CN107580274A - 镶拼弯曲圆盘水声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种镶拼弯曲圆盘水声换能器，包括金属中心体、绝缘陶瓷片和镶拼压电陶瓷圆环，所述金属中心体包括两个纵截面均是U型结构的金属圆盘，且两个金属圆盘相对设置并粘结在一起，两个金属圆盘之间形成圆柱形空腔，绝缘陶瓷片有两个且分别设置在两金属圆盘的外端面上，镶拼压电陶瓷圆环也有两个且分别设置在两个绝缘陶瓷片的外端面上。本发明的水声换能器具有低频、发射电压响应高、结构简单、重量轻等特点，可应用于吊放声纳、声纳浮标、水声对抗装置等领域。本发明克服了传统弯曲式换能器发射电压响应不高的缺点，采用镶拼式压电陶瓷圆环作为驱动元件，可以提高水声换能器的发射电压响应。

Description

镶拼弯曲圆盘水声换能器

技术领域

本发明涉及一种换能器，尤其涉及一种镶拼弯曲圆盘水声换能器，属于水声换能器技术领域。

背景技术

声波是人类迄今为止已知的唯一能在海水中远距离传播的能量载体。作为能够发射声波的水声换能器，无论是在民用领域，如海洋地质地貌探测、海底资源开发等，还是在军事领域，如潜艇探测、水声通信等，都具有十分重要的应用价值。

水声换能器向着低频方向发展，作为能够在小体积下产生低频声波的弯曲圆盘水声换能器，由于其低频、小体积、结构相对简单的特点，在航空吊放声纳、声纳浮标中得到使用。目前弯曲圆盘水声换能器采用厚度极化的压电陶瓷圆形片与金属圆盘构成“双叠片”或者是“三叠片”结构，利用施加钳定或者是简支结构实现弯曲振动，达到发射低频声波的目的。传统的“双叠片”与“三叠片”弯曲式水声换能器存在一定的缺点。首先是采用厚度极化的压电陶瓷片作为驱动元件，应用的是陶瓷相对较小的d31压电常数，限制了弯曲式水声换能器的辐射能力；其次是谐振状态下的大功率发射容易造成弯曲式换能器振动最大处的陶瓷应力过大，降低弯曲式换能器的可靠性；并且传统弯曲式换能器的简支等附加结构不利于换能器耐压性能的提高。因此，需要开发新型的弯曲式水声换能器，能够实现低频、大功率发射，并且具有良好的耐压能力。

专利号：US8169126B2的美国专利为多个由弯曲圆盘换能器组成的鼓形振动单元串联形成的的低频水声换能器。专利号：US20080079332A1的美国专利为多个相同的弯曲圆盘换能器在同一平面上排布成阵，从而实现降低工作频率与提高发射电压响应的目的。

本发明与上述两个专利的不同之处在于，本发明的金属圆盘是由两个“U”形的金属圆盘同轴粘接而成，上述两个专利的金属圆盘部分则是由一个金属圆环与两块圆形金属板粘接而成；上述两个专利中使用的压电陶瓷均是厚度极化的圆形压电陶瓷片，在本发明中，压电陶瓷圆环是由切向极化的梯形陶瓷条与电极片拼接而成；此外，本发明中的镶拼压电陶瓷环与金属圆盘之间粘接的未极化的压电陶瓷环使两者处于绝缘状态，而在上述两个专利中，压电陶瓷与金属圆盘之间是电学连通的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有弯曲式水声换能器的不足，解决弯曲式水声换能器发射响应低的问题而提供一种镶拼弯曲圆盘水声换能器，在保持了弯曲式换能器能够以小体积实现低频发射特点的基础上，提高换能器的发射响应，可靠性与耐静水压能力等。

本发明的目的是这样实现的：包括金属中心体、绝缘陶瓷片和镶拼压电陶瓷圆环，所述金属中心体包括两个纵截面均是U型结构的金属圆盘，且两个金属圆盘相对设置并粘结在一起，两个金属圆盘之间形成圆柱形空腔，绝缘陶瓷片有两个且分别设置在两金属圆盘的外端面上，镶拼压电陶瓷圆环也有两个且分别设置在两个绝缘陶瓷片的外端面上。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述镶拼压电陶瓷圆环是由n片梯形压电陶瓷条、以及设置在相邻两片梯形压电陶瓷件的铜电极组成的圆环结构，且n为偶数，每个梯形压电陶瓷条沿切向极化，且相邻的两片梯形压电陶瓷条的极化方向相反，每个铜电极的端部还设置有导线孔。

2.所述导线孔交错设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一种采用镶拼压电陶瓷环与金属空腔圆盘实现弯曲振动的圆盘形水声换能器。该水声换能器具有低频、发射电压响应高、结构简单、重量轻等特点，可应用于吊放声纳、声纳浮标、水声对抗装置等领域。本发明克服了传统弯曲式换能器发射电压响应不高的缺点，采用镶拼式压电陶瓷圆环作为驱动元件，可以提高水声换能器的发射电压响应。

本发明也克服了传统弯曲圆盘换能器在大功率谐振发射时，圆盘中心点应力过大导致换能器可靠性不高的缺点。本发明中的压电圆盘采用环形结构，避免了振动圆盘中心位置的应力集中，因此可以对换能器施加大驱动电压，提高了换能器的最大声源级，同时提高了换能器的可靠性。

本发明同时还克服了传统弯曲式换能器固有的夹持与简支结构复杂的缺点，采用空腔金属圆盘结构可以简化换能器的结构，降低了换能器制作的复杂程度。

附图说明

图1是本发明换能器结构的主视剖面示意图；

图2a是换能器金属中心体装配部件图；

图2b是换能器金属中心体示意图；

图3是换能器局部剖视图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图3，本发明的镶拼弯曲换能器，主要包括金属中心体1、绝缘陶瓷圆片2、镶拼陶瓷圆环3等结构。其镶拼压电陶瓷圆环由铜电极片4与梯形陶瓷条5构成，具体说是镶拼陶瓷圆环由切向极化的梯形陶瓷条与铜电极在圆周方向通过环氧树脂拼接而成。导线通过铜电极4上的导线孔6使梯形压电陶瓷条5在电路上形成并联结构。

金属空腔中心体1由两个采用7075T6铝合金材质，横截面为U型的金属圆盘1a、1b组合而成，从而形成内部圆柱形空气腔。金属中心体内具有圆柱型空腔，金属圆盘上下两个端面连接绝缘陶瓷片，绝缘陶瓷片连接镶拼陶瓷圆环形成整体结构。在镶拼陶瓷圆环与金属中心体的共同作用下实现弯曲振动，达到低频全空间辐射性能。

绝缘陶瓷片2绝缘陶瓷片2采用未极化的压电陶瓷研磨而成，绝缘陶瓷片2为环形，一侧连接金属中心体1、一侧连接镶拼压电陶瓷圆环3。绝缘陶瓷片2采用未极化的PZT-4压电陶瓷加工而成。由于圆片未极化且表面无银电极，因此具有良好的绝缘性能；绝缘陶瓷片的材质与镶拼压电陶瓷圆环的材质一致保证了粘接的效果。

镶拼陶瓷圆环3由n片(n由圆环半径和梯形条尺寸决定，其中n必须为偶数)梯形PZT-4型压电陶瓷条5与铜电极4粘接而成。梯形压电陶瓷条5沿切向极化，每相邻的两条压电陶瓷条的极化方向相反。陶瓷条之间设置铜电极片4，在电路上采用并联连接。构成完整的镶拼陶瓷圆环。陶瓷在电路上采用并联结构，构成完整的镶拼陶瓷圆环。

电极的导线孔6位于镶拼压电陶瓷圆环3的外侧，也即铜金属电极4具有导线孔6，经过计算好长度的导线穿过铜电极4的导线孔6，在导线孔6的两侧分别采用焊锡融化固定导线，相邻两片铜电极的导线连接孔位置不同，具体说是相邻两片电极的导线孔呈交错排布，上层导线孔安装镶拼压电陶瓷圆环正极导线，下层导线孔安装镶拼压电陶瓷圆环负极导线。将U型金属圆盘1a，1b的圆环型表面进行粘接；在保证1a与1b同轴的条件下，最终形成含有空气腔的金属圆盘1。将绝缘陶瓷片2与金属圆盘空腔1的圆盘表面采用环氧树脂进行粘接，保证同轴度，在粘接完成一个绝缘片待粘接环氧树脂固化后将金属圆盘1进行翻转，在另一个圆盘面上使用相同的技术粘接另外一片绝缘陶瓷片2。在绝缘陶瓷片2上采用环氧树脂粘接镶拼压电陶瓷圆环3。粘接完成后从处于同一平面的电极导线孔6中穿入导线，采用焊接方式使导线与铜电极片4连接。

镶拼弯曲圆盘水声换能器制作的基本步骤为：

1、将U型金属圆盘1a，1b的圆环形表面进行磨砂处理，采用环氧树脂对两个表面进行粘接；在保证1a与1b同轴的条件下，在粘接固化过程中对1a与1b的两个相对圆盘表面施加静压力，保证粘接的强度，最终形成含有空气腔的金属圆盘1。

2、将绝缘陶瓷片2与金属圆盘空腔1的圆盘表面用环氧树脂进行粘接，保证同轴度。在粘接完成一个绝缘片并完全固化后将金属圆盘1进行翻转，在另一个圆盘面上使用相同的技术粘接另外一片绝缘陶瓷。

3、在陶瓷片上采用环氧粘接镶拼压电陶瓷圆环。粘接完成后从处于同一平面的电极导线孔中穿入导线，采用焊接方式使导线与电极片连接。

换能器在水中工作时，对镶拼陶瓷圆环1施加交变电场，在交变电场的激励下，镶拼陶瓷圆环与金属圆盘共同作用发生弯曲往复振动；当交变信号频率达到弯曲振动谐振频率时，水中的频响曲线出现最大值。

同时，由于换能器圆盘具有上下两个辐射面结构形式，且换能器的最大线性尺寸远小于波长，因此实现了换能器全空间辐射特性。

Claims (3)

1.镶拼弯曲圆盘水声换能器，包括金属中心体、绝缘陶瓷片和镶拼压电陶瓷圆环，其特征是：所述金属中心体包括两个纵截面均是U型结构的金属圆盘，且两个金属圆盘相对设置并粘结在一起，两个金属圆盘之间形成圆柱形空腔，绝缘陶瓷片有两个且分别设置在两金属圆盘的外端面上，镶拼压电陶瓷圆环也有两个且分别设置在两个绝缘陶瓷片的外端面上。

2.根据权利要求1所述的镶拼弯曲圆盘水声换能器，其特征是：所述镶拼压电陶瓷圆环是由n片梯形压电陶瓷条、以及设置在相邻两片梯形压电陶瓷件的铜电极组成的圆环结构，且n为偶数，每个梯形压电陶瓷条沿切向极化，且相邻的两片梯形压电陶瓷条的极化方向相反，每个铜电极的端部还设置有导线孔。

3.根据权利要求2所述的镶拼弯曲圆盘水声换能器，其特征是：所述导线孔交错设置。