CN106954120B - 一种基于压电单晶材料的低频大功率发射换能器实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于换能器技术领域，具体涉及一种基于压电单晶材料的低频大功率发射换能器实现方法，本发明采用单晶材料作为换能器的有源材料，采用聚碳酸酯加工成“田”字形的定位框架，用4块小单晶片按同一极性嵌入定位框架中，组成一块大的压电单晶片，用多块大压电单晶片的按传统方式串接电极片组装成单晶堆，所有正极用一根导线引出，负极用另一根导线引出，通过小块拼装的方式得到大块的压电单晶材料。本发明有益的效果：考虑晶堆的负载平衡和最佳工作点的选取，在低频有效的提高了换能器的发送电压响应，该换能器具有体积小、频率低、功率大的优点。

Description

一种基于压电单晶材料的低频大功率发射换能器实现方法
技术领域
本发明属于换能器技术领域，尤其涉及一种基于压电单晶材料的低频大功率发射换能器实现方法。
背景技术
目前声纳技术仍是进行水下目标(潜艇、鱼雷和水雷等)远距离探测的主要手段。随着潜艇声隐身技术的发展，传统的被动声纳探测方法遇到了很大的困难，低频主动声纳日益成为水下远程目标探测的主要手段之一。为了提高声纳的作用距离，就需要降低声纳的工作频率，提高辐射声功率。
换能器在谐振频率下辐射的声功率可写为其中ηea为电声转化效率，ωr为机械角频率，Qm为机械品质因数，ke为换能器有效耦合系数，Cf为自由电容量，V为激励电压。从公式中看出频率越低，功率容量越小，但提高换能器的有效耦合系数和自由电容量，可以增加换能器的辐射声功率。因此有必要采用新型有源材料来设计低频大功率换能器。与PZT相比，单晶材料具有高的压电系数、高的介电系数、高的柔顺系数、导致其具有高的耦合系数，低的声速、大的相对形变，因此非常适合用来做宽带大功率发射换能器。
尽管单晶材料具有一系列优势，但并不能简单的用单晶材料直接替换陶瓷材料就能取得好的效果，而必须根据单晶材料的特点进行优化设计，比如最佳工作点的选取、晶堆的负载平衡等都需要仔细考虑。另外，低频换能器尺寸一般较大，因此有源部分的压电材料尺寸也较大。目前由于无法生产大片的压电单晶材料，因此必须采用小块拼装的方式得到大块的压电单晶材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于压电单晶材料的低频大功率发射换能器实现方法，利用单晶材料进一步提高发射换能器的功率，提供一种新的低频大功率换能器的实现方法，具有体积小、频率低、功率大的优点。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种基于压电单晶材料的低频大功率发射换能器实现方法，所述的换能器主要由单晶堆、端块、弯张壳体、上盖板和下盖板组成，具体包括以下步骤：
步骤一：采用聚碳酸酯加工成“田”字形的定位框架，用4块小单晶片按同一极性嵌入定位框架中，组成一块大的压电单晶片，用多块大压电单晶片的按传统方式串接电极片组装成单晶堆，所有正极用一根导线引出，负极用另一根导线引出，按同样的方式完成第2个单晶堆的制作；
步骤二：通过两个端块把两个单晶堆并联装配在一起，并通过每个端块上两个与压电单晶片面积相等的凹槽来定位这两个单晶堆，使两个单晶堆保持平行；
步骤三：对弯张壳体的短轴施加一定压力，使壳体产生变形，直至长轴内径大于两个端块之间的距离，把两个单晶堆与两个端块一同装入弯张壳体内，然后卸去施加在弯张壳体短轴上的压力，使弯张壳体夹紧两个端块及两个单晶堆；
步骤四：将两个单晶堆的正极与正极相联，负极与负极相联，最后连接在水密接插件的正负极上；
步骤五：采用上盖板和下盖板对弯张壳体进行密封，上盖板、下盖板与弯张壳体之间均采用软木橡胶去耦；上盖板中心位置处装有水密接插件，用来引出换能器的正负极，上盖板和下盖板之间采用4个固定螺杆固定，使换能器成为一个整体。
步骤六：采用整体灌注聚氨酯的方式对换能器进行水密处理，在弯张壳体外形成聚氨酯水密层。
更进一步的，所述的定位框架边框宽1mm，厚度低于单晶片的厚度。
本发明的有益效果为：工作频率低、体积小、重量轻、功率大。
附图说明
图1换能器结构示意图；
图2单晶堆结构示意图；
图3换能器发射电压响应示意图；
图4换能器水平指向性示意图。
附图标记说明：1－弯张壳体、2－端块、3－单晶堆、4－下盖板、5－软木橡胶、6－水密接插件、7－固定螺杆、8-聚氨酯水密层，9－压电单晶片，10－定位框架、11－电极片、12-上盖板。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
参见图1，为采用本发明实现的一种基于压电单晶材料的低频大功率Ⅳ型弯张换能器，其采用聚碳酸酯作为定位框架，45#钢作为端块，硬铝合金作为壳体，不锈钢作为盖板。
参见图2，为采用本发明实现的压电单晶堆，其采用三元系(PIN-PMN-PT)弛豫铁电单晶材料为压电单晶片，聚碳酸酯作为定位框架，铍青铜作为电极片。
本发明所述的这种基于压电单晶材料的低频大功率发射换能器实现方法，所述的换能器主要由单晶堆3、端块2、弯张壳体1、上盖板12和下盖板4组成，具体包括以下步骤：
步骤一：采用聚碳酸酯加工成“田”字形的定位框架10，用4块小单晶片按同一极性嵌入定位框架10中，组成一块大的压电单晶片9，所述的定位框架10边框宽1mm，厚度等于单晶片的厚度。用多块大压电单晶片9的按传统方式串接电极片11组装成单晶堆3，所有正极用一根导线引出，负极用另一根导线引出，按同样的方式完成第2个单晶堆3的制作；
步骤二：通过两个端块2把两个单晶堆3并联装配在一起，并通过每个端块2上两个与压电单晶片9面积相等的凹槽来定位这两个单晶堆3，使两个单晶堆3保持平行；
步骤三：对弯张壳体1的短轴施加一定压力，使壳体产生变形，直至长轴内径大于两个端块2之间的距离，把两个单晶堆3与两个端块2一同装入弯张壳体1内，然后卸去施加在弯张壳体1短轴上的压力，使弯张壳体1夹紧两个端块2及两个单晶堆3；
步骤四：将两个单晶堆3的正极与正极相联，负极与负极相联，最后连接在水密接插件6的正负极上；
步骤五：采用上盖板12和下盖板4对弯张壳体1进行密封，上盖板12、下盖板4与弯张壳体1之间均采用软木橡胶5去耦；上盖板12中心位置处装有水密接插件6，用来引出换能器的正负极，上盖板12和下盖板4之间采用4个固定螺杆7固定，使换能器成为一个整体。
步骤六：采用整体灌注聚氨酯的方式对换能器进行水密处理，在弯张壳体1外形成聚氨酯水密层8。
本实施例中换能器采用256块单晶片，每块单晶片的长宽高尺寸为20mm×20mm×4mm。定位框架长宽高尺寸为43mm×43mm×4mm。电极片长宽高尺寸为43mm×43mm×0.2mm。端块长宽高尺寸为140mm×45mm×10mm。两个单晶堆间距为50mm。壳体长宽高尺寸为230mm×100mm×140mm。整个换能器长宽高分别为240×110mm×160mm，重10公斤。
图3为该实施例实测的发射电压响应，可以看出最大发射电压响应接近150dB。
图4为该实施例实测的1500Hz处水平指向性，可以看出非常接近一个圆。
以上对本发明的描述不具有限制性，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明权利要求的保护的情况，作出本发明的其它结构变形和实施方式，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于压电单晶材料的低频大功率发射换能器实现方法，其特征在于：所述的换能器主要由单晶堆(3)、端块(2)、弯张壳体(1)、上盖板(12)和下盖板(4)组成，具体包括以下步骤：
步骤一：采用聚碳酸酯加工成“田”字形的定位框架(10)，用4块小单晶片按同一极性嵌入定位框架(10)中，组成一块大的压电单晶片(9)，用多块大压电单晶片(9)的按传统方式串接电极片(11)组装成单晶堆(3)，所有正极用一根导线引出，负极用另一根导线引出，按同样的方式完成第2个单晶堆(3)的制作；
步骤二：通过两个端块(2)把两个单晶堆(3)并联装配在一起，并通过每个端块(2)上两个与压电单晶片(9)面积相等的凹槽来定位这两个单晶堆(3)，使两个单晶堆(3)保持平行；
步骤三：对弯张壳体(1)的短轴施加一定压力，使壳体产生变形，直至长轴内径大于两个端块(2)之间的距离，把两个单晶堆(3)与两个端块(2)一同装入弯张壳体(1)内，然后卸去施加在弯张壳体(1)短轴上的压力，使弯张壳体(1)夹紧两个端块(2)及两个单晶堆(3)；
步骤四：将两个单晶堆(3)的正极与正极相联，负极与负极相联，最后连接在水密接插件(6)的正负极上；
步骤五：采用上盖板(12)和下盖板(4)对弯张壳体(1)进行密封，上盖板(12)、下盖板(4)与弯张壳体(1)之间均采用软木橡胶(5)去耦；上盖板(12)中心位置处装有水密接插件(6)，用来引出换能器的正负极，上盖板(12)和下盖板(4)之间采用4个固定螺杆(7)固定，使换能器成为一个整体；
步骤六：采用整体灌注聚氨酯的方式对换能器进行水密处理，在弯张壳体(1)外形成聚氨酯水密层(8)。
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