CN108054275B - 一种非等厚匹配层压电振子及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非等厚匹配层压电振子及其制备方法。该非等厚匹配层压电振子包括压电材料以及覆在所述压电材料表面的非等厚匹配层。压电材料表面为平面或曲面，压电材料表面的不同位置处的匹配层厚度呈连续变化。非等厚匹配层的厚度优选为0.8λ/4～1.2λ/4。该制备方法包括：将压电材料置于非等厚灌注模具内；在非等厚灌注模具内灌注匹配层材料；灌注的匹配层材料固化成型并脱模，得到非等厚匹配层压电振子。本发明弥补了现有等厚度匹配层的换能器发射电压响应起伏较大的缺陷，能够实现换能器带宽的扩展及减小发射电压响应起伏。

Description

一种非等厚匹配层压电振子及其制备方法

技术领域

本发明属于水声探测技术领域，具体涉及一种非等厚匹配层压电振子及其制备方法，将其应用于换能器中实现发射和接收水声信号从而实现水中探测。

背景技术

众所周知声波是开发利用海洋资源的重要手段，这是因为声波在水中的传播距离较光、电磁波等远得多。人们利用声波这种信息载体研制了对水下目标实现探测、定位、识别和通信的电子设备—声纳。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的重要器件被称为声纳换能器，也叫水声换能器，它是将电信号与水声信号进行相互转换的器件，是水下通信导航、水产渔业、海洋资源开发、海洋地质地貌探测等领域应用的重要器件。换能器通常由压电振子及其支撑结构、防水透声壳层、电缆等组成。其中压电振子的性能决定了换能器的总体性能，因此压电振子的设计结构在换能器的研制中致关重要。

在换能器的发展进程中，宽带换能器近年来成为了国内外研究的重要方向。相对于窄带换能器，宽带换能器有诸多优势。第一，宽带换能器在传输中更能保持信号的完整性和准确性，可以不失真的传输信号，而窄带换能器的信号波形容易畸变；第二，宽带换能器能够提高通讯的可靠性和保密性、降低误码率。例如，在军事领域多频声制导鱼雷与单频声制导鱼雷相比，不仅提高了抗干扰能力,也大大提高了命中率。用宽带合成孔径声纳，可以提高测绘速率，在一定程度上也可减少运动误差带来的影响。在民用领域，宽带换能器被广泛应用于医疗超声，受到医学界普遍重视和欢迎。

针对这些迫切需求，国内外都大力加强了新型宽带换能器的研究，并取得了显著成效，形成了两种拓展带宽方法：一种是降低敏感材料本身的机械品质因数(Q_m值)来拓展带宽；另一种是利用多模态耦合来拓展带宽。但是，降低材料本身的机械品质因数会导致换能器的灵敏度降低，因此通过降低Q_m值来拓展带宽的能力有限。多模耦合是进一步扩展带宽的有效方法，一种具体的实现方法是添加匹配层。匹配层技术是在换能器压电材料的声辐射面与水介质之间增加一层特性阻抗介于压电材料和水之间的材料，使得压电元件产生的振动波通过匹配层最大限度的传送到水中，此外匹配层还应兼有拓展换能器带宽，以及抑制换能器发送电压响应在工作频带和波束开角内的起伏的功效。匹配层有两方面的作用：其一是提高声能透过率，其二是用它被覆在压电材料表面以产生双模振动，通过双频谐振的耦合来拓宽换能器工作频带。

1、高频匹配层陶瓷换能器。中国科学院声学所东海研究站的童晖等人(童晖,周益明,王佳麟,等.高频宽带换能器研究[J].声学技术,2013(6):524-527.)利用等效电路法分析高频匹配层换能器，其次通过Matlab仿真分析了匹配层材料的密度、声速、厚度变化对换能器电声参数性能的影响，进而对其电声性能进行优化设计，最终制作出一个直径55mm、总厚度为 7.72mm的高频宽带换能器。通过实验测得结果与仿真结果基本一致，实验测得换能器的最大发送电压响应为178dB，工作频带为260～370kHz，带内发送电压响应起伏为3dB，300kHz 时换能器指向性-3dB开角为6.5°。

2、高频宽带圆柱换能器。第七一五研究所的钟琴琴等人(钟琴琴,唐义政,唐军,仲林建. 一种高频宽带大尺寸的圆柱换能器的设计方法[J].声学与电子工程,2012,(02):19-21.)利用拼接陶瓷颗粒并采用匹配层的技术方法，制备了收发共用型高频宽带大尺寸圆柱换能器。其工作频率范围在100kHz±30kHz，发射响应值大于145dB，80kHz水平指向性起伏小于3dB，但90kHz水平指向性起伏超出3dB。

3、匹配层三谐振宽带换能器。第七一五研究所赵双等人(赵双,董铭锋,唐义政.匹配层三谐振宽带换能器设计[J].声学与电子工程,2015(3):17-19.)用有限元软件ANSYS设计了一款低频宽带换能器，通过仿真优化，调整压电陶瓷和匹配层厚度，实现单个换能器12～41kHz 发射响应>134dB，频带内响应起伏<±4dB，发射声源>190dB，20kHz和30kHz指向性开角<80°，仿真与实测结果基本吻合。

4、多谐振宽带复合棒声学换能器。第705研究所田丰华等人(田丰华,宋哲.一种多谐振宽带复合棒声学换能器的设计与性能分析[J].鱼雷技术,2016,24(6):412-416.)利用了匹配层、双激励、弯曲振动、中间质量块开槽等拓展带宽的方法,设计了一种新型多谐振宽带复合棒声学换能器。利用有限元方法对该换能器进行了模态分析,研究了匹配层厚度、中间质量块尺寸对其发射性能的影响。通过试验验证,得到该换能器工作带宽12kHz～42kHz,发送电压响应大于140dB,频带内发送电压响应起伏小于6dB。带宽内–3dB波束宽度大于38°。

综上，当前带匹配层的换能器均采用压电材料表面贴敷等厚匹配层制作压电振子，其示意如图1和图2所示。虽然该设计显著增加了换能器的工作频带，但工作频带内和波束开角内的发送电压响起伏相对较大，限制了频带和波束开角的进一步拓展。

发明内容

针对上述问题，为了同时增大压电换能器的带宽和抑制换能器发送电压响应的起伏，本发明提出了一种非等厚匹配层压电振子，并开发了这种压电振子的制备方法，不仅实现了换能器的频带扩展，并且能抑制发送电压响应的起伏。

本发明采用的技术方案如下：

一种非等厚匹配层压电振子，包括压电材料以及覆在所述压电材料表面的非等厚匹配层。

进一步地，所述压电材料表面为平面或曲面，所述压电材料表面的不同位置处的匹配层厚度呈连续变化。

进一步地，所述非等厚匹配层的厚度为0.8λ/4～1.2λ/4，其中线位置的厚度为0.8λ/4，向两端增加至1.2λ/4。

进一步地，所述压电材料为压电陶瓷、压电复合材料、或压电单晶。

进一步地，所述非等厚匹配层的材料组成通过匹配层的声阻抗计算公式确定，所述计算公式包括：

公式1：

公式2：Z_匹配层＝ρc，

其中，Z_匹配层、Z_压电材料和Z_负载分别为匹配层、压电材料和负载的特性阻抗，c为声音在介质中的传播速度，ρ为介质密度；公式1用于计算非等厚匹配层的特性阻抗，公式2用于设计非等厚匹配层材料组成，使其密度与声速的乘积满足公式2。

进一步地，所述非等厚匹配层由环氧树脂添加铝粉配制而成。

一种非等厚匹配层压电振子的制备方法，包括以下步骤：

1)将压电材料置于非等厚灌注模具内；

2)在非等厚灌注模具内灌注匹配层材料；

3)灌注的匹配层材料固化成型并脱模，得到非等厚匹配层压电振子。

进一步地，所述匹配层材料为由环氧树脂添加铝粉配制而成。

本发明的有益效果如下：

本发明能够设计和制备非等厚匹配层压电振子，弥补了现有等厚度匹配层的换能器发射电压响应起伏较大的缺陷，最终能够实现换能器带宽的扩展及减小发射电压响应起伏。

附图说明

图1是带等厚匹配层平面压电振子示意图，其中(a)图为压电陶瓷振子，(b)图为压电复合材料振子。

图2是带等厚匹配层曲面压电振子示意图，其中(a)图为压电陶瓷弧面振子，(b)图为压电复合材料柱面振子。

图3是非等厚匹配层压电振子的制备方法流程图。

图4是弧形非等厚匹配层压电振子示意图。

图5是非等厚匹配层示意图。

图6是非等厚匹配层压电振子制备工艺流程图。

图7是曲面压电振子的振动辐射面的示意图。

图8是曲面压电振子发送电压响应计算模型示意图。

图9是压电振子发送电压响应随频率的变化曲线。

图10是等厚匹配层和非等厚匹配层换能器的水平指向性计算曲线。

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。

为实现利用匹配层拓展带宽并抑制发送电压响应在频带内的起伏，本发明突破传统等厚匹配层的设计理念，提出非等厚匹配层的设计，即在λ/4的基础上微调匹配层厚度，使平面或曲面上不同位置处的匹配层厚度呈连续变化，这样既能使敏感元件产生双谐振动耦合拓展带宽，又能减小元件振动辐射的声压波动，从而降低换能器发送电压响应在频带内和波束开角内的起伏。

图3是非等厚匹配层压电振子的制备方法流程图，其步骤包括：1)匹配层声阻抗及厚度设计；2)非等厚匹配层灌注模具设计加工；3)压电材料表面清洁；4)使用环氧树脂和铝粉制备匹配层混合液；5)匹配层混合液真空除泡；6)将压电材料置于匹配层灌注模具内，灌注匹配层；7)匹配层固化成型；8)曲面复合材料敏感元件成型。

本实施例以弧面压电振子为例进行具体说明，其结构包括弧曲面(见图4)(也可是平面) 压电复合材料(也可是压电陶瓷)及非等厚匹配层。匹配层的材料组成通过匹配层的声阻抗设计，由匹配层最大透声的声阻抗计算公式(1)和(2)计算获得匹配层的材料的密度和声速，据此设计匹配层的材料组份。

Z_匹配层＝ρc (2)

式中Z_匹配层、Z_压电材料和Z_负载分别为匹配层、压电材料和负载的特性阻抗，c为声音在介质中的传播速度(m/s)，ρ为介质密度(kg/m³)。通过(1)式计算匹配层的特性阻抗，由(2)式设计材料组成，使其密度与声速的乘积满足(2)式。针对压电复合材料，本实施例的匹配层选用环氧树脂添加铝粉配制，环氧树脂的阻抗较低，通过调控铝粉的添加比例可控制匹配层的阻抗接近(2)式计算值。

现有的等厚匹配层的厚度通常取λ/4以保证声波最大限度透射穿过匹配层(λ为声波在匹配层中波长)，本实施例中匹配层的厚度选取0.8λ/4～1.2λ/4，圆弧曲面中线(中心母线) 厚度为0.8λ/4，沿周向两端线性增加至1.2λ/4，如图5所示。

匹配层的制备采用注模工艺成型，如图6所示，首先将清洗后的压电复合材料装入非等厚灌注模具中，将配制好的“环氧树脂+铝粉”混合液沿注胶孔缓慢注入模具，固化树脂后脱模，制成带非等厚匹配层压电振子。

为验证非等厚匹配层具有扩展振子的频带宽度及减小发射电压响应起伏的功效，本发明通过计算压电振子的发送电压响应及指向性函数，观察非等厚匹配层对换能器性能的影响。如图7和图8所示，压电振子的复合材料的振动带动匹配层向外辐射声波，为计算换能器的发送电压响应及指向性函数，将振子的振动辐射面视为曲面，辐射面振动产生的声波沿径向向外辐射，曲面的圆心与坐标原点重合，坐标平面xoy及yoz分别为曲面水平及垂直方向的中垂面，x轴为声轴方向。曲面压电振子的半径为r₀，水平方向圆心角

垂直方向圆心角为θ₀(如图7所示)。设ds为曲面上任一面元，面元在oxy平面内的投影与x轴的夹角为

与z轴的夹角为θ。为方便计算，设声远场区域一点M在坐标平面xoy内，且点M到圆心的距离为r，点M到面元的距离为h，与x轴的夹角为α(即M点的方位角)，如图8所示。

根据点源声场辐射叠加原理，可得到换能器振子在声远场区域一点产生的辐射声压为

式中u_a为曲面上一点的振速，j为虚数单位，k为波数，ω为角频率，t为时间，ρ₀为介质密度，c₀为介质声速，由于匹配层为非等厚结构，根据压电元件的振动理论可知不同位置(不同

θ)处的振速u_a不同，即u_a是

θ的函数，写为

不同位置处的u_a可通过换能器的机电等效电路获得。将声压p带入下式即可得到换能器振子的发送电压响应：

式中V为换能器振子正负极所加的电压。

由(4)式计算不同驱动频率电压的发送电压响应，得到发送电压响应随频率的变化曲线，见图9。由图9可以明显看出，振子的响应频谱出现了双谐振峰，说明添加匹配层后压电振子产生双谐振动，合理调节匹配层厚度可使双谐振动耦合，从而实现换能器带宽的扩展。此外通过匹配层的非等厚设计，换能器的发送电压响应起伏较等厚匹配层的得到显著抑制，其在250kHz～350kHz内的起伏在2dB以内，而等厚匹配层在此频带内的起伏接近3dB。

根据换能器指向性函数的定义，利用声压方程即(3)式可导出换能器的水平指向性函数，如(5)式：

通过类似的推导，可得换能器的垂直指向性函数(6)式：

上面两式中α_m为发送电压响应的最大方向。

实际上指向性函数就是归一化的换能器辐射声压(发送电压响应)随方位角α变化的曲线。由指向性函数绘制出指向性曲线即可得到换能器的波束开角及波束开角内的起伏。

图10为等厚匹配层和非等厚匹配层换能器的水平指向性计算曲线。该图中的0°方向与图8中的声轴(x轴)方向一致。由图10可以看出：在发送电压响应下降-6dB(即指向性曲线由1下降至0.5范围内，非等厚匹配层波束开角内的起伏要明显小于等厚匹配层，说明非等厚匹配层的设计可以有效抑制换能器指向性起伏。换能器在垂直方向波束起伏与图10显示的规律类似。

综合发送电压响应在频带内的起伏(图9)及波束开角内的起伏(图10)，可以看出，非等厚匹配层的设计既可以实现带宽的拓展，又能够降低换能器在工作频带内的起伏和波束开角内的起伏。经模拟计算得出：非等厚匹配层厚度在0.8λ/4～1.1λ/4内连续变化时换能器的发送电压响应最佳。

本发明的非等厚匹配层压电振子及其制备方法，其中压电材料涵盖陶瓷、复合材料、单晶等，材料形状包括平面、弧面、圆柱面、球面以及一些不规则的二维曲面。

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 (7)

1.一种具有非等厚匹配层压电振子的水声换能器，其特征在于，包括非等厚匹配层压电振子，所述非等厚匹配层压电振子包括压电材料以及覆在所述压电材料表面的非等厚匹配层；所述非等厚匹配层的厚度为0.8λ/4～1.2λ/4，其中线位置的厚度为0.8λ/4，向两端增加至1.2λ/4；所述压电材料为压电陶瓷、压电复合材料、或压电单晶，其中压电复合材料中的压电小柱的形状相同；所述压电材料为等厚的压电材料；所述压电材料表面为曲面。

2.如权利要求1所述的具有非等厚匹配层压电振子的水声换能器，其特征在于，所述压电材料表面的不同位置处的匹配层厚度呈连续变化。

3.如权利要求1所述的具有非等厚匹配层压电振子的水声换能器，其特征在于，所述非等厚匹配层的材料组成通过匹配层的声阻抗计算公式确定，所述计算公式包括：

公式1：

公式2：Z_匹配层＝ρc，

其中，Z_匹配层、Z_压电材料和Z_负载分别为匹配层、压电材料和负载的特性阻抗，c为声音在介质中的传播速度，ρ为介质密度；公式1用于计算非等厚匹配层的特性阻抗，公式2用于设计非等厚匹配层材料组成，使其密度与声速的乘积满足公式2。

4.如权利要求3所述的具有非等厚匹配层压电振子的水声换能器，其特征在于，所述非等厚匹配层由环氧树脂添加铝粉配制而成。

5.一种权利要求1所述具有非等厚匹配层压电振子的水声换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将压电材料置于非等厚灌注模具内；

2)在非等厚灌注模具内灌注匹配层材料；

3)灌注的匹配层材料固化成型并脱模，得到非等厚匹配层压电振子；

4)利用非等厚匹配层压电振子制备水声换能器。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过匹配层的声阻抗计算公式确定所述匹配层的材料组成，所述计算公式包括：

公式1：

公式2：Z_匹配层＝ρc，

其中，Z_匹配层、Z_压电材料和Z_负载分别为匹配层、压电材料和负载的特性阻抗，c为声音在介质中的传播速度，ρ为介质密度；通过公式1计算非等厚匹配层的特性阻抗，通过公式2设计非等厚匹配层材料组成，使其密度与声速的乘积满足公式2。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述匹配层材料为由环氧树脂添加铝粉配制而成。

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