CN108493328B - 基于剪切振动和弯张振动的压电振子、换能器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于剪切振动和弯张振动的压电振子、弯张换能器及其制作方法。本发明突破传统1‑3型压电复合材料换能器应用d33模态的限制，选用具有更高压电常数和机电耦合系数的d15模态来充当振动元，同时克服d15模态产生剪切振动的弱点，将其剪切振动通过特殊的结构设计转化为弯张外壳上下表面的弯张振动，以此来达到应用剪切振动模态产生横波的目的，并制作低频高功率小尺寸换能器，满足水下远距离通信、探测等需求。在水声领域，该基于剪切振动和弯张振动的压电振子能够提高声呐系统的作用距离以及探测精度，为军事探测、预警、民用航海、捕鱼等提供有效帮助。
Description
技术领域
本发明属于压电换能器技术领域，具体涉及一种基于剪切振动和弯张振动的压电振子、弯张换能器及其制作方法。
背景技术
压电复合材料作为换能器的核心敏感材料经过近半个世纪的快速发展。因其既具有压电相材料的性能又可以通过添加聚合物相来提高材料的综合性能，故在超声无损检测、地质探测、水下声呐等方面有着无可替代的作用。
压电陶瓷的剪切振动模态作为典型振动模态的一种，其极化方向和电场方向垂直分布，在极化方向和电场方向组成的平面内产生剪切形变。对于大多数压电元件，压电陶瓷剪切振动模态的压电系数d15比d33系数高出50-70％，且其频率常数、介电常数都较低。
目前，国内外对于压电材料d15模态有了一部分研究，大部分都是通过结构设计来利用d15独特的剪切形变，且多用于能量收集领域。如美国新泽西州立大学的Ahmad等人设计了一种应用d15模式的压电复合材料，压电陶瓷柱以45度角放置于聚合物中。然而由于其工艺复杂，性能提升不明显，没能得到广泛应用。上海硅酸盐研究所罗豪甦项目组将工作于d15模态的PMNPT单晶应用于俘能器上，通过质量块和悬臂梁的作用，将外界振动转化为压电单晶的切向形变，取得了较高的输出电功率。湘潭大学的郑学军等人将两块工作于d15模态的PZT压电陶瓷串联应用于压电俘能器上，性能得到了进一步提高。巴西圣保罗大学的Trindade等人应用d15模态设计了一种复合材料。该压电材料的压电应变常数d15和介电常数并没有减小，而压电电压常数e15和剪切模量却降低了90％。北京航空航天大学的梁艳等人提出基于d15剪切机电耦合的接触型行波压电微电机，采用单体PZT作为定子，定子在交变电场的作用下产生一阶和二阶的弯曲振动模态，摆动的定子表面产生行波并以顺时针或逆时针的方向摩擦转子使其转动。该结构较同类型产品优势在于小型化，转速高，扭矩大。清华大学的胡军等人应用压电陶瓷的d15模态构成压电圆管，通过剪切振动带动磁性材料旋转形成磁电耦合，较非d15模态的剪切换能器相比能量密度大幅提高，证明其在磁传感器，换能器以及俘能器等方面有较好的应用前景。中南大学冶金国家重点实验室的张窦教授提出剪切压电纤维复合材料(SPFC)的新颖结构，其极化方向是厚度方向，在水平方向交替施加电场。在驱动条件下，SPFC显示出较大的剪切应变。至此，越来越多的科研学者青睐于d15的优良特性，可见，d15剪切振动模态还有着极大的研究价值和广阔的应用前景。
发明内容
为了突破传统1-3型压电复合材料换能器应用d33模态的限制，本发明提供一种基于剪切振动(d15模态)和弯张振动的低频大功率小尺寸换能器及其制作方法，创新性地选用具有更高压电常数和机电耦合系数的d15模态来充当振动元，同时克服d15模态产生剪切振动的弱点，将其剪切振动通过特殊的结构设计转化为弯张外壳上下表面的弯张振动，以此来达到应用剪切振动模态产生横波的目的，并制作低频高功率小尺寸换能器，以满足水下远距离通信、探测等需求。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于剪切振动和弯张振动的压电振子，包括压电材料和被动性材料；所述压电材料包括沿x轴正向极化的压电材料和沿x轴负向极化的压电材料，两种极化方向的压电材料沿x轴方向交替排列；所述压电材料的极化方向与电场方向的夹角为90度；所述被动性材料包括可调预应力机构、振动过渡支架和弯张外壳；所述振动过渡支架置于每两个相邻的压电材料的接缝处的表面；所述弯张外壳与所述振动过渡支架相连，包围所述压电材料；所述可调预应力机构产生拉伸所述弯张外壳的作用，进而通过所述弯张外壳的形变使所述振动过渡支架夹紧所述压电材料，完成预应力施加过程。
一种基于剪切振动和弯张振动的压电振子，包括压电材料和被动性材料；所述压电材料包括电场方向沿x轴正向的压电材料和电场方向沿x轴负向的压电材料，两种电场方向的压电材料沿x轴交替排列；所述压电材料的极化方向与电场方向的夹角为90度；所述被动性材料包括可调预应力机构、振动过渡支架和弯张外壳；所述振动过渡支架置于每两个相邻的压电材料的接缝处的表面；所述弯张外壳与所述振动过渡支架相连，包围所述压电材料；所述可调预应力机构产生拉伸所述弯张外壳的作用，进而通过所述弯张外壳的形变使所述振动过渡支架夹紧所述压电材料，完成预应力施加过程。
进一步地，在所述压电材料的两个垂直于z轴的表面上设置电极。
进一步地，上述压电振子在工作时，其极化方向与电场方向夹角为90度，压电材料在电场激励下产生剪切形变并带动压电材料接缝处的振动过渡支架振动，产生的振动通过振动过渡支架结构传递到弯张外壳上，实现压电材料的剪切振动到振子外壳弯张振动的转化。
进一步地，所述压电振子结构中，可通过调节沿x轴方向预应力机构，以提高压电振子的抗压、抗张强度。
进一步地，所述压电材料可以是压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物、压电复合材料等。
进一步地，所述弯张外壳优选采用轻质金属，如铝、钛、铝合金等，亦可为环氧树脂、酚醛树脂、有机玻璃等。
进一步地，所述弯张外壳的截面为椭圆形，其整体形状可以是椭球形、圆柱形、梯形、抛物线形等。
进一步地，所述压电材料可以继续增加，即可以是多个压电材料小块，不仅限于两个压电材料小块，以满足不同用途的尺寸需要。
进一步地，所述压电振子可通过拼接的方式组合成阵，即压电振子整体构成一个阵元，多个这样的阵元组合成换能器阵列，以满足不同用途的需要。
进一步地，所述可调预应力机构为可调预应力螺钉，其在拧紧时，产生拉伸金属外壳的作用，进而通过外壳的形变使上下两侧过渡支架加紧压电材料，完成预应力施加过程。
一种制备上述基于剪切振动和弯张振动的压电振子的方法，包括以下步骤：
1)将压电材料切割成整齐排列的多个压电材料块；
2)在各压电材料块的两个相对的表面溅射电极；
3)通过机加工的方式加工形成弯张外壳、振动过渡支架和可调预应力机构；
4)将压电材料块按照上述方法中描述的排列方式粘接，并在压电材料块的接缝处与振动过渡支架粘接，再引出电极，构成压电振子。
一种弯张换能器，包括压电振子、防水透声层和输出电缆，所述压电振子采用上面所述的基于剪切振动的压电振子，并通过引线将其中的压电材料与所述输出电缆连接；在所述压电振子外部胶封所述防水透声层。
本发明的有益效果如下：
本发明的基于剪切振动和弯张振动的压电陶瓷，克服了d15模态产生剪切振动的弱点，将其剪切振动通过特殊的结构设计转化为振子外壳上下表面的弯张振动，从而提高了换能器振子的性能，使其具有高的机电耦合系数和高的压电常数，能够用于制备大功率小尺寸水声换能器阵。本发明突破传统1-3型压电复合材料d33模态的局限性，另辟蹊径，使d15模态在换能器振子的使用上成为可能，为新的振子结构研究提供了新思路。在水声领域，该基于剪切振动和弯张振动的压电振子能够提高声呐系统的作用距离以及探测精度，为军事探测、预警，民用航海、捕鱼等提供有效帮助。
附图说明
图1是基于剪切振动和弯张振动的压电振子结构、压电材料极化方向及振动模态示意图。
图2是基于剪切振动的压电材料另一种极化方向的粘接方式示意图。
图3是基于多个压电块的压电振子结构示意图。
图4是基于多个压电振子的换能器阵示意图。
图5是基于剪切振动和弯张振动的压电振子的制备方法流程图。
图6是剪切振动和弯张振动的压电振子的电导、电阻曲线。
图7是应用激光测振仪观察PZT-5H型压电材料粘接后表面剪切振动的振动模态图。
图8是基于剪切振动和弯张振动的压电振子的水声换能器结构图。
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。
1.基于剪切振动的压电振子的结构
本发明的基于剪切振动和弯张振动的压电振子结构由主动性材料即压电材料，以及被动性材料即非压电材料构成。如图1所示，本实施例中该振子由可调预应力螺钉1、振动过渡支架2、弯张外壳3这三部分非压电材料和压电材料即压电陶瓷4构成。其中沿x轴正向极化的压电陶瓷以及沿x轴负向极化的压电陶瓷沿x轴方向交替排列并粘接。压电陶瓷4的接缝处的表面粘接振动过渡支架2，垂直于z轴的两个陶瓷面上制备电极。可调预应力螺钉1其在拧紧时，产生拉伸弯张外壳3的作用，进而通过外壳的形变使上下两侧过渡支架加紧压电材料，完成预应力施加过程。
由于极化方向与电场方向夹角为90度，所以会激发压电陶瓷的d15振动模态。所述d15振动模态是指在极化方向为x方向(x正向或x负向)的压电陶瓷材料上，施加z方向(即垂直于极化方向)的电激励时，在x、z平面内产生切向形变。两个陶瓷材料的极化方向P和电场方向E如图1所示，虚线表示陶瓷材料在电场激励下产生的形变。可以看出两个压电基元共同作用可以带动振动过渡支架产生振动，这种振动再通过振动过渡支架传递到外壳上下表面产生弯张振动，从而完成机电转化过程，实现压电陶瓷剪切振动到外壳弯张振动的转化。
如图2所示，本发明也可以将压电材料的电场方向沿x轴对称粘接，极化方向沿z轴摆放，同样可以达到所需的技术效果。
在其它实施例中，压电材料除压电陶瓷外，还可以是压电单晶、压电聚合物、压电复合材料等。压电材料不仅限于图1、图2所示的两个压电材料小块，可以继续增加为多个压电材料小块，如图3所示，以满足不同用途的尺寸需要。
本实施例中弯张外壳采用金属材料，在其它实施例中，外壳材料除金属外还可以采用有机玻璃、环氧树脂、陶瓷等。
在其它实施例中，压电振子可通过拼接的方式组合成阵，即压电振子整体构成一个阵元，多个这样的阵元组合成换能器阵列，以满足不同用途的需要，如图4所示，其中5表示压电振子整体构成的一个阵元。
2.基于剪切振动的压电振子的制备工艺流程
上述基于剪切振动和弯张振动的压电振子采用两相材料复合，材料的制备工艺对其性能会产生影响。采用如图5所示制备工艺制作该振子，具体包括以下步骤：
S1：取一完整的压电陶瓷块，使用砂纸或者精密研磨机去除上下表面电极；
S2：在去除电极的压电陶瓷上，根据设计尺寸进行精密切割，将压电陶瓷切割成多个压电陶瓷块；
S3：将压电陶瓷块除需要制备电极的表面外覆盖掩膜并放入真空溅射仪溅射电极；先在一个表面溅射电极，然后将压电陶瓷块转换方向，在已溅射电极的对面溅射电极；
S4：取一完整的金属铝块，通过机加工的方式加工成图5中S4所示的结构，该结构包含了可调预应力螺钉、振动过渡支架、弯张外壳三部分；
S5：按照图1或图2中所示将金属铝块、压电陶瓷粘接起来，最后引出电极，构成压电振子。
3.基于剪切振动和弯张振动的压电振子的实验验证与性能分析
本发明对压电陶瓷材料的剪切振动进行了相关研究。应用PZT-5H型压电陶瓷制备了长宽高分别为7mm、12mm和5mm的压电陶瓷柱，压电陶瓷极化方向为高度方向，电场方向为宽度方向。研究发现，该尺寸下压电陶瓷小块的剪切振动模态最为单纯且机电耦合系数最高。如图6所示，将两块压电陶瓷小块粘接，应用阻抗分析仪可以测得压电陶瓷d15模式的电导、电阻曲线，其中Fs是电导曲线的最大值对应的频率，Fp是电阻曲线的最大值对应的频率。实验结果表明，PZT-5H型压电陶瓷串联谐振频率为48.87kHz，并联谐振频率为51.12kHz。
为验证该谐振频率下的振动模态，本发明应用激光多普勒振动测量仪对上述两个样品进行测量，测量结果表明，压电陶瓷振动为剪切振动。设压电陶瓷的极化方向为x方向，电场方向为z方向，则压电陶瓷的剪切振动发生在xz平面内。如图7所示，给出了PZT-5H型压电振子振速频谱及振动模态，其中(a)图的横坐标为频率(Frequency)，纵坐标为振动速度的幅值(Magnitude)，(b)图、(c)图中Phase表示振动速度的相位。图中每一个曲线的峰值对应压电陶瓷的某个振动模态，而插图中则给出在振动速度最大值时，样品表面形貌，通过观察表面形貌的特点，可以总结出样品在此时的振动模态。从图中可以看出，在压电陶瓷基元的接缝处会交替出现波峰和波谷(波峰波谷交替出现，相位为0的(b)图为波峰，相位为180的(c)图为波谷)。如果将所有的波峰振动通过过渡支架引导到图1所示的外壳弯张表面，则会产生本发明预期的结果。因此，通过上述实验，可以证明本发明提出的新型振子的可行性。
4.采用上述压电振子制备水声弯张换能器(发射换能器)
由前文设计的振子结构制成水声换能器，水声换能器结构如图8所示，包括图1中所示的压电振子，还包括防水透声层6、水下电缆即输出电缆7、结构件8和吸声背衬9。压电振子由激发剪切振动的压电陶瓷和振动过渡支架、弯张球壳构成，在陶瓷柱间分别引线与输出电缆7连接。整个换能器胶封防水透声层6，即可传声又能起到防水的作用。防水透声层可以采用聚氨酯、橡胶等材料。结构件8提供换能器的结构支撑，吸声背衬9用于阻隔声波向换能器后方传播，提高向前端辐射声波的能量。
本实施例中采用两组压电陶瓷作为振元，双侧发射声波，但本发明不以此为限制。在其它实施例中，根据换能器的不同应用需求以及结构设计要求，也可以采用更多组的压电陶瓷和过渡支架。
5.采用上述压电振子制备水听器和压电俘能器
本压电振子还可用于制备水听器(即换能器接收端)和压电俘能器。当应力施加在外壳弯张表面时，应力通过陶瓷块间粘接的过渡支架传递到陶瓷块上产生剪切形变，由于压电效应产生电荷输出。采取该过渡层结构，实际上将外壳表面受到的应力通过陶瓷间粘接的过渡支架传递到陶瓷块上的同时对应力起到了放大的作用，继而产生较大幅度的剪切形变，输出较大电能，故可用于制作水听器和压电俘能器。水听器和压电俘能器均可由前文设计的振子结构制成，与发射换能器类似。为了提高其抗压抗张强度，采用调节预应力螺钉结构。该调节预应力螺钉结构采用两个金属片夹在沿x轴的压电振子两侧，对称用长螺丝拧紧，沿x轴施加预应力。同发射换能器相同，本实施例中采用的陶瓷块组数和结构均可根据不同的应用需求进行相应调整。调节预应力的结构只要达到目的即可，不拘泥于此结构。
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)
1.一种基于剪切振动和弯张振动的压电振子，其特征在于，包括压电材料和被动性材料；所述压电材料包括沿x轴正向极化的压电材料和沿x轴负向极化的压电材料，两种极化方向的压电材料沿x轴方向交替排列；所述压电材料的极化方向与电场方向的夹角为90度；所述被动性材料包括可调预应力机构、振动过渡支架和弯张外壳；所述振动过渡支架置于每两个相邻的压电材料的接缝处的上表面和下表面，并在上表面和下表面交替设置；所述弯张外壳与所述振动过渡支架相连，包围所述压电材料；所述可调预应力机构产生拉伸所述弯张外壳的作用，进而通过所述弯张外壳的形变使所述振动过渡支架夹紧所述压电材料。
2.一种基于剪切振动和弯张振动的压电振子，其特征在于，包括压电材料和被动性材料；所述压电材料包括电场方向沿x轴正向的压电材料和电场方向沿x轴负向的压电材料，两种电场方向的压电材料沿x轴交替排列；所述压电材料的极化方向与电场方向的夹角为90度；所述被动性材料包括可调预应力机构、振动过渡支架和弯张外壳；所述振动过渡支架置于每两个相邻的压电材料的接缝处的上表面和下表面，并在上表面和下表面交替设置；所述弯张外壳与所述振动过渡支架相连，包围所述压电材料；所述可调预应力机构产生拉伸所述弯张外壳的作用，进而通过所述弯张外壳的形变使所述振动过渡支架夹紧所述压电材料。
3.如权利要求1或2所述的压电振子，其特征在于，所述压电材料在电场激励下产生剪切形变并带动压电材料接缝处的振动过渡支架振动，产生的振动通过振动过渡支架结构传递到弯张外壳上，实现压电材料的剪切振动到弯张外壳的弯张振动的转化。
4.如权利要求1或2所述的压电振子，其特征在于，通过调节所述可调预应力机构，提高压电振子的抗压、抗张强度。
5.如权利要求1或2所述的压电振子，其特征在于，所述压电材料是压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物、或压电复合材料。
6.如权利要求1或2所述的压电振子，其特征在于，所述弯张外壳的材质为金属、环氧树脂、酚醛树脂、或有机玻璃。
7.如权利要求1或2所述的压电振子，其特征在于，所述压电振子通过拼接的方式组合成阵列。
8.如权利要求1或2所述的压电振子，其特征在于，所述可调预应力机构为可调预应力螺钉。
9.一种弯张换能器，其特征在于，包括压电振子、防水透声层和输出电缆，所述压电振子为权利要求1至8中任一权利要求所述的基于剪切振动和弯张振动的压电振子，通过引线将其中的压电材料与所述输出电缆连接；所述压电振子外部胶封所述防水透声层。
10.一种制备权利要求1或2所述的基于剪切振动和弯张振动的压电振子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将压电材料切割成整齐排列的多个压电材料块；
2)在各压电材料块的两个相对的表面溅射电极；
3)通过机加工的方式加工形成弯张外壳、振动过渡支架和可调预应力机构；
4)将压电材料块按照权利要求1或2所述的压电材料的排列方式粘接，并在压电材料块的接缝处与振动过渡支架粘接，再引出电极，构成压电振子。
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