CN110012402A - 一种纵向振动复合材料换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纵向振动复合材料换能器，主要包括压电单晶复合材料、匹配层、前盖板、电极片、螺杆、后盖板和螺母，换能器有源部分采用压电单晶复合材料制作成纵向振动结构形式的1‑3‑2型压电单晶复合材料圆环片，若干片1‑3‑2型压电单晶复合材料圆环片堆叠后置于前盖板和后盖板之间，前盖板和后盖板通过螺杆和螺母预应力式连接，1‑3‑2型压电单晶复合材料圆环片并联连接且通过电极片、导线引出正极和负极，同时前盖板的金属辐射面上灌注匹配层进一步拓宽带宽。本发明的有益效果为：换能器既有压电单晶的高压电性能、高机电耦合系数等优点，又具有低声阻抗、低介电常数、高静水压压电常数、低机械品质因数及柔韧性和压电相的可控性等优点。
Description
技术领域
本发明属于水声换能器领域，主要是一种纵向振动复合材料换能器。
背景技术
随着信息处理技术和电子技术的发展，水声设备需要在更宽的频带内处理信号，这就要求水声换能器向宽频带的方向发展，目前在水声中低频领域广泛采用纵向振动式压电换能器，其特点为前盖板喇叭型，后盖板重质量块，中间PZT压电陶瓷，单面辐射。这类换能器可应用于声自导鱼雷、水下无人航行器(UUV)、声诱饵等小型化的水下探测对抗装备。
目前，纵向振动换能器的有源部分主要是PZT压电陶瓷材料，其声学性能受材料特性的限制。上世纪末，美国、中国等发现并发展了新型高性能压电单晶材料铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)和铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(PIN-PMN-PT)，其压电常数d33为2500pC/N，是PZT陶瓷的5倍；机电耦合系数大于90％，远高于PZT陶瓷(60％)。国外弛豫铁电单晶的宽带换能器的研究主要以美国NUWC、宾州大学和新加坡林良洲团队为主。2002年美国NUWC采用多晶堆组合技术，研制了宽带单谐纵振换能器，在相同的尺寸重量下带宽增加约30％。2010年美国宾州大学对PMNT、PIMNT和Mn:PIMNT的大功率特性进行了研究，验证了谐振频率处Mn:PIMNT与PZT4大功率特性相当，非谐振频率处Mn:PIMNT能提供更高的源级。新加坡林良洲团队采用32模式研制了基于PZNT单晶材料的中高频换能器，工作带宽达到两个倍频程，可用于中高频合成孔径成像声纳等。
同时，与压电陶瓷材料相比，压电单晶材料硬而脆，在较大应力下容易开裂，给换能器的设计、制作和使用带来困难，另一方面也抑制了压电单晶材料本身的性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种纵向振动复合材料换能器，可充分发挥单晶材料的优势，利用单晶材料的纵向模态，并结合匹配层模态，从而获得高的发射电压响应级以及宽的工作带宽。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种纵向振动复合材料换能器，主要包括压电单晶复合材料、匹配层、前盖板、电极片、螺杆、后盖板和螺母，换能器有源部分采用压电单晶复合材料制作成纵向振动结构形式的1-3-2型压电单晶复合材料圆环片，若干片1-3-2型压电单晶复合材料圆环片堆叠后置于前盖板和后盖板之间，前盖板和后盖板通过螺杆和螺母预应力式连接，1-3-2型压电单晶复合材料圆环片并联连接且通过电极片、导线引出正极和负极，同时前盖板的金属辐射面上灌注匹配层进一步拓宽带宽。
作为优选，所述的压电单晶复合材料通过水平和垂直方向切割成颗粒大小，切割线形成底部不透的盲槽，通过单晶的纵向振动构成纵向振动结构形式，同时在切割线中填充有聚合物，形成1-3-2型压电单晶复合材料圆环片。
作为优选，所述的颗粒大小的横向尺寸小于厚度方向尺寸。
作为优选，采用2片带正极面的压电单晶复合材料圆环片和2片带负极面的压电单晶复合材料圆环片，正极面和负极面通过导电胶连接电极片，4片压电单晶复合材料圆环片并联连接，2片从正极面切割形成切割线，2片从负极面切割形成切割线。
本发明的有益效果为：换能器既有压电单晶的高压电性能、高机电耦合系数等优点，又具有低声阻抗、低介电常数、高静水压压电常数、低机械品质因数及柔韧性和压电相的可控性等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记说明：压电单晶复合材料1、匹配层2、前盖板3、电极片4、螺杆5、后盖板6，螺母7，导线8。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
如图1所示，一种纵向振动复合材料换能器，主要包括压电单晶复合材料1、匹配层2、前盖板3、电极片4、螺杆5、后盖板6和螺母7，换能器有源部分采用压电单晶复合材料1制作成纵向振动结构形式的1-3-2型压电单晶复合材料圆环片，4片1-3-2型压电单晶复合材料圆环片堆叠后置于前盖板3和后盖板6之间，前盖板3和后盖板6通过螺杆5和螺母7预应力式连接，1-3-2型压电单晶复合材料圆环片并联连接且通过电极片4、导线8引出正极和负极，同时前盖板3的金属辐射面上灌注匹配层2，换能器具有高的机电耦合系数以及较宽的带宽。本发明采用2片带正极面的压电单晶复合材料圆环片和2片带负极面的压电单晶复合材料圆环片，正极面和负极面通过导电胶连接电极片4，4片压电单晶复合材料圆环片并联连接，2片从正极面切割形成切割线，2片从负极面切割形成切割线。
所述的压电单晶复合材料1(圆环型压电单晶材料(PIN-PMN-PT))通过水平和垂直方向切割成颗粒大小，切割线形成底部不透的盲槽，通过单晶的纵向振动构成纵向振动结构形式，同时在切割线中填充有聚合物，形成1-3-2型压电单晶复合材料圆环片，所述的颗粒大小的横向尺寸小于厚度方向尺寸。
具体的实施方式分为以下几个步骤：
步骤1：压电单晶元件的设计
为了满足中高频换能器的工作频段，优化压电单晶圆环的尺寸，利用单晶元件的纵向振动，避免其强耦合振动区域，单晶元件的厚度为4mm左右，通过调整单晶元件横向尺寸，控制元件的谐振频率，因横向尺寸与纵向振动尺寸较为接近时，其耦合振动较强，不利于厚度方向的振动，因此横向尺寸尽量小于厚度方向，同时，考虑制备的可操作性以及实际的工作频率，选定阵元的厚度为4mm，单晶圆环切割颗粒的横向尺寸为1.5mm×1.5mm，在符合频率要求的情况下减小耦合振动。
步骤2：压电单晶圆环的切割
设计合适的夹持模具，对厚度4mm的压电单晶圆环进行水平方向和垂直方向的切割，切割的颗粒尺寸为1.5mm×1.5mm，切割深度3.5mm，底部0.5mm不切透，一共切割4片压电单晶圆环，其中2片从正极面切割，另外2片从负极面切割。
步骤3：填充聚合物及电极处理
设计单个压电单晶圆环的灌注模具，在切割后的缝隙中填充高温环氧树脂，抽真空灌注，置于烘箱中加温固化，灌注过程中注意每个颗粒缝隙中均填有聚合物，提高元件的一致性，4片单晶元件依次操作。聚合物固化后去除模具，对表面进行研磨，清理多余的聚合物，对元件的正负极表面进行导电胶刷涂，完成1-3-2型单晶复合材料的制作。
步骤4：压电单晶复合材料堆叠
将处理好的金属结构件、1-3-2型单晶复合材料、电极片、螺杆等进行装配，4片单晶复合材料置于前后金属盖板之间，4片元件并联连接，引出正极和负极，结构件之间、单晶复合材料之间采用高温环氧树脂进行粘接，同时对螺杆施加一定的预应力，并置于烘箱中加温固化。
步骤5：灌注匹配层
为了进一步拓宽工作带宽，对装配后的纵向复合材料前盖板灌注匹配层材料，匹配层材料可用环氧树脂与钨粉、玻璃微珠等按一定比例混合而成，灌注后在烘箱中加温固化。
步骤6：换能器水密
为满足换能器阵在水中的使用以及性能测试，对其表面进行水密处理，在外侧灌注一层5mm厚度的水密材料，材料为聚氨酯。
灌注后将换能器的正负极导线通过带屏蔽的导线引出，导线与换能器金属后座之间通过水密电缆头连接。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种纵向振动复合材料换能器，其特征在于：主要包括压电单晶复合材料(1)、匹配层(2)、前盖板(3)、电极片(4)、螺杆(5)、后盖板(6)和螺母(7)，换能器有源部分采用压电单晶复合材料(1)制作成纵向振动结构形式的1-3-2型压电单晶复合材料圆环片，若干片1-3-2型压电单晶复合材料圆环片堆叠后置于前盖板(3)和后盖板(6)之间，前盖板(3)和后盖板(6)通过螺杆(5)和螺母(7)预应力式连接，1-3-2型压电单晶复合材料圆环片并联连接且通过电极片(4)、导线(8)引出正极和负极，同时前盖板(3)的金属辐射面上灌注匹配层(2)。
2.根据权利要求1所述的纵向振动复合材料换能器，其特征在于：所述的压电单晶复合材料(1)通过水平和垂直方向切割成颗粒大小，切割线形成底部不透的盲槽，通过单晶的纵向振动构成纵向振动结构形式，同时在切割线中填充有聚合物，形成1-3-2型压电单晶复合材料圆环片。
3.根据权利要求2所述的纵向振动复合材料换能器，其特征在于：所述的颗粒大小的横向尺寸小于厚度方向尺寸。
4.根据权利要求2所述的纵向振动复合材料换能器，其特征在于：采用2片带正极面的压电单晶复合材料圆环片和2片带负极面的压电单晶复合材料圆环片，正极面和负极面通过导电胶连接电极片(4)，4片压电单晶复合材料圆环片并联连接，2片从正极面切割形成切割线，2片从负极面切割形成切割线。
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