CN103841499A - 一种施加预应力的叠堆压电圆管换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种施加预应力的叠堆压电圆管换能器，包括内衬管，套装在所述内衬管外部的叠堆多层压电圆管，以及对所述叠堆多层压电圆管施加预应力的装置。本发明采用多个叠堆压电圆管叠堆，振子的振动为多个圆管径向振动的迭加，以提高换能器的灵敏度；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振动模态，可扩展换能器的工作频带；应用柱状圆管的结构，使换能器可获得水平全向的波束指向性；采用玻璃纤维缠绕叠堆压电圆管，施加预应力提高压电换能器可承载功率，进而提高换能器的可靠性。

Description

一种施加预应力的叠堆压电圆管换能器

技术领域

本发明属于水声探测技术领域，具体涉及一种采用多层压电陶瓷圆管加预应力叠堆构成水中探测的换能器，以实现水声信号的发射和接收。该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。该水听器仅用于接收声信号，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。

另一类常用的水声换能器是叠堆晶片换能器，它采用叠堆晶片制作，具有发射电压响应（发射灵敏度）高，体积小，重量轻等特点，可产生大的声能密度，常用作大功率水声信号发射。目前，这类换能器主要有以下几种。

(1)复合棒压电换能器

复合棒压电换能器也称为夹心式压电换能器或喇叭形压电换能器（Inoue,T.;Nada,T.;Tsuchiya,T.;Nakanishi,T.Tonpilz piezoelectricers with acoustic matching plates for underwatercolor image transmission,IEEE Trans.Ultrason.Ferroelect.,Freq.Contr.,Vol.40.2,1993;Qingshan Yao;Lyngby.Broadband tonpilz underwater acoustic transducers based on multimodeoptimization,IEEE VFFC.Vol.44.5,1997）。它是一种常用的大功率发射换能器，用作接收亦有较高的灵敏度。复合棒压电换能器由多个相同的压电陶瓷圆环，机械上串联电路上并联叠堆胶合构成压电振子，当在振子上施加交变电压时，振子将产生轴向伸缩振动（纵振模态），由于前盖板较后盖板轻，振子将推动前盖板振动，从而向外辐射声波。预应力螺钉用于固定前盖板、晶片堆及后盖板，同时在晶片堆上施加一定的预应力，以使晶片间及振子与前后盖板之间有良好的振动传递。金属节板将振子固定在外壳或支架上。

由于采用多个晶片叠堆，振子的振动为各晶片振动的迭加，因而可产生较大的能量密度，即这种换能器的灵敏度较高。又由于压电陶瓷纵振模态频率较高，而且其发射头为喇叭状，因此这种换能器主要工作在中高频率段（几十kHz～几百kHz），其发射指向性图的波束宽度（开角）较小。

(2)双端发射复合棒压电换能器（Janus transducer）

Janus换能器，即双端纵振动换能器（Fitzgerald James W.Underwater ElectroacousticTransducers,Proe Transducers Sonic Ultrason,Orlando,Bath,U.K,FL,1991,J.N.Decarpigny;J.C.Debus1;B.Tocquet;D.Boucher.In-air analysis of Piezoelectric tonpilz transducers in a widefrequency band using a mixed finite element-plane wave method.J.Acoust.Soc,Amer.,Vol.78,No.5,1985），是双面对称发射的复合棒压电换能器。其两端质量块为同材质的轻金属，振子的振动可通过两端辐射声波。其优点是结构紧凑，设计简单；功率重量比好，能发射中、高功率；与支撑结构有较好的去耦，尾质量位于结构的中心；装配成阵比较容易，物理特性和制造技术比较成熟。

与复合棒压电换能器相同，Janus换能器主要工作在中高频率段，波束宽度（开角）较小，但改用磁致伸缩材料代替压电陶瓷堆作为驱动可以降低工作频率。

综上，圆柱管结构可获得水平全向的波束指向性，但由于换能器中仅通过单层压电陶瓷壳振动，接收或辐射声信号，显然其振动能量远不及叠堆晶片产生的能量大，即灵敏度不如叠堆晶片换能器的高。而复合棒压电换能器由于采用多个压电晶片叠堆，叠堆晶片产生较大的振动能量，使其发射灵敏度较高，但其辐射面为平面，造成发射指向性的波束宽度（开角）较小。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种施加预应力叠堆压电圆管换能器以提高换能器灵敏度，并扩展其带宽，实现水平全向的波束指向性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其包括内衬管，套装在所述内衬管外部的叠堆多层压电圆管，以及对所述叠堆多层压电圆管施加预应力的装置。

进一步地，所述压电圆管的材质为压电陶瓷或压电单晶。

进一步地，所述叠堆多层压电圆管，相邻压电圆管的极化方向相反，各压电圆管在电学上并联，内外壁被覆电极层，所述电极层的材料为金、银、导电胶等。

进一步地，所述叠堆多层压电圆管由多层压电管壳同轴粘扣在所述内衬管外壁构成，内层内衬管为一个完整圆管，其余各层压电陶瓷圆管由两个半圆管对接而成，各层压电圆管的厚度相同，半径由内向外依次增加，相邻层的压电圆管中内层圆管的外径与外层圆管的内径近似相同，内衬管与压电圆管的高度相同。整个管层由内向外逐个用环氧树脂粘接叠堆，相邻两壳层的极化方向相反。

进一步地，所述内衬管为冷胀热缩材料制成，如形状记忆合金，是薄壁的，其厚度范围优选为0.3mm～3mm；所述压电圆管的每层的厚度范围优选为1mm～5mm，层数为2～6层，所述内衬管与压电圆管厚度的比例优选为1:2～3。

进一步地，所述施加预应力的装置为玻璃纤维，紧密缠在所述叠堆多层压电圆管的外侧，通过内衬管受热收缩，冷却后回复原状特性（热缩冷胀），对叠堆多层压电圆管加压而产生预应力，从而提高换能器的功率重量比，提高换能器性能的可靠性。

进一步地，所述换能器还可包括垫圈、端盖、胶封层和输出电缆。其中，垫圈位于叠堆圆管的两端，用于吸收轴向声辐射；端盖用于定位叠堆圆管。胶封层包覆叠堆圆管和端盖；输出电缆一端连接压电管的引线，另一端输出信号。

进一步地，所述换能器还可包括支架，位于所述内衬管内，端盖旋扣在支架上，以固定圆管堆；支架、垫圈和端盖可通过螺丝固定连接。所述垫圈的材质为橡胶、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。

本发明的施加预应力叠堆多层圆管换能器，采用多个叠堆压电圆管套接，振子的振动为多个圆管径向振动的迭加，使换能器可产生大的能量密度，进而提高换能器的灵敏度；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圆管壳堆的径向复合多模振动，即能有效地拓展换能器的工作带宽，实现宽带、水平全向地收发声波；对叠堆圆管外侧施加应力可提高结构本身刚性，减少弹性形变，提高压电陶瓷的抗张强度，可提高换能器的承载功率及可靠性和稳定性。

本发明的优点：采用多个叠堆压电圆管叠堆，以提高换能器的灵敏度，并扩展换能器的工作频带；应用柱状圆管的结构，使换能器可获得水平全向的波束指向性；采用玻璃纤维缠绕叠堆压电圆管，施加预应力提高压电换能器可承载功率，进而提高换能器的可靠性，稳定性和一致性。

附图说明

图1是本发明施加预应力叠堆多层圆管压电换能器结构图；

图2是本发明施加预应力叠堆多层圆管结构图；

图3是本发明施加预应力叠堆多层圆管横截面图；

图4是本发明施加预应力叠堆多层半圆管结构图；

图5是本发明施加预应力叠堆多层扇形管圆弧结构图；

图6是实施例中叠堆圆管的发射电压响应图；

图7是实施例中单层圆管的发射电压响应图。

图中符号说明：1—压电圆管；2—支架；3—电极引线；4—电缆；5—防水透声层；6—端盖；7—垫圈；8—玻璃纤维；9—内衬管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细说明。

图1给出了本发明实施例的施加预应力叠堆多层圆管压电换能器结构示意图，该压电换能器包括叠堆的压电圆管1、支架2、电极引线3、电缆4、防水透声层5、端盖6、垫圈7、玻璃纤维8和内衬管9。

其中，叠堆的压电圆管1和内衬管9构成该器件的叠堆层，如图2所示，为同轴圆管形壳体，图3为叠堆多层圆管的横截面图。最内层的内衬管9为一个完整的热缩冷胀材质的薄壁管，外三层的压电圆管1均为两个形状完全相同的半圆管对扣粘接而成。各层高度相同，三层压电圆的管厚相同，相邻两层中直径较大圆管的内径与直径较小圆管的外径近似相同，各圆管可按直径大小由内向外逐个用环氧树脂粘接堆叠。各层半圆压电管对扣粘接，对扣处留有1-2mm左右的缝隙，各压电层的电极引线3从缝隙中引出。各压电圆管均沿半径方向极化，但相邻两圆管的极化方向相反，压电圆管之间电学上并联连接。叠堆的压电圆管1的内壁并联电极并引线3，与输出电缆4的芯线连接，叠堆的压电圆管1的外壁并联电极引线与电缆4的屏蔽线连接（参见图1）。

如图2所示，叠堆圆管外侧用玻璃纤维8紧紧缠绕，对叠堆圆管施加压力以产生预应力。端盖6上可设置定位结构（比如定位槽），用于定位叠堆圆管1和金属支架2。

上述器件在装配时，将叠堆圆管同轴套装在轴支架2上，晶片堆上下垫有橡胶垫圈7，橡胶垫具有吸声作用，旋紧端盖6即将叠堆圆管固定。然后将装配件放入定制的模具内，浇灌聚氨酯橡胶，构成防水透声层5，完成换能器的制作。该结构换能器的指向性为水平全向。

本发明的叠堆多层圆管压电换能器的第二个实施例为叠堆压电半圆管结构，如图4所示，其它结构均与实施方案1相同，其指向性为水平半空间全向。

本发明的叠堆多层圆管压电换能器的第三个实施例为叠堆压电扇形壳结构，如图5所示，其它结构均与实施方案1相同，其指向性为水平空间扇形分布图。

本发明的叠堆多层圆管压电换能器中，压电圆管1和内衬管9的高度应相同，否则上下盖板不便安装。各层压电圆管的厚度可以不同，但由于每个圆管的频率主要由其半径决定，与厚度关联不大，即厚度变化对圆管频率的改变贡献不大，即厚度变化对扩展压电振子带宽的作用较小，且增加了加工难度。

本发明的叠堆多层圆管压电换能器中，压电圆管1的优选叠堆层数为2-6层。

下面提供具体仿真数据实例。本实例采用两层压电圆管叠堆，对其进行仿真并比较叠堆后振子与单个振子的谐振频率与带宽。

该有限元仿真实例采用两层压电圆管叠堆，实体各层的内外半径为：内衬管：19-20mm，内层压电陶瓷：20-22mm，聚氨酯粘接层：22-22.4mm，外层压电圆管：22.4-24.4mm。仿真计算的叠堆圆管的发射电压响应见图6。实验同时仿真计算了单层圆管（半径20-22mm）的发射电压响应见图7，比较两图可看出叠堆圆管的发射电压响应的带宽达14kHz（最大发射电压响应下降3dB），在该频段内发射电压响应大于135dB；单层圆管发射电压响应的带宽为7.46kHz（最大发射电压响应下降3dB），在该频段内发射电压响应大于133.8dB。通过比较可看出叠堆圆管的发射电压响应（灵敏度）和带宽均较单层圆管有所增大，尤其是带宽有大幅度提高。

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)

1.一种施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于，包括内衬管，套装在所述内衬管外部的叠堆多层压电圆管，以及对所述叠堆多层压电圆管施加预应力的装置。

2.如权利要求1所述的施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于：所述压电圆管为压电陶瓷或压电单晶。

3.如权利要求1所述的施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于：所述叠堆多层压电圆管中相邻压电圆管的极化方向相反，各压电圆管在电学上并联，内外壁被覆电极层。

4.如权利要求1所述的施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于：所述叠堆多层压电圆管由多层压电管壳同轴粘扣在所述内衬管外壁构成，内层内衬管为一个完整圆管，其余各层压电陶瓷圆管由两个半圆管对接而成，各层压电圆管的厚度相同，半径由内向外依次增加，相邻层的压电圆管中内层圆管的外径与外层圆管的内径近似相同，内衬管与压电圆管的高度相同，整个管层由内向外逐个粘接叠堆。

5.如权利要求1所述的施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于：所述内衬管采用冷胀热缩材料制成，其厚度为0.3mm～3mm；所述叠堆多层压电圆管的厚度为1mm～5mm，层数为2～6层。

6.如权利要求5所述的施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于：所述内衬管的材料为形状记忆合金。

7.如权利要求1所述的施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于：所述施加预应力的装置为玻璃纤维，紧密缠在所述叠堆多层压电圆管的外侧，通过内衬管受热收缩，冷却后回复原状特性，对叠堆多层压电圆管加压而产生预应力。

8.如权利要求1所述的施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于：还可包括垫圈、端盖、胶封层和输出电缆，其中，垫圈位于叠堆圆管的两端，用于吸收轴向声辐射；端盖用于定位叠堆圆管，胶封层包覆叠堆圆管和端盖；输出电缆一端连接压电管的引线，另一端输出信号。

9.如权利要求8所述的施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于：还包括支架，位于所述内衬管内，端盖旋扣在支架上，以固定圆管堆；支架、垫圈和端盖通过螺丝固定连接。

10.如权利要求8所述的施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于：所述垫圈采用吸声材料，所述胶封层采用防水透声材料。

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