CN109379672B - 水下通信的圆管中段共形压电换能及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下通信的圆管中段共形压电换能及其制造方法，包括换能器支架，去耦衬环，压电陶瓷管；换能器支架上部和下部分别设置同心凹槽，中间设置支架卡槽，中间支撑板设置偏心通孔，压电陶瓷管垂直设置，其底部通过去耦衬环安装在中间支撑板上，导线依次穿过所述下部圆槽和偏心通孔分别与所述的压电陶瓷管内壁和外壁电连接，在所述压电陶瓷管外浇注高分子材料封闭偏心通孔，在管内填充透声材料。本发明的换能器具有共形性好，能量转换效率高，工作频带宽，灵敏度高，耐久性好，使用寿命长等特点。
Description
技术领域
本发明属于浅海水声通信技术，海洋开发领域。具体是一种能够在浅海下实现低频宽带工作的压电换能器及其制造方法。
背景技术
随着海洋环境监测技术，海军防务的高速发展，低频水声换能器在现代水声通信中应用越来越多，对于水下运动体而言，换能器如果具备共形特点，能有效减少运动时受到的水下阻力，另外换能器在实际使用中，还要求具有较好的耐压性，高电声转换效率和理想的输出波形。换能器的性能优劣是影响发射系统性能的重要因素。
水声换能器通常采用释压结构，压力补偿机构，充油式，溢流式等形式解决水压问题，参照文献1(李俊宝，解宝兴，夏金东，高俊琴，李宗杰.深海压电换能器及其制造方法.公布号：CN101072452A.申请日期：2016.10.17)所提供的充油式换能器，虽然针对了水下压力采用了硅油填充结构，通过内外压力平衡实现压力补偿的问题，但是机构对于材料的要求高，同时机构的结构特征对于实际的性能有较大影响，液腔谐振峰值受外围装夹结构的影响大，因此工艺要求高。同时由于腔内存在油体，当功率较高时可能会产生空化问题。
发明内容：
1、本发明的目的
本发明提供了一种结构简单，但同时能够在一定静水压力下工作的应用于水下通信的圆管中段共形压电换能器，换能器采用圆管式结构，在低频工作，具有能量转换效率高，耐久性好，成本低等特点。
2、本发明所采用的技术方案
一种水下通信的圆管中段共形压电换能器，包括换能器支架，去耦衬环，压电陶瓷管；换能器支架上部和下部分别设置同心圆柱凹槽，中部设置支架卡槽，中间支撑板设置偏心通孔，压电陶瓷管垂直设置，其底部通过去耦衬环安装在中间支撑板上，导线依次穿过所述下部圆槽和偏心通孔分别与所述的压电陶瓷管内壁和外壁电连接，在所述压电陶瓷管外浇注高分子材料封闭偏心通孔，在管内填充透声材料，还包括共形中段连接体和头部采用锥形结构，并与换能器支架以螺纹方式连接。
更进一步，弹性卡环套在换能器支架卡槽上，使得卡环和凸槽相互卡住，并调整紧固程度使得卡环紧箍在换能器支架，使得卡环和换能器支架构成一个柱形封闭空腔。
更进一步，换能器包括接收换能器和发射换能器，两者结构相同，而内部的压电陶瓷材料不同；接收换能器采用的压电陶瓷管由复合材料锆钛酸铅PZT-5被银后极化制成，发射换能器采用的压电陶瓷管由复合材料锆钛酸铅压电陶瓷材料PZT-4被银后极化制成；压电芯片呈径向极化，外壁为正极，内壁为负极。
更进一步，所述导线与压电陶瓷管电连接时用导银胶进行粘接。
更进一步，所述压电陶瓷管内部填充的透声材料是轻质泡沫塑料。
更进一步，在所述压电陶瓷管外浇注的高分子材料为环氧树脂和凝固剂混合物。
更进一步，所述去耦衬环采用水密且透声的橡胶材料。
更进一步，应用于水下通信的圆管中段共形压电换能器的制造方法，包括如下步骤：
1)将压电陶瓷管纵向的一端与去耦合衬环粘接，再将去耦合衬环另一端粘接在换能器支架内壁下表面中心处；
2)将同轴双蕊导线穿过换能器支架底部同心圆槽和偏心通孔，分别用导银胶粘接在压电圆管内壁和外壁，对准粘接处烘干；
3)将弹性卡环套在换能器支架卡槽上，使得卡环和凸槽相互卡住，并调整紧固程度使得卡环紧箍在换能器支架，使得卡环和换能器支架构成一个柱形封闭空腔；
4)将轻质泡沫塑料填充进压电陶瓷管内，再将环氧树脂混合物灌封进换能器支架内腔至内螺纹线下5mm处。
5)将换能器放置在烘箱加温至40℃～60℃，并且保温4小时～5小时。取出后自然冷却至室温，解开卡环得到换能器。
更进一步，所涉步骤3)中环氧树脂混合物处理包括以下步骤：
3.1在容器中分别倒入环氧树脂和凝固剂，两者以3：1的比例混合并用玻璃棒充分搅拌；
3.2将所述环氧树脂和凝固剂混合物放置在烘箱加温至30℃，并保温3小时至4小时，待混合物粘稠时取出。
3、本发明所达到的技术效果：
1)本发明主要针对某运动体设计的共形中段换能器，如图1所示，7和8构成运动体，和换能器以螺纹连接方式接合，可随运动体在水中运动，头部的锥形结构可以减少运动过程中水的阻力。
2)低频工作，工作频率12.5khz±1khz，可在0.5MPa(水下50米)稳定工作，传输距离800米，可满足实际工程需求。
3)常见的水声换能器常用压力补偿机构，充硅油等手段解决水压问题，主要是针对深海状况设计，承压能力高，但结构复杂，工艺要求高。而本换能器针对浅海低静水压力状况，采用环氧树脂材料浇筑压电陶瓷管外部，提高结构的水密性，并在横向上分担水压，同时纵向上采用去耦衬环提高柔性，缓解外部水压，从而确保换能器在水下50米处可正常工作，同时结构简单，制造方便。
附图说明：
图1是本发明一实施例中的应用于水声通信的压电水声换能器发射和接收换能器结构正视剖视图；
图2是本发明一实施例中的应用于水声通信的压电水声换能器支架结构图；
图3是本发明一实施例中压电陶瓷管示意图。
图4是本发明一实施例中弹性卡环示意图。
附图标记说明：
换能器支架1，环氧树脂灌封材料2，去耦衬环3，压电陶瓷管4，透声材料5，导线6，连接体7和头部8；其中1a为上部圆槽，1b为下部圆槽，1c为偏心通孔，1d卡槽。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：本发明的一个具体的应用于水声通信的压电水声换能器的实施结构示意图由图1和图2给出。
实施例1
本发明提出了一种水下通信的圆管中段共形压电换能器，包括换能器支架1，去耦衬环3，压电陶瓷管4；换能器支架1上部和下部分别设置同心凹槽，中部设置支架卡槽1d，中间支撑板设置偏心通孔1c，压电陶瓷管4垂直设置，其底部通过去耦衬环3安装在中间支撑板上，如图3所示，导线6依次穿过所述下部圆槽和偏心通孔分别与所述的压电陶瓷管4内壁和外壁电连接，在所述压电陶瓷管4外浇注高分子材料封闭偏心通孔1c，在管内填充透声材料。
实施例2
如图1所示，本发明提出了一种水下通信的圆管中段共形压电换能器，包括换能器支架1，去耦衬环3，压电陶瓷管4。
与实施例1不同的是，其中换能器支架1上部和下部分别设置同心圆柱凹槽，中部设置支架卡槽1d，中间支撑板设置偏心通孔1c，压电陶瓷管4垂直设置，其底部通过去耦衬环3安装在中间支撑板上，导线依次穿过所述下部圆槽和偏心通孔分别与所述的压电陶瓷管4内壁和外壁电连接，在所述压电陶瓷管4外浇注高分子材料封闭偏心通孔1c，在管内填充透声材料。弹性卡环套在换能器支架卡槽上，使得卡环和凸槽相互卡住，并调整紧固程度使得卡环紧箍在换能器支架，使得卡环和换能器支架1构成一个柱形封闭空腔。
实施例3
本发明在实施例1和2的基础上，还包括共形中段连接体7和头部8采用锥形结构，并与换能器支架以螺纹方式连接。压电陶瓷管4底部通过去耦衬环3粘接在中间支撑板上。
换能器包括接收换能器和发射换能器，两者结构相同，而内部的压电陶瓷材料不同；接收换能器采用的压电陶瓷管由复合材料锆钛酸铅(PZT-5)被银后极化制成，发射换能器采用的压电陶瓷管由复合材料锆钛酸铅压电陶瓷材料(PZT-4)被银后极化制成；压电芯片呈径向极化，外壁为正极，内壁为负极。所述导线与压电陶瓷管电连接时用导银胶进行粘接，压电陶瓷管内部填充的透声材料是轻质泡沫塑料，在所述压电陶瓷管外浇注的高分子材料为环氧树脂和凝固剂混合物，所述去耦衬环采用水密且透声的橡胶材料。
实施例4
本发明由换能器支架1，环氧树脂灌封材料2，去耦衬环3，压电陶瓷管4，透声材料5，导线6组成。其中换能器支架1用于固定去耦衬环3和压电陶瓷管4，在换能器支架的中部开了一个孔，便于引出正负极电导线6，同时配合卡环，形成密闭空腔，便于灌封高分子材料2。整个换能器支架1由铝制成。
由图2所示的压电陶瓷管压电陶瓷管4是换能器的关键元件之一，采用PZT-4和PZT-5压电陶瓷材料制成的径向极化圆管结构，外壁为正极，内壁为负极，其直径和高度大小，决定了整个换能器的实际性能。本实例中的压电陶瓷管尺寸为Φ8×Φ6×10mm。
换能器装配前要将所用元器件清洗干净，准备好后按如下方法进行装配：
本发明应用于水下通信的圆管中段共形压电换能器，包括压电陶瓷管4，换能器支架1，去耦衬环3等。压电陶瓷管4纵向的一端和去耦衬环3粘接，而去耦衬环3的另一端固定于换能器支架1内壁的下表面中心处。
所述换能器支架1底座设有一个同心圆槽，所述圆槽壁面设有一个偏心通孔，导线6穿过所述同心圆槽和偏心通孔分别与所述的压电陶瓷管4内壁和外壁电连接。在所述压电陶瓷管4外浇注高分子材料2，在管内填充透声材料5。如上所述的应用于水下通信的圆管中段共形压电换能器的制造方法，包括如下步骤：
(1)将压电陶瓷管4纵向的一端与去耦合衬环3粘接，再将去耦合衬环3另一端粘接在换能器支架1内壁下表面中心处。
(2)将同轴双蕊导线穿过换能器支架底部同心圆槽和偏心通孔，分别用导银胶粘接在压电圆管内壁和外壁，将热风枪温度调制100℃，对准粘接处烘干。
(3)将弹性卡环套在换能器支架卡槽上，使得卡环和凸槽相互卡住，并调整紧固程度使得卡环紧箍在换能器支架，使得卡环和换能器支架构成一个柱形封闭空腔。
(4)将轻质泡沫塑料5填充进压电陶瓷管内，再将环氧树脂混合物灌封进换能器支架1内腔
(5)将换能器放置在烘箱加温至40℃～60℃，并且保温4小时～5小时。取出后自然冷却至室温，解开卡环得到换能器，如图1所示。
所涉步骤(3)中环氧树脂混合物处理包括以下步骤：
(a)在容器中分别倒入环氧树脂和凝固剂，两者以3：1的比例混合并用玻璃棒充分搅拌
(b)将所述环氧树脂和凝固剂混合物放置在烘箱加温至30℃，并保温3小时～4小时，待混合物粘稠时取出。
本实施例提供的压电水声换能器结构简单，易于制作和装配，压电陶瓷管内部填充透声材料，性能稳定。耐压能力强，利用环氧树脂材料浇注陶瓷管外部，不仅提高结构水密性，并且在横向上保护压电陶瓷片。同时在纵向上采用去耦合衬环缓解外部水压，提高换能器抗压能力。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种水下通信的圆管中段共形压电换能器，其特征在于：包括换能器支架，去耦衬环，压电陶瓷管；换能器支架上部和下部分别设置同心圆柱凹槽，中部设置支架卡槽，换能器支架的中间设有中间支撑板，中间支撑板设置有偏心通孔，压电陶瓷管垂直设置，其底部通过去耦衬环安装在中间支撑板上，导线依次穿过所述支架下部的圆柱凹槽和偏心通孔分别与所述的压电陶瓷管内壁和外壁电连接，在所述压电陶瓷管外浇注环氧树脂和凝固剂混合物材料封闭偏心通孔，在管内填充透声材料，所述的圆管中段共形压电换能器还包括共形中段连接体和头部，其中，共形中段连接体和头部均采用锥形结构，且共形中段连接体与换能器支架以螺纹方式连接。
2.根据权利要求1所述的水下通信的圆管中段共形压电换能器，其特征在于：压电陶瓷管底部通过去耦衬环粘接在中间支撑板上，弹性卡环套在换能器支架卡槽上，使得卡环和支架卡槽相互卡住，并调整紧固程度使得卡环紧箍在换能器支架，使得卡环和换能器支架构成一个柱形封闭空腔。
3.根据权利要求1所述的水下通信的圆管中段共形压电换能器，其特征在于，换能器包括接收换能器和发射换能器，两者结构相同，而内部的压电陶瓷材料不同；接收换能器采用的压电陶瓷管由复合材料锆钛酸铅PZT-5被银后极化制成，发射换能器采用的压电陶瓷管由复合材料锆钛酸铅压电陶瓷材料PZT-4被银后极化制成；压电芯片呈径向极化，外壁为正极，内壁为负极。
4.根据权利要求1所述的水下通信的圆管中段共形压电换能器，其特征在于，所述导线与压电陶瓷管电连接时用导银胶进行粘接。
5.根据权利要求1所述的水下通信的圆管中段共形压电换能器，其特征在于，所述压电陶瓷管内部填充的透声材料是轻质泡沫塑料。
6.根据权利要求1所述的水下通信的圆管中段共形压电换能器，其特征在于，所述去耦衬环采用水密且透声的橡胶材料。
7.一种权利要求1-6任一项所述的水下通信的圆管中段共形压电换能器的制造方法，包括如下步骤：
1)将压电陶瓷管纵向的一端与去耦合衬环粘接，再将去耦合衬环另一端粘接在换能器支架内壁下表面中心处；
2)将同轴双蕊导线穿过换能器支架底部同心圆柱凹槽和偏心通孔，分别用导银胶粘接在压电圆管内壁和外壁，对准粘接处烘干；
3)将弹性卡环套在换能器支架卡槽上，使得卡环和支架卡槽相互卡住，调整紧固程度使得卡环紧箍在环能器支架上，使得卡环和换能器支架构成一个柱形封闭空腔；
4)将轻质泡沫塑料填充进压电陶瓷管内，再将环氧树脂混合物灌封进换能器支架内腔至内螺纹线下5mm处；
5)将换能器放置在烘箱加温至40℃～60℃，并且保温4小时～5小时，取出后自然冷却至室温，解开卡环得到换能器。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所涉步骤4)中环氧树脂混合物由以下步骤处理得到：
4.1)在容器中分别倒入环氧树脂和凝固剂，两者以3：1的比例混合并用玻璃棒充分搅拌；
4.2)将所述环氧树脂和凝固剂混合物放置在烘箱加温至30℃，并保温3小时至4小时，待混合物粘稠时取出。
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| CN109379672A (zh) | 2019-02-22 |
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