CN104766600A - 带匹配层的叠堆复合材料圆柱阵换能器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带匹配层的叠堆复合材料圆柱阵换能器及其制备方法。该换能器包括外径相同、管壁厚度不同的同轴叠堆的压电复合材料圆管；所述压电复合材料圆管的管壁包括多个压电振子，以及填充于各压电振子之间的柔性材料；所述压电复合材料圆管的外壁贴覆匹配层。该换能器的制备工艺采用切割陶瓷圆管—浇注环氧—曲面被覆电极—串叠圆管—贴覆匹配层的方法，制作复合材料叠堆圆管，然后设计背衬及支撑结构，制得新型宽带水平全向圆柱阵换能器。本发明融合了三种现行的拓展换能器带宽的技术，可大幅度拓展换能器带宽并实现换能器的水平全向发射。

Description

带匹配层的叠堆复合材料圆柱阵换能器及其制备方法

技术领域

本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种带匹配层的叠堆复合材料圆柱阵换能器及其制备方法。

背景技术

水声换能器作为能量转换器件，其主要作用是作为水声设备与介质进行信息交流的前端能量转换系统，并在一定频带内按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号。为了减少换能器的使用数量和更多的发射/接收信息，要求换能器覆盖更宽的工作频段，即需要最大限度的拓展换能器的带宽。此外，换能器基阵的广泛引用也要求基元具有更宽的带宽，因为宽带信号相干处理，可使系统获得更强的增益和更远的探测距离；对宽带信号进行脉冲压缩，也可提高换能器基阵的分辨率。因此，如何拓展换能器的带宽一直是换能器研究的重点。现行拓展换能器宽带主要有三个途径：(1)通过复合柔性材料，增大损耗，降低换能元件的机械品质因素(Q_m)值，即复合材料；(2)多振动模态耦合；(3)被覆匹配层。

(1)复合材料宽带换能器。复合材料是由压电相(如PZT)和聚合物相构成的的多相材料，它克服了单相压电材料的缺点，保留了压电相材料的强压电性,具有较低的Q_m值。由于换能元件的带宽与材料Q_m值成反比，因此压电复合材料尤其适合制作宽带换能器。

(2)多模耦合振动宽带换能器。用压电复合材料来代替压电陶瓷可以拓宽带宽，但拓宽量有限。进一步扩展带宽，须采用多模耦合，换能器的多模耦合振动拓宽频带的基础是多模态耦合理论。对于一个换能器，其振动系统通常存在多个谐振频率(多个模态)，当系统中两种或两种以上的振动模态相互靠近，两种模态对应的谐振峰值下降3dB(或6dB)时能够相交而不产生明显的凹谷，则这两种模态将形成双模态振动耦合，频带得到展宽。合理设计换能器振动元件的结构参数，使其产生两种或两种以上的振动模态并相互耦合，可以达到拓展带宽的目的。多模耦合方式有多种，如纵振换能器中的纵弯耦合技术、复合结构、单端激励等。

(3)匹配层宽带换能器。匹配层主要有两方面的作用，其一是阻抗匹配，通常换能器辐射面材料的特性阻抗比水和空气介质大得多，声能不易辐射出去，在辐射面与声传播介质之间插入一层或多层过渡匹配层就可以提高声传输特性。匹配层的另一作用就是使振动系统产生多谐振动以拓宽换能器的工作频带。它是在辐射面敏感材料上贴覆一层特性阻抗较小的匹配层，调节其厚度、声速、密度，使敏感层及匹配层产生多谐振动并耦合以拓展换能器的带宽。

(4)结合两项宽带技术的换能器。哈尔滨工程大学的张凯等人(蓝宇,张凯.1-1-3型压电复合材料宽带换能器[J].哈尔滨工程大学学报,2011,32(11):1479-1483.)引入单端激励原理，将1-3型压电复合材料改进为1-1-3型压电复合材料，即一维连通的压电细柱和一维连通的金属细柱串接，再平行排列于三维连通的聚合物中。通过将一、二、三阶厚度振动模态的耦合拓展带宽，换能器的工作频率为300kHz，频带宽度较单模复合材料的拓展近3倍，发送电压响应达154dB以上。该结构同时应用复合材料和多模耦合两种宽带技术拓宽带宽。另外，国外有人研究利用添加匹配层的方法来拓展1-3型复合材料换能器带宽，如土耳其I.CerenElmash等人(Elmash I C,Koymen H A.A wideband and a wid-beamwidth acoustictransducer design for underwater acoustic communications.OCEANS 2006-AsiaPacific.SingaPore,2007:l-5P)制作了λ/4(λ为换能器发射声波波长)厚度的1-3型压电复合材料，并在其上添加了λ/4厚度的匹配层以及铝质的背衬，设计制作了一种覆盖有匹配层的宽带复合材料换能器。该结构不但进一步拓展了换能器的带宽，并且还可实现与水更好的匹配，提高了声的传输特性。在该结构中，使用了复合材料和匹配层两种宽带技术拓宽换能器带宽。

综上，虽然采用复合材料分别结合多模振动或匹配层的换能器已有研究，但这类换能器由于受复合材料制备工艺的限制只能成型平面，使其波束开角受到限制。而曲面换能器多模耦合和匹配层技术的宽带换能器大多采用压电陶瓷作为敏感材料，其Q值远大于复合材料，即材料带宽远小于复合材料。因此，如能将现行的三种宽带技术融合于一个振动元件，并可成型曲面，势必将大幅度拓展换能器的带宽，并可实现大波束开角辐射声波。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种带匹配层的叠堆复合材料圆柱阵换能器及其制备方法，通过综合现有的换能器拓展带宽的三种技术实现换能器带宽的拓展。

本发明采用的技术方案如下：

一种带匹配层的叠堆复合材料圆柱阵换能器，包括外径相同、管壁厚度不同的同轴叠堆的压电复合材料圆管；所述压电复合材料圆管的管壁包括多个压电振子，以及填充于各压电振子之间的柔性材料；所述压电复合材料圆管的外壁贴覆匹配层。

优选地，所述压电振子为压电陶瓷，此外还可以是压电单晶、有机压电材料等材料；所述柔性材料为环氧树脂，此外还可以是聚氨酯、硅橡胶等材料；叠堆的压电复合材料圆管之间设有垫圈，如橡胶垫圈等。

优选地，所述压电复合材料圆管中压电振子的体积百分比约为40％。

优选地，所述匹配层的厚度为1/4声波波长，或在1/4波长左右进行微调；匹配层的材料可以是添加有铝粉或钨粉的环氧树脂等。

进一步地，所述换能器还包括上下垫圈、支架、盖板、电极引线和防水透声层，叠堆的压电复合材料圆管通过支架、上下垫圈和盖板固定，电极引线与输出电缆相连，换能器的整体外围胶封防水透声层。

一种制备上述带匹配层的叠堆复合材料圆柱阵换能器的方法，其步骤包括：

1)切割压电材料圆管：对压电材料圆管(如压电陶瓷圆管)进行切割，形成多个压电振子；

2)浇注柔性材料：在切割后的多个压电振子直接填充柔性材料(如环氧树脂)，形成压电复合材料圆管；

3)被覆电极：在压电复合材料圆管的曲面上被覆电极材料；

4)串叠圆管：将制备的外径相同、管壁厚度不同的压电复合材料圆管进行同轴叠堆；

5)贴覆匹配层：在叠堆的压电复合材料圆管的外壁贴覆匹配层。

进一步地，在步骤2)之后进行打磨整形，然后进行步骤3)的被覆电极步骤。

进一步地，步骤4)在叠堆的压电复合材料圆管间采用橡胶垫圈进行粘结。

进一步地，在步骤5)之后，将叠堆的压电复合材料圆管通过支架、上下垫圈和盖板固定，并引出电极与输出电缆相连，然后在换能器的整体外围胶封防水透声层。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用同轴叠堆的外径相同、管壁厚度不同的复合材料圆管，通过调节两圆管壁厚差，使各圆管的谐振频率形成一定差值，从而使叠堆后的圆管组件产生双模振动耦合以拓展换能器带宽并实现换能器的水平全向发射；并在叠堆复合材料圆管振子的柱面贴覆匹配层，通过调节匹配层的材料配方及厚度，使复合材料堆管与匹配层产生多谐振动耦合，进一步拓展换能器的带宽。本发明综合了现行换能器拓展带宽的三种技术，创新性地采用曲面复合材料的成型及电极被覆工艺，以及串叠复合材料圆管并贴覆匹配层的结构，可大幅度拓展换能器带宽并实现换能器的水平全向发射。

附图说明

图1是叠堆压电复合材料圆管示意图。

图2是添加有匹配层的压电振子示意图。

图3是复合材料机电耦合系数随PZT相体积分数变化曲线图。

图4是复合材料圆管谐振频率、带宽随圆管各参数变化规律图。

图5为压电复合材料圆管模型示意图。

图6为复合材料圆管制备工艺流程图。

图7是复合材料圆柱换能器结构图。

图8是复合材料叠堆圆管与单管空气中电导对比图。

图9是添加了匹配层的叠堆复合材料圆管电导图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

本发明采用外径相同，厚度不同的两个压电复合材料圆管上下叠堆，外加匹配层，构成具有匹配层的叠堆压电复合材料圆柱阵敏感元件。图1是叠堆压电复合材料圆管示意图，包括叠堆的两个相同外径、不同厚度的压电复合材料圆管，每个压电复合材料圆管的管壁包括环形排列的多个压电陶瓷(压电振子)，以及填充于各压电陶瓷之间的环氧树脂，两个压电复合材料圆管之间为橡胶垫圈。图2是添加有匹配层的压电振子示意图。两个不同厚度的复合材料圆管叠堆，使元件产生双模振动，元件柱面贴覆匹配层，使元件产生三模振动，调控复合材料圆管的厚度及匹配层的材料配方，使元件的三种振动模耦合，以大幅度拓展换能器带宽。此外，本发明也可以是三个压电复合材料圆管或更多圆管进行叠堆，这样可以产生更多模态(理想情况下一般是几个圆管叠堆就会产生几种模态)，但考虑到实际的效果，叠堆的圆管不宜太多，一般最多叠堆到三管。

在复合材料敏感元件的制备工艺上，本发明采用切割陶瓷圆管—浇注环氧—曲面被覆电极—串叠圆管—贴覆匹配层的新工艺，制作复合材料叠堆圆管，最后设计背衬及支撑结构，研制新型宽带水平全向圆柱阵换能器。具体来说，首先，采用切割陶瓷圆管—浇注环氧—样品打磨—被覆电极的新工艺，直接制备出复合材料圆管；通过计算机仿真，同轴叠堆外径相同厚度不同的复合材料圆管，不断改进两圆管尺寸参数，设计出合理的圆管厚度差，使两复合材料圆管谐振频率差处于合理范围内，从而使两圆管产生多谐耦合以达到拓展带宽目的；同时，在压电振子外围添加一定厚度的匹配层，利用叠堆复合材料圆管和匹配层的多模耦合振动来进一步拓展换能器带宽；最后设计背衬及支撑结构，制得新型高频宽带圆柱阵换能器样品，使换该能器实现宽带、水平全向的发射要求。下面分成三部分进行详细说明：1.制备复合材料圆管阵列；2.设计及制作匹配层；3.制备带匹配层的复合材料圆柱阵换能器。

1.制备复合材料圆管阵列

复合材料圆管采用直接切割压电陶瓷圆管—浇注环氧—打磨整形—被覆电极等技术制备成型，构成2-2型复合结构压电敏感圆管阵列，并建立设计理论模型和仿真模型。

1.1)2-2型压电复合材料圆管振动频率理论模型

常用压电复合材料圆管的振动包括径向、厚度及高度三种模态，径向振动频率一般在几十kHz，而厚度振动的频率较高，在100kHz以上，本项目针对高频换能器设计，故采用厚度振动模态工作。压电元件厚度振动的频率方程为：式中的弹性常数和密度为2-2型复合材料的等效性能参数，h为压电元件厚度。其中，式中C和ρ分别为材料的弹性常数和密度，上标“c”和“p”分别表示压电陶瓷和环氧树脂的材料参数，υ为2-2型复合材料中压电相所占的体积百分比。

采用数值模拟，计算获得复合材料圆管谐振频率随圆管厚度变化的曲线，并通过有限元仿真和实验测试，修正复合材料圆管的频率方程，为后续复合材料叠堆圆管的设计建立理论依据。

1.2)复合材料圆管结构设计

2-2型复合材料圆管结构参数包括复合材料中压电陶瓷的体积百分比v，圆管的半径r、圆管的厚度t及高度h。复合材料中压电陶瓷的体积百分比v直接决定着复合材料的机电耦合系数K_t和Q_m值，通过理论计算和实验验证(参见Bin Zhang,Likun Wang,Lei Qin etc.Influence ofVolume Fraction of Piezoelectric Ceramics on Poperties ofPZT672/Epoxy1-3Piezocomposite.Advanced Materials Research Vols.989-994(2014)pp 364-368)，可得复合材料机电耦合系数随PZT相体积分数变化曲线，如图3所示。由图3知，复合材料机电耦合系数K_t随v的增大而增加，当v大于0.4以后材料的机电耦合系数K_t上升趋于平缓。另一方面复合材料振动元件若要具有足够的带宽，需要尽可能减小Q_m，因此既要保持复合材料具有良好的压电性能又不失其宽带特性，v应适中选取，以0.4左右较为恰当，即40％。

此外，通过计算机仿真，得到了复合材料圆管谐振频率、带宽等随圆管厚度t、高度h及平均半径r的变化曲线，如图4所示，其中(a)图为谐振频率f随圆管各参数变化规律，(b)图为带宽BW随圆管各参数变化规律。由图4知：圆管谐振频率随圆管厚度t和高度h的增加而降低，不随平均半径变化而变化；圆管带宽BW也随圆管厚度t和高度h的增加而降低，不随平均半径变化而变化。

通过以上理论与仿真数据，不断优化换能器敏感元件尺寸参数，并据此最终确定出压电振子敏感元件最优设计方案，如图5为最终设计的压电复合材料圆管模型，圆管的管壁包括环形排列的多个压电陶瓷(压电振子)，以及填充于各压电陶瓷之间的环氧树脂。

1.3)2-2复合材料圆管制备工艺

本发明采用直接切割压电陶瓷圆管—浇注环氧—打磨整形—被覆电极等技术，如图6所示，最终制备出均匀排列的复合材料圆管阵列。对各步骤说明如下：

1)切割压电陶瓷圆管：为保证换能器的高频发射特性，圆管厚度优选为3.0mm-4.0mm本实施例选取管壁厚度分别为3.0mm和3.5mm的PZT-4压电陶瓷圆管，即壁厚差为0.5mm，并对其进行切割，形成多个压电振子，其中刀缝宽度设计为0.6mm，每次切割旋转角度为7.79°。可以通过优化制备工艺，尤其是在切割压电陶瓷圆管时做到对刀缝及旋转角度的精确控制，确保制备出均匀排列的复合材料圆管阵列。

2)浇注环氧树脂：将环氧树脂，邻苯二甲酸二丁酯，乙二胺以10：1：1的质量比混合均匀后抽真空，充分除去气泡后制得环氧树脂，在切割后的多个压电振子之间填充环氧树脂、冷却固化，形成压电复合材料圆管。

3)打磨整形：对填充环氧树脂后的压电复合材料圆管进行打磨整形，利用手术刀、砂纸等去除压电振子周围多余环氧树脂，裸露出压电振子表面。

4)被覆电极：在打磨好的压电复合材料圆管的曲面上均匀涂上电极材料(如银浆)，并在80摄氏度左右的低温下烧结、固化三小时以上，形成稳定的电极薄层。

2.匹配层设计及制作

匹配层材料密度、声速、厚度对换能器透声性及其在水中谐振频率和电导曲线均有很大影响。根据声波在不同介质中反射和透射情况可以得知，当时，声波在匹配层材料中的透射系数T为：

$T=\frac{1}{\left[\frac{Z_1+Z_3}{2\sqrt{Z_1{Z}_3}}\right]{\cos }^2{k}_{2}l+{\sin }^2{k}_{2}l}$

其中：Z1、Z2、Z3分别为陶瓷中声阻抗、匹配层材料声阻抗、水中声阻抗；l为匹配层材料的厚度，k₂为声波在匹配层中的波矢量大小。当l＝λ/4，即匹配层厚度为1/4声波波长时，声波经过匹配层的透射系数最大。所以，一般匹配层厚度选取1/4波长固定不变或在1/4波长左右进行微调。

此外，当高频匹配层换能器中匹配层材料的声速及厚度一定时，由于匹配层材料密度变大，匹配层材料的质量随之增大，相当于换能器增大了自身的负载质量。所以换能器在水中的电导曲线随匹配层密度的的增加，换能器在水中谐振点附近电导逐渐降低。

当匹配层材料的密度、厚度一定时，根据高频匹配层换能器在水中的电导曲线随声速的变化(参见：童晖，周益明，王佳麟，翁汝莲.高频宽带换能器研究[J].声学技术，2013,32(6):525-527)可知，匹配层换能器具有两个峰值频率fH、fL，fH为较高的频率，fL为较低的频率，随着声速的增加，fL电导值增大，fH电导减小，当声速为一定值时，匹配层材料厚度等于1/4的波长时的声速，换能器具有最佳的带宽。随着声速的继续增加，fL电导值继续增大，fH电导继续减小，然而换能器的谐振点fH、fL基本保持不变。这主要是由于匹配层材料声速的变化直接改变了匹配层材料中声波的波长，同时影响换能器匹配层材料在不同频率下的透声系数。而匹配层材料声速取决于材料的杨氏模量与密度，它们之间关系式为：

$v=\sqrt{Y_0/\mathrm{\ρ}},$

其中v为材料声速，Y₀为材料杨氏模量，ρ为材料密度。所以通过调节材料杨氏模量和密度即可调节材料声速，进而调节换能器性能。

当匹配层材料的密度、声速一定时，根据高频匹配层换能器在水中的电导曲线随厚度变化(参见：童晖，周益明，王佳麟，翁汝莲.高频宽带换能器研究[J].声学技术，2013,32(6):525-527):可以看出，随着匹配层材料厚度的增加，换能器水中谐振频率fH电导逐渐增大，fL电导逐渐减小，当匹配层厚度为1/4波长时，发生全透射，换能器具有较理想的电导曲线。随着厚度的继续增大，换能器水中电导曲线中的fH电导继续增大，fL电导继续减小。

综上所述，根据换能器性能随匹配层厚度、声速、密度变化规律，为了保证匹配层具有良好透声性能，匹配层厚度一般选取1/4波长固定不变或在1/4波长左右进行微调；可以通过调节材料密度及杨氏模量来调节换能器性能，最终确定最优匹配层材料参数，并制作出性能最优的带有匹配层的叠堆复合材料圆管换能器。

3.带匹配层的复合材料圆柱阵换能器

3.1)换能器的结构

图7是复合材料叠堆圆柱阵换能器结构，图中包括带有匹配层的压电振子敏感元件、上下垫圈、支架、盖板、电极引线、防水透声层。添加有匹配层的压电振子敏感元件如图2所示，它由两个复合材料圆管串叠构成，通过调节两圆管的厚度差，使各管的谐振频率达到合理的频率差而形成多谐振动耦合，从而拓展换能器的带宽。此外，在压电振子外围添加一定厚度的匹配层材料，使压电复合材料圆管与匹配层形成多谐振动耦合，可进一步拓展换能器带宽。然后将压电复合材料叠堆圆管通过支架、上下垫圈和盖板固定，引出电极并与输出电缆相连，最后整体胶封防水透声层(如聚氨酯)。

3.2)带有匹配层的压电振子敏感元件结构设计及仿真

由以上理论分析与仿真结果可知，圆管的振动频率取决于圆管的厚度，通过适当选取两圆管的厚度差，使两圆管形成多谐振动耦合以达到最大限度拓展带宽的目的。建立复合材料叠堆圆管模型(如图1所示)，对其进行空气中仿真。因压电振子敏感元件结构具有周期性，为减少计算量，我们取圆管一个周期单元进行有限元建模仿真，其中压电陶瓷相采用三维耦合场单元Solid5，聚合物相采用Solid45三维耦合场固体单元，并在圆管内环面加载0V电压，外环面加载1V电压，进行谐响应分析，并计算得出导纳图，从导纳图中求取谐振频率及带宽，得到压电振子敏感元件在空气中振动特性。

图8为叠堆复合材料圆管与两单管电导频谱对比图，其中曲线a为叠堆复合材料圆管电导图，b、c两条曲线分别为两单管电导图，从中可以看出叠堆复合材料圆管出现了两个谐振峰，两个谐振频率分别对应各自单管的谐振频率，且并未产生耦合。

此外，对添加了匹配层的叠堆复合材料圆管模型在空气中进行建模、仿真，图9为添加了匹配层的叠堆复合材料圆管模型在空气中的导纳频谱。设计时，匹配层材料厚度设计为λ/4(λ为换能器发射声波波长)，即厚度为2mm、密度为1350Kg/m³、杨氏模量为4.3×10⁹、泊松比为0.3。由图9可以看出，当对叠堆复合材料圆管添加匹配层后，由于匹配层负载的缘故，会使圆管的谐振频率整体降低一些，即谐振峰向左略有偏移。而且，此时模型的振动频谱存在三个谐振峰(分别对应两单管和匹配层的谐振频率)，即叠堆圆管与匹配层产生了多模振动使带宽得到进一步扩展。所以，通过在叠堆复合材料圆管外围添加匹配层，使叠堆圆管和匹配层产生多模振动以拓展带宽的方法具有可行性。

3.3)带有匹配层的叠堆复合材料圆管敏感元件制作，以及换能器装配

根据仿真优化结果，订制外径相同，管壁厚度不等的系列压电陶瓷单管。测量订制的单管谐振频率、带宽等参数，选取频差与仿真结果相近的两单管组合。将所选取的两陶瓷圆管进行切割、浇注、打磨整形、被覆电极，制得压电复合材料圆管，并将制得的复合材料圆管进行同轴叠堆，叠层间以薄橡胶垫粘结。复合材料圆管同轴粘接是否一致将直接影响换能器柱面辐射声波的均有性，继而影响换能器的指向性。可以通过固定装置将制作完成的压电圆管进行精确定位，并在两圆管叠层间加一薄橡胶垫圈，用环氧树脂进行粘结，最终制作出不同内径相同外径的叠堆复合材料圆管。

最后配置所需匹配层材料，在叠堆复合材料圆管外围添加1/4波长厚度的匹配层，制备出带有匹配层的叠堆压电复合材料圆管敏感元件。匹配层的特性阻抗较小，能够与水的阻抗相匹配，以提高声传输特性。装配时两圆管的电极通过并联方式引线并与外壳电缆连接，最后将整套装配好的换能器用聚氨酯胶封，固化形成防水透声层，完成换能器的制作。

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书所述为准。

Claims (10)

1.一种带匹配层的叠堆复合材料圆柱阵换能器，其特征在于，包括外径相同、管壁厚度不同的同轴叠堆的压电复合材料圆管；所述压电复合材料圆管的管壁包括多个压电振子，以及填充于各压电振子之间的柔性材料；所述压电复合材料圆管的外壁贴覆匹配层。

2.如权利要求1所述的换能器，其特征在于：所述压电振子为压电陶瓷、压电单晶或有机压电材料，所述柔性材料为环氧树脂、聚氨酯或硅橡胶；所述压电复合材料圆管的数量为2～3个，在叠堆的压电复合材料圆管之间设有橡胶垫圈。

3.如权利要求1所述的换能器，其特征在于：所述压电复合材料圆管中压电振子的体积百分比为40％。

4.如权利要求1所述的换能器，其特征在于：所述匹配层的厚度为1/4声波波长。

5.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，还包括上下垫圈、支架、盖板、电极引线和防水透声层，叠堆的压电复合材料圆管通过支架、上下垫圈和盖板固定，电极引线与输出电缆相连，换能器的整体外围胶封防水透声层。

6.一种制备权利要求1所述带匹配层的叠堆复合材料圆柱阵换能器的方法，其步骤包括：

1)切割压电材料圆管：对压电材料圆管进行切割，形成多个压电振子；

2)浇注柔性材料：在切割后的多个压电振子直接填充柔性材料，形成压电复合材料圆管；

3)被覆电极：在压电复合材料圆管的曲面上被覆电极材料；

4)串叠圆管：将制备的外径相同、管壁厚度不同的压电复合材料圆管进行同轴叠堆；

5)贴覆匹配层：在叠堆的压电复合材料圆管的外壁贴覆匹配层。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述压电材料为压电陶瓷、压电单晶或有机压电材料，所述柔性材料为环氧树脂、聚氨酯或硅橡胶。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：在步骤2)之后进行打磨整形，然后进行步骤3)的被覆电极步骤。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤4)在叠堆的压电复合材料圆管间采用橡胶垫圈进行粘结。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于：在步骤5)之后，将叠堆的压电复合材料圆管通过支架、上下垫圈和盖板固定，并引出电极与输出电缆相连，然后在换能器的整体外围胶封防水透声层。