CN102843637A - 叠堆不同内径压电圆管的圆柱形换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种圆柱型换能器，其特征在于，包括叠堆的具有相同外径、不同内径的压电圆管，以及吸声层、端盖、胶封层和输出电缆、支架等。所述叠堆的具有不同内径的压电圆管可为一体铸模成型或者由多个不同内径的压电圆管粘接而成。通过合理设计该圆柱型换能器压电圆管的内径，可以使压电振子各圆管的谐振频率相互靠近并耦合，使其组合频率响应不产生间断和过深的凹谷，并形成复合多模振动，从而能够有效地拓展换能器的工作带宽，实现高频、宽带、水平全向地收发声波。

Description

叠堆不同内径压电圆管的圆柱形换能器

技术领域

本发明属于水声探测技术领域，具体涉及一种采用内径不同的压电陶瓷圆管叠堆发射和接收水声信号而实现水中探测的换能器，可广泛应用于水下通信、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。

各种水声换能器中，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：

1、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。

2、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，可达十几kHz，带宽大，但灵敏度有限。

3、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。

上述几种换能器均应用圆管的径向振动模式工作（振动频率与半径成反比），由于圆管的半径通常较其壁厚大几倍，故这些换能器的共振频率都较低（100kHz以下）。

4、高频宽带发射换能器

一种高频宽带发射换能器（王清池，高频宽带发射换能器，海洋科学，2000，Vol.24（8）:27-29）是采用单个压电陶瓷圆管的薄壁厚度振动模式获得高频振动（振动频率与壁厚成反比），通过合理设计圆管的半径和厚度，使圆管的管壁厚度振动与径向振动的谐波产生耦合，扩展陶瓷圆管振子的带宽，实现高频宽带的目的。

综上，目前圆柱型换能器主要采用陶瓷圆管的径向振动模式工作，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，因此径向振动圆管换能器的工作频率难于做到高频。而圆管壁厚振动的换能器的工作频率虽然可实现高频，但其带宽较窄。上述第4种换能器采用管壁厚度振动与径向振动的谐波产生耦合，但带宽扩展有限。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种具有不同内径的压电圆管的圆柱型换能器，以实现高频、宽带、水平全向地收发声波。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种圆柱型换能器，其特征在于，包括叠堆的具有相同外径、不同内径的压电圆管。

所述压电圆管的材质为压电陶瓷或压电单晶。所述压电圆管内外壁被覆电极层，所述电极的材料为金、银、导电胶等。

所述叠堆的具有不同内径的压电圆管为一体铸模成型或者由多个不同内径的压电圆管粘接而成。

所述压电圆管的不同内径可以呈对称分布，比如中间圆管内径大，往两边圆管内径依次减小；或者中间圆管内径小，往两边圆管内径依次增大。也可以不呈对称分布。

所述圆柱型换能器，还可包括吸声层、端盖、胶封层和输出电缆；其中，吸声层位于压电振子两端，用于吸收轴向声辐射，并可以兼有定位压电振子的功能（可通过定位槽等结构实现）；端盖覆盖吸声层；胶封层包覆压电振子和端盖；输出电缆一端连接压电圆管的引线，另一端伸出胶封层外。

所述圆柱型换能器还可包括支架，位于压电圆管内并支撑两端的吸声层；吸声层可设置定位槽，用于定位该支架；支架、吸声层和端盖可通过螺丝固定连接。所述吸声层的材质为硬脂泡沫等吸声材料。所述胶封层为防水透声材料，如聚氨酯等。

本发明的圆柱型换能器，由于各圆管的半径不等，各管的谐振频率不同，使得换能器振动系统存在多种模态(多个谐振频率)。通过合理设计各圆管的半径，使压电振子各圆管的谐振频率相互靠近并耦合，在较宽的频率范围内同时工作，可以使其组合频率响应不产生间断和过深的凹谷，在这一频带内将形成复合多模振动，即能有效地拓展换能器的工作带宽，实现高频、宽带、水平全向地收发声波。

附图说明

图1为实施例中圆柱型换能器的结构示意图。

图2为实施例中不同内径压电圆管对称串接的示意图。

图3为实施例中不同内径压电圆管非对称串接的示意图。

图4为实施例中一体加工成型的压电圆管示意图。

图5为实施例中含锥形内径分布的压电圆管示意图。

图6为实施例中不同内径压电圆管的谐振频率耦合示意图。

图7为实施例中圆柱型换能器谐振频率和带宽性能示意图。

图中符号说明：1.压电圆管；2.压电圆管；3.橡胶粘接层；4.吸声层；5.橡胶垫；6.盖板；7.支架；8.固定螺钉；9.胶封层；10.输出电缆；11.压电圆管；r为压电圆管外径，t₁、t₂、t₃为压电圆管壁厚。

具体实施方式

下面通过具体实施例并配合附图，对本发明做详细的说明。

图1为本实施例的叠堆不同半径圆管的圆柱型换能器结构示意图。该换能器的部件包括：压电圆管振子（含1和2）、橡胶粘接层3、吸声层4、橡胶垫5、盖板6、支架7、固定螺钉8、胶封层9和输出电缆10。其中，支架7为中空的金属管，压电圆管的内壁电极并联引线，通过底端吸声层上的线槽引出与输出电缆的芯线连接，圆管的外壁电极并联引线与电缆的屏蔽线连接。上下两个吸声层4用具有吸声功能的硬脂泡沫制作，该层上可设置定位结构（比如定位槽），用于定位压电振子和金属管支架。吸声层4的上、下端面衬有软木橡胶垫5，软木橡胶垫也具有吸声作用，硬脂泡沫和软木橡胶垫两层吸声材料可有效地吸收换能器的轴向声辐射。换能器部件装配后通过上下盖板6和螺钉8固连成一体，四周再胶封防水透声材料9，如聚安脂，即形成换能器成品。

压电振子由内径不等的多个压电圆管1、2叠堆而成，即在结构上串接在一起。本实施例中压电圆管1、2通过胶层3粘接而成，如图2所示。圆管内外壁柱面被覆电极层，沿径向极化，极化方向相同。电极可通过烧结银、溅射金（或银）或涂刷导电胶等制成。各圆管之间用橡胶类粘接剂3叠堆粘接，粘接层的厚度在0.3~1mm之间，控制粘接层的厚度可适当调节上下两圆管的振动耦合。各圆管外径相同，内半径逐次由大到小、或由小到大分布。可以采用对称分布，比如中间圆管内径大，两边圆管内径小（如图2(a)），或中间圆管内径小，两边圆管内径大（如图2(b)和(c)），叠堆圆管数目为3、5（如图2(c)）、7、9等。也可以采用非对称分布（如图3），此时圆管数目为2个以上。

上述压电振子也可以通过一体加工成型，如铸模成型等，成型出一个包含不同内径段的圆管（或成型出两个半圆管，然后拼成一个完整的圆管），如图4所示；也可成型出管中为锥形通孔的圆管，如图5所示；还可以是其它非等内径的形式。

压电圆管结构尺寸分布范围优选为：外径r为20mm~100mm，管壁厚度t为1mm~10mm，各管壁厚度差Δt为0mm~1mm，高为1mm~10mm。压电圆管的材质可以选用（压电陶瓷、压电单晶等）。

由于各圆管的半径不等，各管的谐振频率不同，即换能器振动系统存在多种模态(多个谐振频率)。合理设计各圆管的半径，通过橡胶粘接层，使压电振子各圆管的谐振频率相互靠近并耦合（见图6），在较宽的频率范围内同时工作，使它的组合频率响应不产生间断和过深的凹谷，则在这一频带内将形成复合多模振动，即能有效地拓展换能器的工作带宽。

下面提供一个具体实例。本实例采用内半径不等的两圆管制作压电振子，如图3(a)所示，振子各部件的结构参数见表1。

表1.压电振子实施例部件的结构参数

将表中的压电圆管1和圆管2同轴叠堆串接，其间用硅橡胶通过专用工件粘接，保持粘接层厚度为0.5mm，待硅橡胶固化后即制成压电振子。用阻抗分析仪测量振子的谐振频率和带宽，结果如图7所示，其中振子的谐振频率为188.8kHz，带宽为4.8kHz，由于两圆管耦合为一体，负载质量增大，谐振频率会显著降低，但带宽较单管有明显增加，说明本发明结构可显著提高振子的带宽，取得了进步的技术效果。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种圆柱型换能器，包括压电振子，其特征在于，所述压电振子包括叠堆的具有相同外径、不同内径的压电圆管。

2.如权利要求1所述的圆柱型换能器，其特征在于：还包括吸声层、端盖、胶封层和输出电缆；其中，吸声层位于压电振子两端，用于吸收轴向声辐射；端盖覆盖吸声层；胶封层包覆压电振子和端盖；输出电缆一端连接压电圆管的引线，另一端伸出胶封层外。

3.如权利要求1或2所述的圆柱型换能器，其特征在于：所述压电圆管的材质为压电陶瓷或压电单晶。

4.如权利要求1或2所述的圆柱型换能器，其特征在于：所述压电圆管内外壁被覆电极层，所述电极的材料为下列中的一种：金、银、导电胶。

5.如权利要求1或2所述的圆柱型换能器，其特征在于：所述叠堆的具有相同外径、不同内径的压电圆管为一体铸模成型或者由多个不同内径的压电圆管粘接而成。

6.如权利要求1或2所述的圆柱型换能器，其特征在于，所述压电圆管的不同内径呈对称分布，其分布形式包括：中间圆管内径大，往两边圆管内径依次减小；中间圆管内径小，往两边圆管内径依次增大。

7.如权利要求1或2所述的圆柱型换能器，其特征在于：所述压电圆管的外径为20~100mm，管壁厚度为1~10mm，高为1~10mm；不同内径的压电圆管的管壁厚度差为0~1mm。

8.如权利要求2所述的圆柱型换能器，其特征在于：还包括支架，位于压电圆管内并支撑两端的吸声层；吸声层上设有定位槽，用于定位压电振子和支架；支架、吸声层和端盖通过螺丝固定连接。

9.如权利要求8所述的圆柱型换能器，其特征在于：所述吸声层的材质为硬脂泡沫；所述支架为金属管，压电振子的两极引线穿过该金属管与所述输出电缆连接。

10.如权利要求2所述的圆柱型换能器，其特征在于：所述胶封层为防水透声材料，包括但不限于：聚氨酯、硫化橡胶。

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