CN105047188A - 一种带匹配层的压电复合材料高频换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带匹配层的压电复合材料高频换能器。该换能器包括一压电复合材料层以及贴覆该压电复合材料层的匹配层；所述匹配层包含铝粉；所述压电复合材料层和所述匹配层的两个谐振频率相互靠近并耦合。所述匹配层还包含环氧树脂、韧化剂和固化剂，其中铝粉作为填料，环氧树脂、韧化剂、固化剂作为基体。通过调节匹配层的厚度和声阻抗，使两个谐振频率相互靠近并耦合，匹配层的厚度优选为1/4声波波长，匹配层中铝粉的质量分数优选为45％。本发明通过在压电陶瓷复合材料上添加匹配层，并使其产生多模态耦合，能够有效的拓展高频换能器的带宽。

Description

一种带匹配层的压电复合材料高频换能器

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压电复合材料高频换能器。

背景技术

随着水声探测和水声对抗技术的发展，对高频宽带换能器需求日益增加，但是通常高频换能器的Q值较高，工作带宽较窄，因此拓展高频换能器的带宽是重要研究方向之一(田洪亮，夏铁坚，刘强.由小振子组成的高频圆柱换能器宽方向性初探[J].声学与电子工程，2008，91(3)：31-33.KimCBenjamin，SheridanPetrie.Thedesign，fabrication，andmeasuredacousticperformanceofa1-3piezoelectriccompositenavycalibrationstandardtransducer[A].J.Acoust.Soc.Am，2001，109(5Pt1)：1973-1978.)。

当前拓展换能器带宽最有效的方法就是通过多模态的耦合来实现，比较成熟的实现方法是添加匹配层。杭州应用声学研究所刘望生等人(刘望生，俞宏沛，周利生.双激励加匹配层宽带水声换能器研究[J].声学技术，2008，27(2)：283-286)利用双激励加匹配层的方法制作纵向换能器，获得三谐振耦合的宽带特性，换能器的带宽为15kHz～42.5kHz；中科院声学所东海研究站童晖等人(童晖，周益明，王佳麟等.高频宽带换能器研究.声学技术，Dec.，2013，Vol.32，No.6：524-527)通过在PZT-8陶瓷圆片上加覆匹配层研制出直径Φ55mm、总厚度为7.72mm的高频宽带换能器，-3dB带宽为260～370kHz。

目前国内通过贴覆匹配层拓展带宽的研究大多集中在中低频换能器，对高频换能器的研究尤其是对复合材料上贴覆匹配层的研究还较少。

发明内容

为拓展高频换能器的带宽，本发明针对压电复合材料敏感元件，选取不同配比的匹配层贴覆敏感元件表面制作换能器，通过研究匹配层材料的特性对换能器带宽的影响，优化匹配层参数，实现高频换能器带宽的最大拓展。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种带匹配层的压电复合材料高频换能器，包括一压电复合材料层以及贴覆该压电复合材料层的匹配层；所述匹配层包含铝粉；所述压电复合材料层和所述匹配层的两个谐振频率相互靠近并耦合。

进一步地，通过调节所述匹配层的厚度和声阻抗，使两个谐振频率相互靠近并耦合。

进一步地，所述匹配层的厚度为1/4声波波长±0.2mm，所述匹配层中铝粉的质量分数为30％～45％。优选地，在1/4波长厚度和45％的铝粉比例时带宽拓展效果达到最佳。

进一步地，所述匹配层还包含环氧树脂、韧化剂和固化剂，其中铝粉作为填料，环氧树脂、韧化剂、固化剂作为基体。

进一步地，所述压电复合材料层可以采用1-3型压电陶瓷复合材料等。

进一步地，上述换能器还包括包覆在压电复合材料层和匹配层外面的防水透声层。

本发明通过在压电陶瓷复合材料上添加匹配层，使其产生多模态耦合来拓展高频换能器的带宽。首先研究匹配层材料的密度、声速，得出匹配层声阻抗的变化规律；其次研究带匹配层的复合材料振子的振动特性，获得空气中振子产生的双谐振动频率随匹配层的厚度、声阻抗的变化规律；依此设计压电振子，制作换能器并进行水下测试，通过测试水中的电导和发送电压响应曲线，探索出换能器的带宽随匹配层厚度和声阻抗变化的规律，优化匹配层的厚度和声阻抗。应用优化的匹配层制作的复合材料换能器其频带宽度达到210kHz～400kHz，带内发送电压响应起伏小于3dB。实验结果表明采用优化的匹配层可有效的拓展高频换能器的带宽。

附图说明

图1.1是空气和水中的电导曲线图，图1.2是有无匹配层的换能器响应曲线图。

图2.1是不同铝粉质量分数百分比下密度的变化规律图，图2.2是不同铝粉质量分数百分比下声速的变化规律图。

图3是不同铝粉质量分数百分比下声阻抗的变化规律图。

图4是带匹配层的复合材料阵子结构示意图。

图5.1是两个谐振峰频差随匹配层厚度的变化规律图，图5.2是两个谐振峰电导差随匹配层厚度的变化规律图。

图6.1是换能器的结构示意图，图6.2是换能器样品照片。

图7.1是空气中电导曲线示意图，图7.2是水中电导曲线示意图。

图8是换能器的发送电压响应曲线图。

图9.1是空气中导纳曲线图，图9.2是水中导纳曲线图，图9.3是换能器的发送电压响应曲线图。

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。

本实施例通过在1-3型压电陶瓷复合材料上添加匹配层，使其产生多模态耦合来拓展高频换能器的带宽。

1.匹配层拓展换能器带宽的原理

通常一个换能器振动系统存在多种模态(多个谐振频率)，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二次、三次倍频与基频间隔，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。本发明主要研究换能器的厚度振动，在换能器的辐射表面与水介质之间添加一层匹配层，即一种具有一定声阻抗的材料层，相当于增加换能器自身的负载质量，换能器的基频就会降低，同时由于匹配层的声阻抗小于换能器敏感材料的声阻抗，所以换能器的倍频同样会下降，这样就形成了两个谐振频率，如图1.1所示，图中分别是添加匹配层后，空气中电导曲线的两个谐振峰，以及对应在水中电导曲线的两个谐振峰，通过调节匹配层材料厚度和声阻抗可以使两个谐振峰在水中耦合，使换能器的发送电压响应在下降-3dB处不产生过深的凹谷，从而实现换能器带宽的拓展，加匹配层前后换能器的响应曲线变化如图1.2所示。

带匹配层的换能器响应曲线能否耦合，带宽能否拓展主要取决于换能器的两个谐振频率的频差和电导值差，而匹配层的厚度和声阻抗直接影响两个谐振的频差和电导值差，下面主要研究两个谐振频差和电导值差随匹配层厚度和声阻抗的变化规律。

2.匹配层参数对复合材料振子性能的影响

2.1密度和声速对匹配层声阻抗的影响

本发明选取铝粉作为填料，环氧树脂、韧化剂、固化剂作为基体，基体中环氧树脂、韧化剂、固化剂的质量配比为10:1:1，选取铝粉质量分数百分比分别为10％、30％、45％、60％四组数据进行实验，每组三个模具，模具均是直径30mm，厚度10mm的圆柱模型。将匹配层复合材料抽真空搅拌均匀后倒入模具，固化8h后脱模，测其质量和体积求出密度ρ，根据回波测距原理计算出其声速c，每组数据取三者的平均值，得出匹配层的密度、声速随铝粉质量分数百分比的变化规律如图2.1和图2.2所示。

图2.1和图2.2的曲线可以看出随着匹配层中铝粉质量分数百分比的增加，匹配层密度和声速均成线性增长的趋势，这是由于铝粉的密度、声速比基体的密度、声速大的原故。根据声阻抗与密度、声速的关系Z＝ρc，ρ是匹配层的密度(kg/m3)，c是声音在匹配层中的传播速度(m/s)。得出匹配层声阻抗随铝粉质量分数百分比变化的规律，如图3所示。

图3可以看出匹配层的声阻抗随着铝粉质量分数百分比的增加也呈线性增大的趋势，声阻抗从2.7MRayl增加到5.7MRayl。

2.2匹配层厚度和声阻抗对振子双谐频差和电导差的影响

匹配层的厚度和声阻抗直接影响振子的双谐频差和电导差，下面研究复合材料振子的两个谐振峰与匹配层厚度和声阻抗的关系。本发明中所用到的高频换能器振子是由PZT-4压电陶瓷方片构成的，长宽均为25mm，厚度5mm，通过切割→灌注→镀电极成1-3型复合材料(张凯，蓝宇，李琪.1-3型压电复合材料宽带换能器.声学学报，2011.11，36(6)：631-637)，镀电极面焊接上引线，测得振子的中心频率为300KHz。然后再在1-3型复合材料辐射面上灌注匹配层，通过改变匹配层的厚度和声阻抗来研究两个谐振频率的变化规律，带匹配层的复合材料振子结构如图4所示。

试验中的匹配层我们选取10％、30％、45％、60％四组铝粉质量分数百分比进行实验，每组两个振子(最终数据取两者的平均值)，振子的起始匹配层厚度为4.5mm，然后通过打磨匹配层使它的厚度均匀地减小，减小过程中记录在空气中振子的两个谐振峰的频率、电导值与匹配层厚度的对应值，并绘制出两个谐振峰的频差、电导值差随匹配层厚度的变化规律，如图5.1和图5.2所示。

图5.1中得到随着匹配层厚度的减小，两个谐振峰频差先减小后增大，在频间距变化的同时，两个谐振峰的电导值也会随匹配层厚度变化，在厚度为4.5mm时，第二个峰的电导值较大，第一个峰的电导值较小，随着厚度的不断减小，第二个峰的电导值减小，第一个峰的电导值增大，图5.2就是第二个峰与第一个峰的电导值差随厚度的变化规律。此变化规律是空气中振子谐振峰的变化规律，为水中研究换能器带宽拓展情况提供参考依据，欲得到最佳的匹配层厚度和声阻抗，需考虑到水负载来进一步调整参数，接下来对振子做成换能器后进行水下测试的研究。

3.匹配层对换能器带宽的影响

将上面研究的带匹配层的复合材料振子做成换能器，首先在振子的下表面粘贴一层25*25*5mm的硬质泡沫作为背衬，放入提前定制的圆柱形模具中，模具直径40mm，高16mm，该高度确保辐射面上灌的防水透声层厚度尽量接近1/4声波波长；防水透声层是按聚氨酯：硫化剂＝10：1的质量比来配置的，先把一定量的聚氨酯放在80℃的真空高温箱里除气泡30min，再把硫化剂通过高温加热液化，待温度降到100℃时迅速倒入到前面除过气泡的聚氨酯中并搅拌均匀，放回真空高温箱再抽真空3min，取出后倒入模具中，80℃下固化12h后脱模进行水中测试，通过测试水中电导和发送电压响应曲线来研究匹配层厚度和声阻抗对换能器带宽的影响。换能器的平面结构图如图6.1所示，实物图如图6.2所示。

3.1匹配层厚度对换能器带宽的影响

我们选取铝粉质量分数百分比为45％的匹配层进行厚度实验，厚度选取分别为2.2mm，2.4mm，2.6mm，测得三组振子在空气中的电导曲线如图7.1所示，做成换能器后水中的电导曲线如图7.2所示。

图7.1得出添加不同厚度匹配层的阵子在空气中产生的两个谐振峰频间距相差不大，但是两峰电导值相差比较大。从图7.2可以得出匹配层厚度对换能器水中电导曲线中两个谐振峰影响比较大，在匹配层厚度为2.4mm时水中电导曲线两个谐振峰的电导值比较接近并且能够达到耦合，而此时的厚度为1/4声波波长，当厚度选取2.6mm时，第一个谐振峰电导值比第二个峰电导值小，厚度选取2.2mm时第一个谐振峰电导值又比第二个峰电导值大，两者在水中电导曲线均无法耦合。接下来我们测试这三组换能器水中的发送电压响应，来观察它们的带宽拓展情况，实验测试结果如图8所示。

结果表明当匹配层厚度选取2.4mm(即1/4声波波长)时换能器的发送电压响-3dB处实现了良好耦合，其带宽可达190kHz，而另外两组由于响应起伏太大，在-3dB处均不能产生耦合，无法达到拓展带宽的目的。得出结论：匹配层的厚度选取1/4声波波长时为最佳。事实上，本发明在匹配层的厚度为1/4声波波长±0.2mm时都能取得良好的效果。

3.2匹配层声阻抗对换能器带宽的影响

由以上实验知，当匹配层的厚度为1/4声波波长时，换能器的发送电压响应响应能够良好的耦合，接下来我们研究不同声阻抗下的匹配层对拓展换能器带宽的影响。实验选取四组不同铝粉质量分数百分比的匹配层(即四组不同声阻抗的匹配层)，分别为：10％、30％、45％、60％，厚度均选取1/4声波波长。最终测试出振子在空气中的电导曲线，做成换能器后在水中的电导曲线，水中的发送电压响应曲线分别如图9.1、图9.2、图9.3所示：

如图9.1、图9.2、图9.3的数据显示，匹配层厚度为1/4声波波长时，选取铝粉质量分数百分比为10％的换能器工作频带为230-370KHz，30％的为230-390KHz，45％的为210-400KHz，带内发送电压响应起伏均为-3dB。但是当匹配层选取60％铝粉质量比时，两个谐振峰在空气中的频间距为160KHz，水中的频间距为130KHz，由于间距过大凹谷过深导致水中两个谐振频率无法耦合，发送电压响应起伏较大无法起到拓展带宽的作用。结果表明，匹配层厚度选取1/4声波波长时，随着匹配层声阻抗的增加，换能器带宽的拓展程度也不断增加，当声阻抗达到一定值后，带宽拓展达到极限，继续增加声阻抗将无法起到进一步拓展带宽的作用。

最终选取的最佳匹配层是铝粉质量分数百分比为45％，厚度选取2.4mm，做成换能器测得最大发送电压响应为161dB，工作频带为210kHz～400kHz，带内发送电压响应起伏为-3dB。

根据以上说明可知，用铝粉做为填充物的匹配层能够很好的拓展高频换能器的带宽，换能器的带宽主要受匹配层的厚度和声阻抗两个因素的影响。匹配层的最佳厚度应选取1/4声波波长，此时两个谐振峰水中电导值刚好相等，当不同声阻抗匹配层选取最佳厚度后，随着声阻抗的增大，两个谐振峰频间距也会增大，带宽也不断增大，当实验匹配层声阻抗达到45％铝粉质量百分比对应的声阻抗时，匹配效果达到最佳，此时带宽拓展效果也最佳，继续增加匹配层声阻抗，由于响应起伏较大，凹谷较深，不能起到继续拓展带宽的作用。

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 (9)

1.一种带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于，包括一压电复合材料层以及贴覆该压电复合材料层的匹配层；所述匹配层包含铝粉；所述压电复合材料层和所述匹配层的两个谐振频率相互靠近并耦合。

2.如权利要求1所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于：通过调节所述匹配层的厚度和声阻抗，使两个谐振频率相互靠近并耦合。

3.如权利要求1或2所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于：所述匹配层的厚度为1/4声波波长±0.2mm，所述匹配层中铝粉的质量分数为30％～45％。

4.如权利要求3所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于：所述匹配层的厚度为1/4声波波长，所述匹配层中铝粉的质量分数为45％。

5.如权利要求4所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于：最大发送电压响应为161dB，工作频带为210kHz～400kHz，带内发送电压响应起伏为-3dB。

6.如权利要求1所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于：所述匹配层还包含环氧树脂、韧化剂和固化剂，其中铝粉作为填料，环氧树脂、韧化剂、固化剂作为基体。

7.如权利要求1所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于：所述压电复合材料层采用1-3型压电陶瓷复合材料。

8.如权利要求1所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于：还包括包覆在压电复合材料层和匹配层外面的防水透声层。

9.如权利要求8所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于：所述防水透声层含有聚氨酯和硫化剂，聚氨酯和硫化剂的质量比为10：1。