CN103646643B - 一种采用pvdf压电薄膜的弯张换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用PVDF压电薄膜的弯张换能器，包括压电陶瓷晶片堆和PVDF薄膜，所述PVDF薄膜包围所述压电陶瓷晶片堆，所述PVDF薄膜与所述压电陶瓷晶片堆之间设有连接件，进一步还包括使所述PVDF薄膜产生预应力的装置。本发明采用PVDF薄膜代替传统弯张换能器的金属外壳，采用PVDF薄膜以及压电晶堆作为敏感元件，PVDF薄膜振动采用简支边界条件下薄膜的弯曲振动模态，压电晶堆振动采用纵振动模态，通过模态耦合可获得较高的带宽，实现宽带发射声波。本发明的弯张换能器具有低频、宽带、高接收灵敏度、大功率声辐射和水平全向指向性的特点。

Description

一种采用PVDF压电薄膜的弯张换能器
技术领域
本发明属水声探测技术领域，具体涉及一种利用PVDF压电薄膜代替弯张换能器的金属外壳，应用其压电效应收发信号而实现水中探测的新型弯张换能器。
背景技术
弯曲伸张换能器（简称弯张换能器，flextensionaltransducer）是获得低频大功率和宽带声信号的小巧的水声探测换能器。壳体通常是曲面的反转体、曲线的回旋体或椭圆的平移体。弯张换能器的工作原理是：利用压电陶瓷晶片堆的纵向伸缩振动激励壳体作弯曲振动，耦合成弯曲伸张振动模式。由弯张模的低频共振特性可得到有效的低频辐射。为得到较高的辐射功率和较大的体积位移，在装配换能器时需要给晶片堆施加一定的预应力（压力），以保证在深水高驱动工作时的安全应力。在深水工作时，为了使壳体能承受较大的静水压力并有效地辐射声波，需要采取压力补偿。
弯张换能器是典型的低频大功率发射器，具有体积小、重量轻的特点。弯张换能器利用壳体的弯曲振动辐射声波，其谐振频率远低于驱动堆纵振的谐振频率，因此可以在体积不大的情况下实现较低的谐振频率。弯曲的壳体具有位移放大作用，可以将驱动堆上的振动通过此放大作用转化成壳体上更大的弯曲振动，同样辐射面积的前提下，可以得到更大的位移。弯张换能器可以做成溢流式或非溢流式，溢流式弯张换能器的工作深度非常大，而非溢流弯张换能器可以用过填充液体及在液体中填充柔性管的方式来增大工作深度。
但是，随着换能器发射功率的不断增加以及谐振频率的降低，现有的弯张换能器已经不能满足需要。
PVDF（聚偏二氟乙烯）是一种柔软的塑性薄膜，是目前应用广泛的铁电和压电高分子材料。PVDF压电元件对湿度、温度和化学物质高度稳定，机械强度也较好。用PVDF做成的换能器，具有结构简单、重量轻、失真小、稳定性高等优点，因此是一种比较理想的新型换能材料。
压电高聚物PVDF具有很强的压电性（比压电石英晶体高3～5倍），压电常数分量g33很大（比锆钛酸铅的大十余倍），尤其是静水压压电常数gn比压电陶瓷PZT-5的大得多，用做水听器具有较高的灵敏度。而且，PVDF密度小，声速较低，声阻抗低，能很好地和空气、水和人体组织匹配，横向耦合小，机械品质因数低，宽带。而且其厚度共振频率可以达到很高，因而可以做成灵敏的宽频带水听器，亦可做成频率较高的超声换能器。PVDF密度小，不到陶瓷的四分之一,便于在潜水艇表面施工安装.。
PVDF弯张换能器能够更好地满足低频、宽带、高发送电压响应、高接收灵敏度、大功率、小型化和水平全向指向性的要求。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有弯张换能器的不足，提出一种利用PVDF压电薄膜实现收发信号的新型弯张换能器，具有低频、宽带、高接收灵敏度、大功率声辐射和水平全向指向性特点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种采用PVDF压电薄膜的弯张换能器，包括压电陶瓷晶片堆和PVDF薄膜，所述PVDF薄膜包围所述压电陶瓷晶片堆并通过连接件与所述压电陶瓷晶片堆连接。
进一步地，还包括使所述PVDF薄膜产生预应力的装置。
进一步地，所述连接件为设于所述压电陶瓷晶片堆两端的质量块，起到调节谐振频率以及固定PVDF薄膜的作用，所述使PVDF薄膜产生预应力的装置包括：
固定块，与所述质量块相接，
固定螺钉，设于所述固定块上，
拉伸螺钉，穿过所述固定块并与所述质量块相接，用于使所述固定块和所述质量块之间的空隙加大以对PVDF薄膜进行拉伸，
预应力螺钉，穿过所述压电陶瓷晶片堆与所述固定块，用于固定拉伸后的PVDF薄膜。
进一步地，所述PVDF薄膜施加的预应力为10N～200N。
进一步地，所述压电陶瓷晶片堆包括正向极化压电陶瓷片、金属垫片和反向极化压电陶瓷片，通过所述金属垫片引出电极，所有正极互相连通作为发射正极，所有负极互相连通作为发射负极。
进一步地，所述PVDF薄膜为空心圆柱形，包裹住压电陶瓷晶片堆，从而实现水平全向指向性收发信号的目的。
进一步地，所述PVDF薄膜的厚度为50um以上。
进一步地，所述PVDF薄膜可以为PVDF薄膜与其它柔性材料（如塑料等）通过粘接构成的薄膜；所述PVDF薄膜可以为两层或多层PVDF薄膜通过叠堆构成的薄膜，极化方向可以是同向也可以是反向。
进一步地，所述连接件采用变幅杆式结构。
进一步地，所述连接件材料优选采用低密度金属材料，如铝、钛合金等。
本发明的换能器采用PVDF薄膜代替传统弯张换能器的金属外壳，采用PVDF薄膜以及压电晶堆作为敏感元件，PVDF薄膜振动采用简支边界条件下薄膜的弯曲振动模态，压电晶堆振动采用纵振动模态，通过模态耦合可获得较高的带宽，实现宽带发射声波。由于PVDF薄膜具有较低的声阻抗，使得换能器可以与水、人体组织等介质更好的匹配，提高换能器能量转换效率。因此本发明的换能器具有发射频带宽、接收灵敏度高等特点。另外，采用直径很小的压电晶片堆带动很大面积的PVDF薄膜振动，可以增大发射面积，提高换能器的发射能力，同时又保证了换能器具有较低的重量。
本发明的采用PVDF压电薄膜的弯张换能器具有低频、宽带、高发送电压响应、高接收灵敏度、大功率声辐射和水平全向指向性的特点，可广泛用于水下通信、探测、目标定位、跟踪等，是声纳系统的重要部件。
附图说明
图1是实施例中采用PVDF压电薄膜的弯张换能器结构示意图。
图2是实施例中PVDF包裹住压电陶瓷晶片堆立体示意图。
图3是实施例中采用PVDF压电薄膜的弯张换能器样品的1/12实体模型耦合振动示意图。
图4是实施例中采用PVDF压电薄膜的弯张换能器样品的发射电压响应图。
图中标号说明：1-PVDF薄膜，2-正向极化压电陶瓷片，3-金属垫片，4-反向极化压电陶瓷片，5-质量块，6-固定块，7-固定螺钉，8-拉伸螺钉，9-预应力螺钉。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并配合附图，对本发明作进一步说明。
图1是本实施例的采用PVDF压电薄膜的弯张换能器的结构示意图，包括聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜1、正向极化压电陶瓷片2、金属垫片3、反向极化压电陶瓷片4、质量块5、固定块6和固定螺钉7、拉伸螺钉8和预应力螺钉9。其中正向极化压电陶瓷片2、金属垫片3和反向极化压电陶瓷片4共同构成压电陶瓷晶片堆，通过金属垫片引出电极，所有正极互相连通，负极互相连通。PVDF薄膜1围成封闭的腔体，包裹住压电陶瓷晶片堆，其立体示意图如图2所示。
当换能器用作发射信号时，在正负极间施加电压，由于逆压电效应压电陶瓷晶片堆会在纵向方向P产生机械振动，而质量块5即发明内容中所述的连接件，将PVDF薄膜1和压电陶瓷晶片堆连接起来，并起到调节谐振频率以及固定PVDF薄膜的作用。振动通过质量块5、拉伸螺钉8以及预应力螺钉9构成的结构传播到PVDF薄膜1上，引起PVDF薄膜1的弯曲振动。质量块5可以采用铝、钛合金等密度低的金属，或环氧树脂等硬质非金属构成，通过采用变幅杆式结构设计，用以减轻发射端质量，从而提高发射端振动速度。通过调节质量块5和固定块6的尺寸可以改变质量块和固定块的重量，从而调节弯张换能器的频率，使压电陶瓷晶片堆的纵向振动频率跟PVDF的弯曲振动频率吻合，从而实现低频、宽带、高发送电压响应、高接收灵敏度、大功率声辐射收发信号的目的。
上述换能器中，固定块6和固定螺钉7、拉伸螺钉8和预应力螺钉9共同作用以实现对PVDF薄膜1的固定和拉伸。首先通过固定块6和固定螺钉7将PVDF薄膜1固定好，再用力拧紧拉伸螺钉8使固定块6和质量块5之间的空隙加大（此空隙等同于在拉伸过程中PVDF的伸长量），最后拧紧预应力螺钉9，这样就拉伸了PVDF薄膜，使其产生了预应力，从而能够提高换能器的接收灵敏度。预应力螺钉9施加的预应力一般为10N到200N。需要说明的是，本发明不以上述施加预应力的结构为限制，其它实施例中也可以不对PVDF薄膜施加预应力，或者设计其他结构施加预应力，例如在四周布置一些螺钉，拧紧后即可提供预应力。
由于PVDF薄膜通过固定螺钉7、拉伸螺钉8和预应力螺钉9绷紧，所以PVDF薄膜1会产生类似鼓膜的弯曲振动，不但能将发射端的辐射面扩大，还能降低发射端的声阻抗，使之与水等介质间更易匹配。同时，合理设计PVDF薄膜1的纵向长度（图1中P方向）使其谐振频率与压电陶瓷晶片堆谐振频率相近时，还会产生振动耦合现象，从而拓宽换能器发射信号的带宽。PVDF薄膜的厚度一般选择50um以上（大于等于50um），也可将PVDF薄膜与其它薄膜（可以是压电材料的也可以不是压电材料的，比如说柔性塑料薄膜）粘接在一起使用，以改变PVDF的参数，达到调节谐振频率的作用。
图3给出了本实施例的PVDF弯张换能器样品的1/12实体模型的耦合振动示意图。本实施例中，压电晶堆的厚度为9.6mm，半径为10mm，PVDF薄膜的纵向长度是82mm，其谐振频率为16.0Khz，换能器的谐振频率为16.4Khz。
由于PVDF薄膜1经过适度拉伸可提高接收灵敏度，所以，在用作接收时，可将发射端正负极接直流高压，使得压电陶瓷晶片堆产生厚度方向位移（图1中P方向），从而拉伸PVDF薄膜1，提高换能器的接收灵敏度。
由于本发明的换能器采用PVDF薄膜以及压电晶堆作为敏感元件，PVDF薄膜振动采用简支边界条件下薄膜的弯曲振动模态、压电晶堆振动采用纵振动模态，压电晶堆的频率和PVDF的频率相接近时可以实现模态耦合，通过模态耦合可获得较高的带宽，实现宽带发射声波。此外由于PVDF薄膜具有较低的声阻抗，换能器可以与水、人体组织等介质更好的匹配，提高换能器能量转换效率。因此本发明换能器具有宽带和大功率声辐射等特点。图4给出了本发明实施例的采用PVDF压电薄膜的弯张换能器样品的发射电压响应，此时，在50khz到100khz的范围内，发射电压响应高达140dB。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书的实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种采用PVDF压电薄膜的弯张换能器，其特征在于，包括压电陶瓷晶片堆和PVDF薄膜，所述PVDF薄膜包围所述压电陶瓷晶片堆并通过连接件与所述压电陶瓷晶片堆连接；所述PVDF薄膜的振动采用简支边界条件下薄膜的弯曲振动模态，所述压电陶瓷晶片堆的振动采用纵向振动模态；在发射信号时，通过逆压电效应使所述压电陶瓷晶片堆产生纵向机械振动，并经由所述连接件传播至所述PVDF薄膜，引起所述PVDF薄膜的弯曲振动，通过两种振动模态的耦合实现宽带发射声波。
2.如权利要求1所述的弯张换能器，其特征在于：还包括使所述PVDF薄膜产生预应力的装置。
3.如权利要求2所述的弯张换能器，其特征在于，所述连接件为设于所述压电陶瓷晶片堆两端的质量块，所述使PVDF薄膜产生预应力的装置包括：
固定块，与所述质量块相接；
固定螺钉，设于所述固定块上；
拉伸螺钉，穿过所述固定块并与所述质量块相接，用于使所述固定块和所述质量块之间的空隙加大以对PVDF薄膜进行拉伸；
预应力螺钉，穿过所述压电陶瓷晶片堆与所述固定块，用于固定拉伸后的PVDF薄膜。
4.如权利要求3所述的弯张换能器，其特征在于：所述PVDF薄膜为空心圆柱形。
5.如权利要求2所述的弯张换能器，其特征在于：所述PVDF薄膜施加的预应力为10N～200N。
6.如权利要求1至5中任一项所述的弯张换能器，其特征在于：所述压电陶瓷晶片堆包括正向极化压电陶瓷片、金属垫片和反向极化压电陶瓷片，通过所述金属垫片引出电极，所有正极互相连通作为发射正极，所有负极互相连通作为发射负极。
7.如权利要求1至5中任一项所述的弯张换能器，其特征在于：所述PVDF薄膜的厚度为50um以上。
8.如权利要求1至5中任一项所述的弯张换能器，其特征在于：所述PVDF薄膜为两层或多层PVDF薄膜通过叠堆构成的薄膜，极化方向是同向或者反向；或者所述PVDF薄膜是由PVDF薄膜与其它柔性材料通过粘接构成的两层或多层薄膜。
9.如权利要求1至5中任一项所述的弯张换能器，其特征在于：所述连接件采用变幅杆式结构。
10.如权利要求1至5中任一项所述的弯张换能器，其特征在于：所述连接件采用低密度金属材料。
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