CN102176508B - 一种高频宽波束球冠形发射换能器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种高频宽波束球冠形发射换能器制备方法，采用球冠式布阵，球冠的四侧截成方形；阵元按照一定间距布好后，布好阵后，在阵元的缝隙中填充聚合物；对匹配层进行灌注，先对匹配层进行抽真空处理，灌注时也需对其进行抽真空及加温处理；在匹配层外侧灌注一层球冠形的聚氨酯；连接正极，阵元的正极为并联，引出一根正极导线，将正极一侧粘接于聚氨酯泡沫基座的球冠表面，待胶层固化后，将阵元的负极共负，引出一根负极的导线，将装配好的球冠阵后背衬与后座粘接，导线从走线槽引出。本发明有益的效果是：本发明可应用于海港监视、蛙人探测、水下目标识别、水下航行器的避障及导航等；制作工艺简单，高频的波束宽度大，同时，每瓦源级高。
Description
技术领域
本发明属于水中换能器领域，主要是一种高频宽波束球冠形发射换能器制备方法。
背景技术
高频宽波束球冠形发射换能器在国内尚未见报导。国际上，英国CodaOctopus Ltd公司在2006年初推出的产品“choscope-HI”，其中高频发射换能器是由1-3压电复合材料弯曲而成，对制作设备要求很高，当成形材料时，弯曲的过程必须事先设计好，从而减少应力，最终达到静力平衡。在弯曲时，外表面受拉力而内表面受压应力。为了减少内部应力，材料会延展，压缩以及移动，作为基体材料的聚合体应选择容易成形的，且要求有较少的压缩性，有较高的玻璃状的温度传输特性。其发射换能器的优点是精度高，缺点是制作成本及难度高，且在制作过程中易存在侧移、变形等问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提供一种高频宽波束球冠形发射换能器制备方法，主要被应用于：海上工程实施、海港监视、蛙人探测、水雷和水雷类目标识别、水下航行器的避障及导航等。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种高频宽波束球冠形发射换能器制备方法，采用球冠式布阵，球冠的四侧截成方形；阵元按照一定间距布好后，布好阵后，在阵元的缝隙中填充聚合物；对匹配层进行灌注，先对匹配层进行抽真空处理，灌注时也需对其进行抽真空及加温处理；在匹配层外侧灌注一层球冠形的聚氨酯；连接正极，阵元的正极为并联，引出一根正极导线，将正极一侧粘接于聚氨酯泡沫基座的球冠表面，待胶层固化后，将阵元的负极共负，引出一根负极的导线，将装配好的球冠阵后背衬与后座粘接，导线从走线槽引出。
作为优选，将大的压电陶瓷切割成小的陶瓷颗粒，即为布阵的阵元，阵元采用PZT4材料，阵元的厚度为4.8mm，横向尺寸为3mm×3m。
作为优选，述的后背衬的曲率半径取为86mm，后背衬的材料为高密度聚氨酯泡沫，阵元的间距为0.7mm。
本发明有益的效果是：采用前匹配层以及后背衬技术，利用球冠式布阵以及灌注聚合物填充的方式，从而获得了方形的声辐射区域，300kHz的水平和垂直波束宽度均大于等于46度。电压发送响应265～330kHz范围内的起伏为6dB，每瓦源级超过177dB。本发明可应用于海港监视、蛙人探测、水下目标识别、水下航行器的避障及导航等。制作工艺简单，高频的波束宽度大，同时，每瓦源级高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是水中的导纳曲线图；
图3是发送电压响应曲线；
图4是水平指向性示意图；
图5是垂直指向性示意图；
图6是基阵对角线的指向性示意图；
图7是基阵波束示意图。
附图标记说明：压电陶瓷1，聚合物2，后背衬3，匹配层4，聚氨酯泡沫基座5，后座6。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
本发明了一种球冠形高频宽波束大功率换能器，采用前匹配层以及后背衬技术，利用先球冠式布阵，然后灌注聚合物填充的方式，从而获得了方形的声辐射区域。换能器的工作频率为300kHz，通过分析和实验，确定了球冠的最佳曲率半径和尺寸以及阵元间的最佳间距。该换能器300kHz的水平和垂直波束宽度均大于等于46度(-3dB起伏)，如图4及图5所示。电压发送响应265～330kHz范围内的起伏为6dB(图3)，在300kHz时，施加846.9w电功率，声源级为206.8dB，每瓦源级超过177dB。
步骤1：阵元的设计
为了满足300kHz的工作频率，需要优化阵元的尺寸，利用阵元的厚度振动，避免其强耦合振动区域，由于工作频率300kHz，阵元的厚度为5mm左右，通过调整横向尺寸，控制阵元的谐振频率，因横向尺寸与纵向振动尺寸较为接近时，其耦合振动较强，不利于厚度方向的振动，因此横向尺寸尽量小于厚度方向，同时，考虑制备的可操作性以及实际的工作频率，选定阵元的厚度为4.8mm，横向尺寸为3mm×3mm，在符合频率要求的情况下减小耦合振动。
另一方面，由于是发射换能器，阵元采用PZT4材料，且为了保证阵元之间的高度一致性，利用大圆片的压电陶瓷1切割成小的陶瓷颗粒，即为布阵的阵元。
步骤2：后背衬的设计
后背衬的曲率半径也就是整个球冠形的曲率半径，其与阵元的尺寸和数目、阵元的间距以及换能器的波束宽度之间相互关联，多个参数需要一起优化设计。球冠开角的大小直接与发射换能器的波束宽度相关联，开角越大，波束宽度也越宽，同时，球冠的半径也关系着布阵的阵元数目，半径越大，阵元布得越多，半径越小时，阵元布得越少，由于阵元为方形的陶瓷颗粒，球冠半径较小会导致阵元的间距变大，从而使得指向性的起伏较大。根据上述分析，球冠的半径取为86mm。
后背衬不但要起到确定曲率半径的作用，还要求能够吸收声辐射以及减震降噪，同时要保证换能器的耐压支撑，我们选择材料为高密度聚氨酯泡沫。
步骤3：球冠形布阵
不同于一般的复合材料制备，为了得到方形的宽波束辐射区域，我们采用球冠式布阵，考虑指向性的宽波束以及布阵工艺的可操作性，阵元的间距为0.7mm，球冠的半径为86mm，球冠的四侧截成方形，如图1所示。
阵元按照设计好的间距布好后，连接正极，阵元的正极为并联，引出一根正极导线。将正极一侧粘接于聚氨酯泡沫基座5的球冠表面，待胶层固化后，将阵元的负极共负，引出一根负极的导线。将装配好的球冠阵后背衬3与金属后座6粘接，导线从走线槽引出。
步骤4：灌注聚合物
布好阵后，在阵元的缝隙中填充聚合物2，在聚合物的灌注过程中，要首先对聚合物胶进行抽真空处理，防止空气泡的藏匿，同时，灌注时也需对其进行抽真空及加温处理，以保证每个阵元间均充满聚合物，提高性能的一致性。这样先布阵后灌注的制作方式工艺简单，不会发生复合材料弯曲时由于外表面受拉力而内表面受压应力而导致的内部应力失衡现象，也不会像复合材料中靠近外边界的陶瓷柱因只有较少的支撑来保持它们竖直，从而内部的力施加在外部的陶瓷柱促使它们逐渐倾斜，产生一个“侧升”或卷曲现象。
聚合物灌注后，对球冠表面及侧面进行打毛处理，或者喷砂，但需要控制操作的力度或气压，以防止球冠阵产生裂痕，从而影响最终的性能。
步骤5：匹配层设计以及灌注
为了保证波束宽度在-3dB内起伏，同时获得更宽的带宽，我们采用了匹配层技术，这对换能器整体的性能有了进一步的提高。球冠阵上所有阵元都做相同的一维振动，且阵元之间的间隙较小，因此可以认为界面处匹配层4的振速是均匀的，且等于阵元表面的振速。在界面处应力仍是连续的，即匹配层所受的力等于所有阵元施加的力，基于以上原因，可以把所有阵元等效为单个有源器件的等效电路。匹配层采用多组分混合而成，经过分析，匹配层的厚度为2mm。
在匹配层的灌注过程中，要首先对匹配层进行抽真空处理，防止空气泡的藏匿，同时，灌注时也需对其进行抽真空及加温处理，以保证匹配层灌注的质量。
步骤6：球冠阵水密
为满足球冠阵在水中的使用以及性能测试，对其表面进行水密处理，在匹配层外侧灌注一层3mm厚度的水密材料，材料为聚氨酯，外观为球冠形。
灌注后将球冠阵的正负极导线通过带屏蔽的电缆引出，电缆与球冠阵金属后座之间通过水密电缆头连接。
图2为水中导纳曲线，图6为基阵对角线的波束图，-3dB的波束宽度为62°，整个基阵的三维波束如图7所示。
最后应说明，以上实例仅用以说明本发明的技术方案并且不限与此，而是在应用上可以延伸到其它的修改，变化，应用，并且认为所有这样的修改，变化，应用，实施实例都在本发明的精神和范围内。
Claims (3)
1.一种高频宽波束球冠形发射换能器制备方法，其特征是：采用球冠式布阵，球冠的四侧截成方形；阵元按照一定间距布好后，布好阵后，在阵元的缝隙中填充聚合物；对匹配层进行灌注，先对匹配层进行抽真空处理，灌注时也需对其进行抽真空及加温处理；在匹配层外侧灌注一层球冠形的聚氨酯；连接正极，阵元的正极为并联，引出一根正极导线，将正极一侧粘接于聚氨酯泡沫基座的球冠表面，待胶层固化后，将阵元的负极共负，引出一根负极的导线，将装配好的球冠阵后背衬与后座粘接，导线从走线槽引出。
2.根据权利要求1所述的高频宽波束球冠形发射换能器制备方法，其特征是：将大的压电陶瓷切割成小的陶瓷颗粒，即为布阵的阵元，阵元采用PZT4材料，阵元的厚度为4.8mm，横向尺寸为3mm×3mm。
3.根据权利要求1所述的高频宽波束球冠形发射换能器制备方法，其特征是：所述的后背衬的曲率半径取为86mm，后背衬的材料为高密度聚氨酯泡沫，阵元的间距为0.7mm。
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