡胶，压电膜用两片先串联再并联的4层复合PVDF膜，该水听器用灌注成型和复合膜卷绕技术制作而成，性能稳定，一致性好。实测样品的低频(20～2000Hz)灵敏度平均值-198.7dB(理论计算值-197.6dB)，静态电容量约为6500pF，加速度响应小于-80dB，耐静水压2MPa。

四、复合管状压电超声换能器

复合管状压电超声换能器(刘世清，姚哗，复合管功率超声压电换能器的径向振动特性，机械工程学报，2008，vol.44(10)：239-244)是在压电陶瓷管外部加金属预应力管。文献“刘世清，姚哗，复合管功率超声压电换能器的径向振动特性，机械工程学报，2008，vol.44(10)：239-244”中记载的径向复合短圆管压电超声换能器内部为径向极化压电陶瓷薄壁短圆管，外部为金属短圆管，两者通过热处理方式径向紧密结合在一起，金属圆管对压电陶瓷管施加相当大径向预应力，使之可工作于大功率径向振动状态。压电陶瓷圆管的管壁厚度远小于其直径，换能器长度小于管的直径，即换能器径长比较大，或称短圆管换能器。若对换能器施加的径向激励电压频率可使换能器的径向振动达到机械谐振状态，此时，换能器的厚度及长度方向振动将很弱，可以忽略，而只考虑其半径方向的伸缩振动。

对加预应力管的复合管压电换能器，存在最大有效预应力，它取决于金属管内外半径比及其材料性质。从金属铝材料下的换能器的共振频率曲线看，换能器的共振频率在二十几kHz左右，如果金属铝圆管改为铜材料，换能器共振频率能略有提高。

五、高频压电圆柱阵换能器

发射换能器为了达到高频、大的指向性开角，可以圆柱型振子(田洪亮，夏铁坚，刘强，由小振子组成的高频圆柱换能器宽方向性初探，声学与电子工程，2008，vol3：31-33.)，在圆管的圆周方向上由多个压电小振子组成，小振子之间的缝隙采用去耦胶进行填充，压电陶瓷小振子的内壁和上、下均有反声材料包覆。压电陶瓷小振子的工作频率为其厚度振动的基频，由于厚度振动频率比常规圆管的径向振动频率高很多，因此多振子圆柱型阵列换能器的工作频率较高。为了保证其厚度振动基频比较单一，小振子的长和宽的尺寸比其厚度小一倍以上。每个小振子相、幅完全一致，并且均匀排列于圆柱的圆周上。在理想情况下换能器在水平面内的方向性是一个理想的圆，可以实现换能器的水平全向工作。

六、圆柱式增压水听器

圆柱式增压水听器的结构如文献“张福学等，压电铁电应用——285例，国防工业出版社，1987”中所记载的，由压电圆片和金属薄壳圆管构成。压电圆片等间隔地镶嵌在金属薄壳圆管内。金属薄圆管沿管轴方向对称地开了若干条细裂缝，从而使金属圆管的切向柔顺性增加，当压电圆片作径向振动时，沿金属圆管周向的振幅分布趋于均匀。当圆管外侧受到声压作用时，管壳感应到的力，总是比无管壳而直接由压电片柱面接收到的力大得多，故这种水听器具有较高的灵敏度。另外，这种水声器件自重轻，需用的压电组件数量很少。圆柱式增压水听器和圆管型换能器相比，前者的谐振频率可作得更低，而两者直径不相上下，但在低频工作时前者还有较高的接收灵敏度，故圆柱式增压水听器在低频声纳接收系统中应用较广，可用它排列线阵、圆弧阵和圆柱形阵等大型基阵。

综上，目前圆柱型换能器主要采用陶瓷(或PVDF)圆管的径向振动模工作，虽然这类换能器的灵敏度较高，而且其波束具有水平全向的指向性，但由于小尺寸的压电圆管(直径小于10mm)难于加工，因此管式圆柱换能器的工作频率难于做到高频。而高频压电圆柱阵换能器虽然其工作频率较高，但由于其振子采用压电陶瓷制作，发射频率的带宽较窄。

发明内容

本发明的目的在于弥补了现有圆柱型换能器的不足，提供一种高频、宽带、水平全向的复合材料圆柱型换能器。

上述目的是通过如下技术方案实现：

一种基于串并联压电复合材料的圆柱换能器，包括一带底盘的支架、一环形背衬、一端盖和若干个晶片，所述晶片为串并联压电复合材料晶片，这些晶片沿圆周均匀排列于环形背衬外侧，沿圆环径向极化；背衬和晶片构成圆管状敏感元件，该敏感元件上下衬垫绝缘垫圈，套扣在支架的底盘上，而所述端盖固定于支架上端，在敏感元件上方的绝缘垫圈之上。

本发明圆柱换能器中的晶片为压电陶瓷与聚合物两相复合的压电材料，晶片中的两相材料以串并联方式连接，即构成1-3-2型复合结构。所述聚合物一般采用环氧树脂或聚氨酯。

本发明所述的串并联压电复合材料可参考中国发明专利ZL 200410009179.3的说明书CN 100401545C。串并联压电复合材料的结构如图1所示，它由1-3型压电复合材料11的端面串联陶瓷基板14构成，在1-3型压电复合材料的上表面和陶瓷基板的下表面分别设有上电极15和下电极16。陶瓷柱12与聚合物13并联连接，形成1-3型复合结构11，再与陶瓷基板14串联，构成1-3-2型复合结构，又称串并联复合结构。这种材料具有1-3型复合材料的优点，即机电耦合系数高、特性阻抗低、宽带等，而且结构上在平行和垂直于极化方向均有硬质压电陶瓷支撑，较1-3型材料稳定，在较高温度下不易变形，有较好的耐热和抗外界冲击能力；陶瓷柱均匀分布排列；材料基板的表面沿用压电体的表面，不需打磨和被敷电极，简化了制作工艺。

优选的，在上述换能器中，所述背衬为一金属圆管，其外侧壁沿圆周等间距设有与晶片数目相等的若干个定位槽，用于定位晶片。所述晶片插于定位槽中，沿圆周均匀排列，形成一个环形基阵，晶片即阵元。各晶片的极化方向相同，晶片一般为长方片，其大小一般是：长为5～50mm，宽为1～20mm，厚度为1～5mm。晶片与背衬之间可以用导电胶粘接，使得各晶片的下电极通过金属背衬相互连通。

进一步的，上述支架由底盘和位于底盘中心的支柱构成，在所述底盘的上表面设有一环形定位台阶，用于放置绝缘垫圈和背衬，从而固定背衬；支架中心处的支柱的上端为一个带外螺纹的细柱，相应的，端盖中心设有一个螺纹孔，使得端盖能旋扣在支架上。另外，所述支柱上开有两个相互连通的引线孔，用于引出电缆。

上述支架、背衬、端盖采用金属铜、铝等金属材料制作，而放置在背衬与支架之间、背衬与端盖之间的绝缘垫圈采用橡胶或泡沫制作，用于解耦和电气绝缘。

本发明换能器的复合材料晶片极化方向沿厚度方向，各晶片之间电极并联，当在晶片环阵上加交变电压时，由于复合材料的逆压电效应，晶片产生厚度振动，向圆柱径向辐射声波，此时换能器用作发射声波。当外界的声压作用到圆柱面上，由于复合材料的正压电效应，晶片产生电信号，检测该信号即可测量作用到圆柱面上声压，即换能器用于接收声波。由于本发明换能器采用多晶片环形阵作为敏感元件，晶片的振动采用厚度模，工作频率较圆管径向振动的频率高，可实现高频发射声波。此外由于晶片采用串并联复合材料制作，复合材料的机电耦合系数高，频带宽，使换能器的灵敏度高，工作频带宽。因此本发明换能器具有高频、大灵敏度、宽带、水平全向的特点。

附图说明

图1是串并联压电复合材料结构示意图。

图2是本发明实施例所述基于串并联压电复合材料的圆柱换能器在中间纵向剖切开的结构示意图。

图3是本发明实施例所述圆柱换能器支架的结构示意图。

图4是本发明实施例所述圆柱换能器背衬的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明进行详细描述。

参考图2，本实施例的换能器包括多片串并联压电复合材料晶片1、一背衬2、一支架3、一端盖5和两个泡沫垫圈4。其中支架3的结构又如图3所示，包括一底盘和底盘中心的支柱，在底盘上表面的外沿车出一环形定位台阶，从而形成圆台32和环形定位槽35，用于放置泡沫垫圈4和背衬2；支柱包括下部较粗的圆柱33和上部较细的带外螺纹的细柱34，在支柱上开有两个相互垂直连通的引线孔31。支架采用黄铜通过车、洗、打磨等机械加工工艺制成。端盖5的材料与支架相同，为一个中心带有螺纹孔的圆盘，该螺纹孔与支架上细柱34的外螺纹吻合，使端盖能旋扣在支架上。背衬为黄铜圆管，其结构如图4所示，在黄铜圆管21的外侧壁上沿半径方向等间距切出若干大小和深度相同的长方体定位槽22，用于定位复合材料阵元。串并联压电复合材料晶片1为长方片，每片晶片对应于背衬上的一个长方体定位槽22，这些晶片沿圆周等距均匀排列成一个环形基阵，每片晶片就是一个阵元。串并联复合材料阵元与背衬2之间用导电胶粘接，使得阵元下电极通过铜管背衬2相互连通。两个硬质泡沫垫圈4分别放置于铜管背衬2与支架3之间和铜管背衬2与端盖5之间，用于解耦和电气绝缘。

本实施例采用的串并联压电复合材料晶片为1-3-2型复合结构，如图1所示，陶瓷柱12与聚合物13并联连接，形成1-3型复合结构11，再与陶瓷基板14串联，构成1-3-2型复合结构，在1-3型压电复合结构11的上表面和陶瓷基板14的下表面分别设有上电极15和下电极16，其制作方法可参见中国专利说明书CN 100401545C。各晶片大小相同，长为5～50mm，宽为1～20mm，厚度为1～5mm。各晶片的极化方向也相同，都是沿厚度方向。装配换能器时，各晶片之间电极并联，晶片的下电极16与背衬2上的长方体定位槽22用导电胶粘接，这样各晶片的下电极通过背衬2相互连通，从背衬2引出的电极引线通过引线孔31引出；各晶片处于外周的上电极也分别引出电极引线；所有电极引线与输出电缆进行相应连接。

利用自动声学校准测量系统在消声水池里测量复合材料圆柱型换能器的各项性能，测量频率从20kHz到100kHz。经测量，该换能器谐振频率为72kHz；发射电压响应为139dB，带宽20kHz(3dB)；换能器接收灵敏度为-190dB。换能器具有水平全向(360°)的指向性，垂直指向性-3dB波束宽度为60°。上述换能器的接收灵敏度较现有换能器提高5～10dB，带宽扩展近10kHz，故换能器有灵敏度高、宽带的特点。

以上通过实施例描述的本发明的圆柱形叠堆晶片换能器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

1.一种基于串并联压电复合材料的圆柱换能器，包括一带底盘的支架、一环形背衬、一端盖和若干个晶片，所述晶片为串并联压电复合材料晶片，这些晶片沿圆周均匀排列于环形背衬外侧，沿圆环径向极化；背衬和晶片构成圆管状敏感元件，该敏感元件上下衬垫绝缘垫圈，套扣在支架的底盘上，而所述端盖固定于支架上端，在敏感元件上方的绝缘垫圈之上。

2.如权利要求1所述的圆柱换能器，其特征在于，所述晶片为压电陶瓷与聚合物构成的1-3-2型复合结构晶片。

3.如权利要求2所述的圆柱换能器，其特征在于，所述聚合物为环氧树脂或聚氨酯。

4.如权利要求1所述的圆柱换能器，其特征在于，所述背衬为一金属圆管，其外侧壁沿圆周等间距设有与晶片数目相等的若干个用于定位晶片的定位槽。

5.如权利要求1所述的圆柱换能器，其特征在于，所述晶片为长方片，长5～50mm，宽1～20mm，厚度为1～5mm。

6.如权利要求1所述的圆柱换能器，其特征在于，所述晶片与背衬之间用导电胶粘接，各晶片的下电极通过背衬相互连通。

7.如权利要求1所述的圆柱换能器，其特征在于，所述支架由底盘和位于底盘中心的支柱构成，在所述底盘的上表面设有一用于定位背衬的环形定位台阶。

8.如权利要求1所述的圆柱换能器，其特征在于，所述支架的支柱上端是一个带外螺纹的细柱，相应的，在所述端盖的中心设有一个螺纹孔，使得端盖能旋扣在支架上。

9.如权利要求1所述的圆柱换能器，其特征在于，所述支柱上开有两个相互连通的引线孔。

10.如权利要求1所述的圆柱换能器，其特征在于，所述支架、背衬和端盖的材料为金属，而放置在背衬与支架之间、背衬与端盖之间的绝缘垫圈的材料为橡胶或泡沫。