CN110227639A - 宽带换能器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽带换能器及其制备方法，包括灌封材料(1)、压电材料(2)、填充材料(3)、背衬材料(4)、换能器底座(5)、电缆(6)，压电材料(2)包括底面和底面上排列的阵列柱，压电材料(2)阵列柱之间填充有填充材料(3)，压电材料(2)底面作为辐射面，压电材料(2)辐射面朝外安装到背衬材料(4)上，背衬材料(4)连接换能器底座(5)，电缆(6)连接压电材料(2)的正极和负极，灌封材料(1)将连接好的压电材料(2)、填充材料(3)、背衬材料(4)、换能器底座(5)封装。本发明采用压电材料切割留底的方式，并将留底面作为辐射面，增大了换能器的有效辐射阻，提高了换能器的带宽与接收灵敏度。

Description

宽带换能器及其制备方法
技术领域
本发明涉及水声换能器技术领域，具体地涉及一种宽带换能器及其制备方法，尤其是一种高频耐压高灵敏度宽带换能器及其制备方法。
背景技术
高频宽带水声换能器可以广泛应用于水下无人航行器、航行前视避障、水下反恐警戒、水下近程锚雷或沉底雷的探测发现和图像识别等等。这是因为工作频率较高的声呐系统分辨率较高，可以识别尺寸较小的目标。高频宽带换能器还可以提升整个声呐系统的性能，因为它可以携带更多的信息进行水下探测与识别。宽带的换能器在信号传输方面也具有显著优势，如减少波形畸变，提高可靠性和保密性，降低误码率等等。随着对深海资源开发的需求，对高频换能器的耐压、宽带以及高灵敏度的要求越来越高。
高频换能器为获得较为纯净的模态，通常对压电陶瓷进行切割填注制备成1-3型压电复合陶瓷材料，其带宽为中心频率的15％左右。为了进一步拓展换能器带宽，通常采用添加匹配层的方法来实现。随着时间推移或换能器静压力的变化，匹配层的性能产生变化，从而导致换能器性能下降甚至失效。本发明通过改变1-3型压电复合材料制备方式，提高换能器工作带宽和接收灵敏度，不额外添加匹配层或其它材料，并提高了换能器的可靠性。
公开号为CN 107727746A的专利文献公开了一种双壳体开缝圆管水声换能器，包括双层金属壳体、设置在双层金属壳体内表面的镶拼压电陶瓷圆管，所述双层金属壳体包括双层段、与双层段圆滑连接的单层段，双层段由内壳体和外壳体构成，且内壳体与外壳体之间形成月牙形空腔，单层段的厚度是渐变的，在单层段厚度最小处设置有一纵向全开缝，所述镶拼压电陶瓷圆管由n片PZT-4压电陶瓷条与铜电极片粘接而成，压电陶瓷条沿切向极化，每相邻的两片压电陶瓷条的极化方向相反，且相邻两片压电陶瓷条之间设置有电极片。该方案的水声换能器具有小尺寸、超低频、大功率、结构简单等特点，然而，高频宽带换能器可以携带更多的信息进行水下探测与识别，该方案已不能满足对深海资源开发的需求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种宽带换能器及其制备方法。
根据本发明的一根方面，提供一种宽带换能器，包括灌封材料、压电材料、填充材料，所述压电材料包括底面和底面上排列的阵列柱，压电材料阵列柱之间填充有填充材料，压电材料底面作为辐射面，压电材料辐射面朝外安装到背衬材料上，背衬材料连接换能器底座，所述电缆连接压电材料的正极和负极，所述灌封材料将连接好的压电材料、填充材料、背衬材料、换能器底座封装。
优选地，所述压电材料阵列柱的宽度为0.5mm～8mm，所述压电材料阵列柱等间距均匀排列在压电材料底面上形成1-3型压电复合材料。
优选地，所述压电材料的厚度为1mm～25mm，所述压电材料底面的厚度为0.5mm～2mm。
优选地，所述压电材料采用PZT4、PZT5或PZT8。
优选地，所述填充材料的密度为1.0×103kg/m3～2.2×103kg/m3，声波在所述填充材料中的传播速度为1500m/s～2700m/s。
优选地，所述填充材料采用环氧树脂或聚氨酯。
优选地，所述背衬材料采用密度为0.2×103kg/m3～2.2×103kg/m3的硬质聚氨酯泡沫塑料。
优选地，所述灌封材料采用聚氨酯灌封胶；所述换能器底座采用硬铝、不锈钢或钛合金材料制成。
根据本发明的另一个方面，提供一种宽带换能器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将压电材料通过切割机进行横纵两个方向的切割形成压电材料阵列柱，切割厚度小于压电材料的厚度，对压电材料进行留底；
步骤2：在切割后的压电材料阵列柱之间填充填充材料；并将压电材料的正、负极与电缆连接；
步骤3：将填充有填充材料的压电材料以压电材料留底面朝外安装在背衬材料上，并通过背衬材料安装在换能器底座上；
步骤4：将安装在换能器底座上的压电材料用灌封材料进行封装。
优选地，步骤1中所述切割机的切割刀锋宽度为0.2mm～1.2mm，留底的厚度为0.5mm～2mm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明结构简单紧凑，适用于各类高频测深仪、鱼探仪、避碰声呐、侧扫声纳换能器使用，具有耐压、高频、宽带、高灵敏度的特点，相比于匹配层换能器，具有重量轻、可靠性高、制造简便的优点。
2、本发明对压电材料的切割方式进行了改进，采用了压电材料切割留底的方式，并且将留底面作为辐射面，增大了换能器的有效辐射阻，提高了换能器的带宽，使得换能器的接收灵敏度可提高3-5dB，并且具有较好的耐压特性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明切割好的压电材料的示意图。
图2为本发明填充有填充材料的压电材料示意图。
图3为本发明宽带换能器的结构示意图。
图4为本发明宽带换能器与普通换能器的发送电压响应对比曲线。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本发明的目的是提供耐压高灵敏度宽带换能器及其制造方法，通过对压电材料2的留底切割及反向安装方式扩大换能器的有效辐射面积，提高换能器的接收灵敏度并获得更大的工作带宽。本发明利用切割留底的1-3型压电复合陶瓷材料，研制的背高频宽带换能器具有较高的耐压强度和带宽，同时提高了换能器的接收灵敏度。适用于各类测深仪、侧扫声呐、避碰声呐的换能器制造，能够有效提高换能器的带宽和接收灵敏度，提高换能器的性能。
根据本发明提供的一种宽带换能器，如图3所示，包括灌封材料1、压电材料2、填充材料3、背衬材料4、换能器底座5、电缆6，所述压电材料2包括底面和底面上排列的阵列柱，压电材料2阵列柱之间填充有填充材料3，压电材料2底面作为辐射面，压电材料2辐射面朝外安装到背衬材料4上，背衬材料4连接换能器底座5，所述电缆6连接压电材料2的正极和负极，所述灌封材料1将连接好的压电材料2、填充材料3、背衬材料4、换能器底座5封装。灌封材料1对宽带换能器起到水密包覆作用，使得宽带换能器能够长时间工作在水下，电缆6对宽带换能器起到电信号的传导作用。
所述压电材料2阵列柱的宽度为0.5mm～8mm，所述压电材料2阵列柱等间距均匀排列在压电材料2底面上形成1-3型压电复合材料。所述压电材料2的厚度为1mm～25mm，所述压电材料2底面的厚度为0.5mm～2mm。所述压电材料采用PZT4、PZT5或PZT8。优选地，所述压电材料2为压电陶瓷，所述压电材料2的形状为矩形或圆形，所述压电材料2为换能器的主要驱动元件。
所述填充材料3的密度为1.0×103kg/m3～2.2×103kg/m3，声波在所述填充材料3中的传播速度为1500m/s～2700m/s。所述填充材料3采用环氧树脂或聚氨酯。所述背衬材料4采用密度为0.2×103kg/m3～2.2×103kg/m3的硬质聚氨酯泡沫塑料。所述灌封材料1采用聚氨酯灌封胶；所述换能器底座5采用硬铝、不锈钢或钛合金材料制成，所述换能器底座5为宽带换能器安装支架。
根据本发明提供的一种宽带换能器的制备方法，即前述宽带换能器的制备方法，如图1-3所示，包括如下步骤：
步骤1：将压电材料2通过切割机进行横纵两个方向的切割形成压电材料2阵列柱，切割厚度小于压电材料2的厚度，对压电材料2进行留底；对压电材料2进行切割从而获得纯净的长度振动模态；
步骤2：在切割后的压电材料2阵列柱之间填充填充材料3；并将压电材料2的正、负极与电缆6连接；优选地，填充低应力填充材料3；
步骤3：将填充有填充材料3的压电材料2以压电材料2留底面朝外安装在背衬材料4上，并通过背衬材料4安装在换能器底座5上；
步骤4：将安装在换能器底座5上的压电材料2用灌封材料1进行封装。
步骤1中所述切割机的切割刀锋宽度为0.2mm～1.2mm，切割刀缝深度小于压电材料2的厚度，留底的厚度为0.5mm～2mm。
图1所示是一个切割留底的压电陶瓷。选择一块50mm×50mm×15mm的陶瓷(对于15mm高度方向进行极化)，采用压电陶瓷切割机对其横纵方向分别切割。刀锋宽度0.5mm，中心距2.5mm，切割深度13mm。切割成型的陶瓷留底2mm，并由2mm×2mm陶瓷柱在横纵两个方向均匀排列。对压电陶瓷进行极化时将需要的极化的两个相对的面敷设银层并施加高电压，压电陶瓷使用的时候，两个银层的面分别是压电陶瓷的正、负极。同理压电材料2也是一样。
图2所示是灌注填充材料的后的1-3型压电复合陶瓷材料，填充材料3为两组份环氧6302，常温下固化24小时。
图3所示是本发明宽带换能器，将图2所示的1-3型压电复合陶瓷材料安装到背衬硬质聚氨酯泡沫塑料上，其中留底面作为辐射面，切割面与硬质聚氨酯泡沫塑料粘接。再将背衬硬质聚氨酯泡沫塑料粘接到金属换能器底座上，在外面包覆水密聚氨酯层(聚氨酯灌封胶)，达到水密防护，水下长时间工作的要求。
图4所示是本发明宽带换能器与普通1-3型压电复合材料换能器发送电压响应对比图，本发明宽带换能器的带宽相比于普通1-3型压电复合材料换能器的带宽，从换能器中心频率的16％提高到了38％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种宽带换能器，其特征在于，包括灌封材料(1)、压电材料(2)、填充材料(3)、背衬材料(4)、换能器底座(5)、电缆(6)，所述压电材料(2)包括底面和底面上排列的阵列柱，压电材料(2)阵列柱之间填充有填充材料(3)，压电材料(2)底面作为辐射面，压电材料(2)辐射面朝外安装到背衬材料(4)上，背衬材料(4)连接换能器底座(5)，所述电缆(6)连接压电材料(2)的正极和负极，所述灌封材料(1)将连接好的压电材料(2)、填充材料(3)、背衬材料(4)、换能器底座(5)封装。
2.根据权利要求1所述的宽带换能器，其特征在于，所述压电材料(2)阵列柱的宽度为0.5mm～8mm，所述压电材料(2)阵列柱等间距均匀排列在压电材料(2)底面上形成1-3型压电复合材料。
3.根据权利要求1所述的宽带换能器，其特征在于，所述压电材料(2)的厚度为1mm～25mm，所述压电材料(2)底面的厚度为0.5mm～2mm。
4.根据权利要求1所述的宽带换能器，其特征在于，所述压电材料采用PZT4、PZT5或PZT8。
5.根据权利要求1所述的宽带换能器，其特征在于，所述填充材料(3)的密度为1.0×103kg/m3～2.2×103kg/m3，声波在所述填充材料(3)中的传播速度为1500m/s～2700m/s。
6.根据权利要求1所述的宽带换能器，其特征在于，所述填充材料(3)采用环氧树脂或聚氨酯。
7.根据权利要求1所述的宽带换能器，其特征在于，所述背衬材料(4)采用密度为0.2×103kg/m3～2.2×103kg/m3的硬质聚氨酯泡沫塑料。
8.根据权利要求1所述的宽带换能器，其特征在于，所述灌封材料(1)采用聚氨酯灌封胶；所述换能器底座(5)采用硬铝、不锈钢或钛合金材料制成。
9.一种宽带换能器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将压电材料(2)通过切割机进行横纵两个方向的切割形成压电材料(2)阵列柱，切割厚度小于压电材料(2)的厚度，对压电材料(2)进行留底；
步骤2：在切割后的压电材料(2)阵列柱之间填充填充材料(3)；并将压电材料(2)的正、负极与电缆(6)连接；
步骤3：将填充有填充材料(3)的压电材料(2)以压电材料(2)留底面朝外安装在背衬材料(4)上，并通过背衬材料(4)安装在换能器底座(5)上；
步骤4：将安装在换能器底座(5)上的压电材料(2)用灌封材料(1)进行封装。
10.根据权利要求9所述的宽带换能器制备方法，其特征在于，步骤1中所述切割机的切割刀锋宽度为0.2mm～1.2mm，留底的厚度为0.5mm～2mm。
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