CN102662166A - 多模宽带圆弧阵换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模宽带圆弧阵换能器，包括压电复合材料弧形基阵、去耦材料、背衬、外壳、匹配层、水密接头和电缆，其中压电复合材料弧形基阵由多个压电复合材料基元均匀排列而成，压电复合材料基元之间填充去耦材料形成圆弧形敏感元件；背衬紧密贴合于圆弧形敏感元件的内侧；外壳承托并包围敏感元件和背衬；匹配层灌注于敏感元件外侧；压电复合材料基元上下表面均被有电极，通过引线引出正负极；背衬中开有引线孔，用于引线穿过；外壳上开有引线出口，水密接头密封该引线出口，引线在水密接头内与电缆连接。该换能器具有高频、大灵敏度、宽带、指向性开角大的特点。

Description

多模宽带圆弧阵换能器

技术领域

本发明属水声探测技术领域，具体涉及一种利用宽带换能器的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，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。

声纳是水声探测的重要设备。现行提高声纳性能的重要途径之一是拓展换能器的频带宽度。较宽的工作频带可提高换能器信号处理的增益，因为宽带信号相干处理，可使系统获得很高的增益和更远的探测距离；宽带信号脉冲压缩，可提高换能器基阵的分辨率。而现代信号处理技术要求换能器阵基元必须具有足够的带宽，否则将会造成信号失真或影响信号处理的效果。

目前宽带换能器的典型需求是前视多波束声纳，通常安装在猎雷艇船鼻艏，采用弧状复合材料基阵构成圆弧阵换能器，用于广角探测前方水雷等破坏性目标。这种换能器基阵对换能器带宽提出了较高要求。

现行的拓宽换能器带宽的方法主要有两种(徐钧，俞宏沛，李建成，纵振换能器拓宽频带的方法综述，声学与电子工程，Vol 72(4)：17-21，2003)：(1)降低换能元件的机械品质因素(Q值)，(2)换能器元件采用振动耦合。基于单模(单一谐振频率)工作的换能器，其带宽特性是通过机械Q值来表征，Q＝fr/Δf(fr为谐振频率，Δf是电导响应下降3dB的频带宽度)，Q值越低，带宽Δf越大。机械Q值写成Q＝ωMR(其中ω为圆频率，R为换能器的辐射阻，为机械损耗阻和电损耗阻之和，而M为换能器的等效质量)。很明显换能器要降低Q值获得宽频带，需增加R阻值，最有效的办法是增大换能材料的损耗。一种常用的方法是在传统压电陶瓷中加入柔性聚合物，增加材料的损耗，降低Q值，如近30年出现的压电复合材料(E.Koray Akdogan，Mehdi Allahverdi，Ahmad safari，Piezoelectric Composite forSensor and Actuator Application，IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，andFrequency Control.Vol 52(5)：746-773)，它在压电陶瓷中加入环氧树脂、橡胶等聚合物制成低Q值、低声阻抗、高机电耦合的复合材料，尤其是1-3型复合材料现已广泛用于宽带换能器的制作(陈俊波，王月兵，仲林建，1-3型压电复合材料和普通PZT换能器性能对比分析，声学与电子工程，Vol 87(3)：25-27，2007)。

基于振动耦合拓宽频带的基础是多模态耦合理论(张文波，王明洲，郝保安，一种多模宽带水声换能器的设计，鱼雷技术，Vol 16(2)：31-33，2008)。通常一个换能器振动系统存在多种模态，如果能够使换能器振动系统的2种或2种以上振动模态相互靠近并耦合，在较宽的频率范围内同时工作，或通过调节一种模态的高次倍频与另一种模态的基频耦合，则将形成复合多模振动，通过合理的设计压电振子的结构，使相邻两振动模对应的两个谐振频率合理分布，即两模态对应的阻抗频谱曲线峰值下降3dB相交，如图1所示，即能有效地拓展换能器的工作带宽(Qingshan Yao and Leif

Broadband Tonpilz Underwater AcousticTransducers Based on Multimode Optimization，IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，Vol 44(5)：1060-1066，1997)。图2为双模耦合换能器的响应曲线，纵轴为换能器的发送电压响应(TVR)，f₁为换能器纵向振动模态的谐振频率，f₂为换能器弯曲振动模态的谐振频率，显然叠加后曲线的频带得到大幅度扩展。

采用复合材料拓展带宽的换能器有面阵和圆弧阵换能器，其敏感元件为1-3型复合元件，已分别用于200kHz海底测绘用多波束声纳阵和100kHz前方搜索成像声纳阵等，这些产品的灵敏度较陶瓷换能器的提高3～5dB，带宽扩展2倍以上，达到15kHz。多模振动耦合换能器国内外已研制有多种产品，均采用压电陶瓷制作，如纵振双激励振动耦合、纵振-弯曲模耦合、匹配层双振动模耦合、葫芦式结构双弯曲模耦合等换能器，带宽能达到10～15kHz。但是，这些现有产品均有一个共同特点：模态耦合均采用的两种或两种以上不同振动模态进行耦合，由于样品在不同振动模态下其发射面振动位移及相位不同，所以耦合后样品发射面上各点间振动相位不同(如图3所示)，从而影响发射效率。

发明内容

本发明的目的在于弥补了现有换能器的不足，提供一种高频、宽带、大指向性开角的复合材料圆弧阵换能器。

上述目的是通过如下技术方案实现：

一种圆弧阵换能器，包括压电复合材料弧形基阵、去耦材料、背衬、外壳、匹配层、水密接头和电缆，其中压电复合材料弧形基阵由多个压电复合材料基元均匀排列而成，压电复合材料基元之间填充去耦材料形成圆弧形敏感元件；背衬紧密贴合于圆弧形敏感元件的内侧；外壳承托并包围敏感元件和背衬；匹配层灌注于敏感元件外侧；压电复合材料基元上下表面均被有电极，通过引线引出正负极；背衬中开有引线孔，用于引线穿过；外壳上开有引线出口，水密接头密封该引线出口，引线在水密接头内与电缆连接。

上述圆弧阵换能器中，所述压电复合材料基元是由压电体与聚合物两相复合的压电材料。所述聚合物一般采用环氧树脂或聚氨酯等柔性材料。各压电复合材料基元的极化方向均采用厚度极化，基元的长为2～30mm，宽为0.5～10mm，厚度为1～16mm。

所述压电复合材料基元中的压电体与聚合物两相材料以串并联(1-3-2)方式连接，具有宽带特征。压电复合材料基元采用切割-填充工艺制备，将压电体(陶瓷、单晶)按固定步进以不同深度切割(不切透)，形成多种深度的切槽，从而形成压电晶柱周期性分布于压电基底之上。在压电晶柱周围灌注聚合物，压电晶柱和聚合物并联形成1-3型复合结构，1-3型复合结构再与压电基底串联，构成1-3-2型复合结构，从而获得具有宽带特性的压电复合材料。由于压电晶柱周围的聚合物柔性材料填充量的不同，所以压电晶柱间谐振频率会产生偏移，经耦合后构成宽带特性。

上述压电复合材料基元中，所述压电晶柱是通过固定步进但深度不等的切割形成，即均匀排列于压电基底上的压电晶柱是非等高的，且呈线性、高斯或按某一特定规律分布。

所述去耦材料是指能用来隔断有害声和(或)振动耦合的材料，通常可选择：环氧树脂基复合材料、泡沫塑料、泡沫橡胶、低密度木材和纸制品。在压电复合材料基元之间填充去耦材料并固化，形成压电复合材料基阵。由于去耦材料2固化后仍有良好的柔性，所以压电复合材料基阵可被弯曲成弧形(或圆环)，得到圆弧形敏感元件。

所述背衬的外侧为弧形，与压电复合材料弧形基阵内侧通过胶粘法或者灌注法紧密贴合。背衬通常采用硬质泡沫或填充重金属(如钨粉等)的环氧树脂制作而成。

所述外壳对换能器的敏感元件起到支撑和保护作用。所述外壳和水密接头采用金属铜、不锈钢或铝等金属材料制作。

所述匹配层材料采用改性的聚氨酯(填充CaCO₃粉末、中空玻璃微珠等)。当外壳和敏感元件装配好后，在敏感元件外侧灌注一层匹配层材料。

本发明的圆弧阵换能器可按下述步骤制备：

1)利用切割-浇注-填充工艺制作压电复合材料弧形基阵：首先对压电体按固定步进以不同深度进行第一次切割，形成均匀排列于压电基底上的的高度不等的压电晶柱阵列；然后在压电晶柱之间的缝隙中灌注聚合物柔性材料，固化后根据设计的压电复合材料基元的尺寸进行二次切割，形成压电复合材料基元；在压电复合材料基元之间填充去耦材料，固化，整形为圆弧状(或圆环)，在上下表面制备金属电极，形成压电复合材料弧形基阵；

2)将背衬外侧与压电复合材料弧形基阵内侧通过胶粘法或者灌注法紧密贴合；

3)将贴合在一起的压电复合材料弧形基阵和背衬与外壳装配在一起，然后在压电复合材料弧形基阵外侧灌注匹配层材料。

本发明换能器的复合材料中压电材料极化方向沿厚度方向，各基元之间电极并联，当在基元上加交变电压时，由于复合材料的逆压电效应，基元产生厚度振动，圆弧的径向辐射声波，此时换能器用作发射声波。当外界的声压作用到圆弧面上，由于复合材料的正压电效应，基元产生电信号，该信号经前置放大器放大后即可被用来测量声压，即换能器用于接收声波。由于本发明换能器采用压电复合材料弧形基阵作为敏感元件，基元的振动采用厚度模，工作频率较圆管径向振动的频率高，可实现高频发射声波。此外由于晶片采用具有宽带特性的压电复合材料制作，复合材料的机电耦合系数高，宽带，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、指向性开角大的特点。

此外，本发明通过非等高切割的方式使得压电元件的各个基元略有偏差，但是在谐振频率附近均为厚度振动模态，所以当所有的厚度振动模态耦合在一起的时候，整个压电复合材料基元表面的振动相位基本相同，这就使得换能器在拓宽带宽的同时保证了一定的发射效率。

附图说明

图1是双模态振动耦合频谱。

图2是双模耦合换能器电压响应曲线。

图3是多模振动耦合样品表面振动特性示意图。

图4是实施例所述多模宽带圆弧阵换能器的结构示意图。

图5是实施例所述换能器的压电复合材料弧形基阵的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步详细描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

图4给出了本实施例的多模宽带圆弧阵换能器结构示意图，包括压电复合材料弧形基阵1、去耦材料2、匹配层3、外壳4、背衬5、水密接头6和电缆7。压电复合材料弧形基阵1为圆弧形(或圆环形)结构，压电复合材料弧形基阵1由压电复合材料基元8组成，相邻压电复合材料基元8之间填充去耦材料2形成弧形敏感元件。背衬5的外侧为弧形，压电复合材料弧形基阵1排列于背衬5外侧，与之紧密贴合。外壳4作为支撑结构承托上述弧形敏感元件和背衬5。背衬5与压电复合材料弧形基阵1的连接面上开有引线孔9，外壳4上也开有引线出口。压电复合材料基元8上表面电极直接通过焊接电线引出。压电复合材料基元8下表面的电极10，通过引线11引出。引线11穿过背衬5上开辟的引线孔9，在位于外壳引线出口处的水密接头6内部与电缆7连接。在专用模具的配合下，在敏感元件外侧灌注一层聚氨酯材料作为匹配层3，同时起到防水目的。密封水密接头6构成多模宽带圆弧阵换能器。

图5给出了上述多模宽带圆弧阵换能器内部压电复合材料弧形基阵1的结构示意图，由压电陶瓷柱12、去耦材料2、环氧树脂13、上表面电极14、下表面电极10和压电基底15构成。压电复合材料弧形基阵由一整块陶瓷经切割-浇注-填充工艺制备而成。依据设计的结构参数，首先对陶瓷块进行第一次切割，切割出一系列间隔均匀的深度不等的交叉缝隙，从而形成均匀排列于压电基底15上的的高度不等的压电陶瓷柱12阵列。然后在上述缝隙中灌注环氧树脂，固化后再根据设计的压电复合材料基元的尺寸进行二次切割，形成压电复合材料基元，在基元之间填充去耦材料2，固化后整形，然后在上下表面制备金属电极14和10，形成压电复合材料弧形基阵。整个基阵由同一块材料精密切割而成，基元间定位精度高，基元性能一致性好。由于去耦材料2固化后仍有较好的柔性，所以压电复合材料弧形基阵1可被弯曲成弧形，或者圆环。再匹配上述换能器的其他结构即可制备多模宽带圆弧阵换能器。

应用以上技术制备的多模宽带圆弧阵换能器，具体性能如下：谐振频率：188kHz，带宽：38kHz，水平指向性开角大于90°，垂直指向性开角大于30°，发送电压响应大于140dB。

以上通过实施例描述的本发明的多模宽带圆弧阵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 (10)

1.一种圆弧阵换能器，包括压电复合材料弧形基阵、去耦材料、背衬、外壳、匹配层、水密接头和电缆，其中压电复合材料弧形基阵由多个压电复合材料基元均匀排列而成，压电复合材料基元之间填充去耦材料形成圆弧形敏感元件；背衬紧密贴合于圆弧形敏感元件的内侧；外壳承托并包围敏感元件和背衬；匹配层灌注于敏感元件外侧；压电复合材料基元上下表面均被有电极，通过引线引出正负极；背衬中开有引线孔，用于引线穿过；外壳上开有引线出口，水密接头密封该引线出口，引线在水密接头内与电缆连接。

2.如权利要求1所述的圆弧阵换能器，其特征在于，所述压电复合材料基元是由压电体与聚合物柔性材料两相复合的压电材料。

3.如权利要求2所述的圆弧阵换能器，其特征在于，所述压电复合材料基元中的压电体与聚合物两相材料以串并联(1-3-2)方式连接，聚合物填充于在压电体上按固定步进以不同深度切割形成的切槽内。

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

5.如权利要求1所述的圆弧阵换能器，其特征在于，所述压电复合材料基元的极化方向均采用厚度极化，基元的长为2～30mm，宽为0.5～10mm，厚度为1～16mm。

6.如权利要求1所述的圆弧阵换能器，其特征在于，所述去耦材料为环氧树脂基复合材料、泡沫塑料、泡沫橡胶、低密度木材或纸制品。

7.如权利要求1所述的圆弧阵换能器，其特征在于，所述背衬的外侧为弧形，与压电复合材料弧形基阵内侧紧密贴合。

8.如权利要求1所述的圆弧阵换能器，其特征在于，所述背衬的材料是硬质泡沫或填充重金属的环氧树脂。

9.如权利要求1所述的圆弧阵换能器，其特征在于，所述外壳和水密接头的材料是金属；

所述匹配层的材料是改性聚氨酯。

10.权利要求1～9任一所述的圆弧阵换能器的制备方法，包括以下步骤：

1)制作压电复合材料弧形基阵：首先对压电体按固定步进以不同深度进行第一次切割，形成均匀排列于压电基底上的的高度不等的压电晶柱阵列；然后在压电晶柱之间的缝隙中灌注聚合物柔性材料，固化后根据设计的压电复合材料基元的尺寸进行二次切割，形成压电复合材料基元；在压电复合材料基元之间填充去耦材料，固化，整形，在上下表面制备金属电极，形成压电复合材料弧形基阵；

2)将背衬外侧与压电复合材料弧形基阵内侧通过胶粘法或者灌注法紧密贴合；

3)将贴合在一起的压电复合材料弧形基阵和背衬与外壳装配在一起，然后在压电复合材料弧形基阵外侧灌注匹配层材料。

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