CN110261488B - 垂直剪切两分量横波超声换能器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种垂直剪切两分量横波超声换能器及其制备方法，垂直剪切两分量横波超声换能器包括：双分量横波换能器振子、金属外壳及双线连接器；双分量横波换能器振子设置在金属外壳中，双线连接器设置在金属外壳的外壁；双分量横波换能器振子包括绝缘内衬管及收容在绝缘内衬管中的两分量剪切单元和背衬绝缘吸声块，背衬绝缘吸声块设置在两分量剪切单元的上表面。本发明实施例的垂直剪切两分量横波超声换能器能同时得到两个相互垂直方向的横波速度，以在换能器不易转动环境下实现对岩石或者其他复合材料各向异性的检测。

Description

垂直剪切两分量横波超声换能器及其制备方法
技术领域
本发明涉及岩石或者其他复合材料各向异性检测器械技术领域，尤其涉及一种可在频率范围在0.2-2MHz内操作的垂直剪切两分量横波超声换能器及其制备方法。
背景技术
本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
随着地震勘探对各种储层岩石速度各向异性参数的需求，越来越重视横波速度的测试。但是，在模拟地下压力环境下对岩石的横波测试时，在相同的实验环境下很难同时获得两个相互垂直方向的横波速度。
在模拟地下压力环境下的压力容器内对岩石速度测试时，用一种剪切波超声换能器仅能获得一个方向的横波速度，另一个方向的速度需旋转90度后重新测试。然而，两种测试结果并不是在相同的条件下得到，且降低测试效率同时。
因此，有必要提供一种能同时得到相互垂直剪切振动的剪切横波换能器。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
基于前述的现有技术缺陷，本发明实施例提供了一种垂直剪切两分量横波超声换能器及其制备方法，该垂直剪切两分量横波超声换能器能同时得到两个相互垂直方向的横波速度，以在换能器不易转动环境下实现对岩石或者其他复合材料各向异性的检测。
为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
一种垂直剪切两分量横波超声换能器，包括：双分量横波换能器振子、金属外壳及双线连接器；双分量横波换能器振子设置在金属外壳中，双线连接器设置在金属外壳的外壁；双分量横波换能器振子包括绝缘内衬管及收容在绝缘内衬管中的两分量剪切单元和背衬绝缘吸声块，背衬绝缘吸声块设置在两分量剪切单元的上表面；
所述两分量剪切单元包括：N2个性能和尺寸完全相同的压电陶瓷剪切方形片以及一个保护片；保护片的上表面涂银，N2个压电陶瓷剪切方形片按照N×N的方形阵列方式排列并间隔设置在保护片的涂银面上；所有压电陶瓷剪切方形片的下表面位于同一平面上；相邻压电陶瓷剪切方形片的振动方向互相垂直，即其中
Figure BDA0002106586520000021
个压电陶瓷剪切方形片沿第一方向剪切振动，另外
Figure BDA0002106586520000022
个压电陶瓷剪切方形片沿第二方向剪切振动，第一方向与第二方向垂直；此外，沿第一方向剪切振动的
Figure BDA0002106586520000023
个压电陶瓷剪切方形片导电互连，沿第二方向剪切振动的
Figure BDA0002106586520000024
个压电陶瓷剪切方形片导电互连；并且，沿第一方向剪切振动的
Figure BDA0002106586520000025
个导电互连的压电陶瓷剪切方形片通过第一引线与双线连接器连接，沿第二方向剪切振动的
Figure BDA0002106586520000026
个导电互连的压电陶瓷剪切方形片通过第二引线与双线连接器连接；且沿第一方向剪切振动的
Figure BDA0002106586520000027
个压电陶瓷剪切方形片与沿第二方向剪切振动的
Figure BDA0002106586520000028
个压电陶瓷剪切方形片彼此绝缘；第一引线和第二引线埋嵌在背衬绝缘吸声块中，第一引线和第二引线彼此绝缘。
优选地，相邻压电陶瓷剪切方形片之间的缝隙中填充有粘性材料，从而相邻压电陶瓷剪切方形片通过所述粘性材料粘接。
优选地，所述压电陶瓷剪切方形片的厚度范围为0.6～4mm，边长范围为4～6mm。
优选地，所述保护片为陶瓷片或刚玉片。
优选地，所述保护片的涂银面引出地线，所述地线埋嵌在所述背衬绝缘吸声块中，并与第一引线和第二引线彼此绝缘；所述地线作为沿第一方向剪切振动的
Figure BDA0002106586520000029
个压电陶瓷剪切方形片和沿第二方向剪切振动的
Figure BDA00021065865200000210
个压电陶瓷剪切方形片这两种类型的压电陶瓷剪切方形片的共用地线。
优选地，所述背衬绝缘吸声块由环氧树脂、300～600目钨粉和600～800目石粉混合制成，三者的重量比为1：5：(3～5)。
优选地，所述绝缘内衬管的高度为压电陶瓷剪切方形片厚度的10倍。
优选地，沿第一方向剪切振动的
Figure BDA0002106586520000031
个压电陶瓷剪切方形片与沿第二方向剪切振动的
Figure BDA0002106586520000032
个压电陶瓷剪切方形片具有相同的振动时间和辐射特性。
一种如上述任一所述的垂直剪切两分量横波超声换能器的制备方法，包括：
(1)两分量剪切单元的制备步骤
获取压电陶瓷板，标记压电陶瓷板原剪切的振动方向；将压电陶瓷板等分切割为N2个性能和尺寸完全相同的压电陶瓷剪切方形片，将N2个压电陶瓷剪切方形片按照N×N的方形阵列方式排列，并使相邻压电陶瓷剪切方形片的振动方向互相垂直；将N2个压电陶瓷剪切方形片粘贴在保护片的涂银面上，相邻压电陶瓷剪切方形片之间的缝隙用粘性材料填充；沿第一方向剪切振动的
Figure BDA0002106586520000033
个压电陶瓷剪切方形片采用漆包线焊接实现导电连通，沿第二方向剪切振动的
Figure BDA0002106586520000034
个压电陶瓷剪切方形片亦采用漆包线焊接实现导电连通；从沿第一方向剪切振动的
Figure BDA0002106586520000035
个导电互连的压电陶瓷剪切方形片引出第一引线，从沿第二方向剪切振动的
Figure BDA0002106586520000036
个导电互连的压电陶瓷剪切方形片引出第二引线，从保护片的涂银面上引出地线；
(2)绝缘内衬管的制作步骤
用绝缘管料加工出绝缘内衬管，使其高度为压电陶瓷剪切方形片厚度的10倍；
(3)背衬绝缘吸声块的制备步骤
把环氧树脂、300～600目钨粉和600～800目石粉按1：5：(3-5)的重量比混合搅拌，等待固化；
(4)双分量横波换能器振子的制备步骤
将步骤(1)制备的两分量剪切单元放入绝缘内衬管中，使两分量剪切单元的保护片的下表面与绝缘内衬管的下端面持平；将步骤(3)制备的环氧树脂、钨粉和石粉的混合物从绝缘内衬管的上端开口灌注入其中，待混合物固化后与两分量剪切单元的压电陶瓷剪切方形片的紧密粘接，形成一个双分量横波换能器振子；
(5)金属外壳的制备步骤
用金属材料加工出金属外壳，金属外壳与双线连接器配合构成换能器的屏蔽外壳；
(6)装配步骤
将步骤(4)制备的双分量横波换能器振子封装在金属外壳内，并确保双分量横波换能器振子与金属外壳绝缘，再将第一引线、第二引线、地线与双线连接器连接，完成整个制备过程。
本发明实施例的垂直剪切两分量横波超声换能器，通过采用N2个压电陶瓷剪切方形片垂直间隔的排列方式，使得该垂直剪切两分量横波超声换能器能够实现同时对各向异性介质的两个偏振方向的速度和衰减检测。
本发明实施例的垂直剪切两分量横波超声换能器的设计要点以及优点如下：
(1)通过两分量的压电陶瓷剪切方形片间隔垂直设计，配合背衬绝缘吸声块，可以在相同的实验环境下同时测得相互垂直方向的横波速度。
通过N2个压电陶瓷剪切方形片间隔垂直分布排列，形成两种垂直振动的剪切片，每种相向振动间的空缺辐射特性可由压电陶瓷剪切方形片的指向性辐射叠加弥补，形成均匀的辐射。
且两种类型的压电陶瓷剪切方形片处在同一平面上，当用电信号同时激励后，可得到两个振动方向垂直且同时振动的剪切震源。由多个振动方向一致的压电陶瓷剪切方形片均匀分布，辐射指向性叠加弥补，使两个垂直振动的剪切震源的空间辐射特性均匀，且几乎相同。
(2)所有压电陶瓷剪切方形片的下表面在同一平面上。
本发明实施例的两种振动方向的压电陶瓷剪切方形片下表面在同一平面上，具有相同的振动时间和辐射特性。
(3)背衬绝缘吸声块可以改善所测横波速度的波形。
选用环氧树脂胶、钨粉和石粉混合固化后形成的背衬绝缘吸声块具有较好的绝缘性，确保两种类型的压电陶瓷剪切方形片之间的绝缘，并与压电陶瓷剪切方形片有较好的声阻抗匹配性，使压电陶瓷剪切方形片的主振动后的余振减少，减小端部反射影响换能器振动波形。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施例，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施例在范围上并不因而受到限制。
针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，与其它实施例中的特征相组合，或替代其它实施例中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：
图1为本发明实施例的垂直剪切两分量横波超声换能器的结构示意图；
图2为图1中两分量剪切单元的分布结构图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
地下沉积地层中，由裂隙和薄互层引起的各向异性是探测油气的主要参数。同样的，在工业上复合材料的研究中，各向异性也是一种显示材料弹性的重要方法。在相同的实验条件下，同时获得与方向有关的各向异性参数信息，使用多个高质量的检测器同时测试，可使检测精度高、效果更好。
传统检测岩石和复合材料的各向异性一般采用不同传播和偏振方向进行多次测试。这种方式因得不到在同一条件下结果而产生较大的误差或无法得更完整的数据，大大降低了测试精度与测试效率。
在相同的实验环境下，同时获得两个相互垂直方向的横波速度是在模拟地下压力环境下的压力容器内对岩石速度测试时的难题。而随着地震勘探对各种储层岩石速度各向异性参数的需求，越来越重视横波速度的测试，在模拟地下压力环境下对岩石的横波测试时，需要同时得到两个方向的速度。
实际上，现有技术中已有一些两分量横波换能器结构，其采用两片剪切片垂直叠合或并排排列的结构。然而，这些结构的两分量横波换能器结构都不能做到既有相同的振动时间或辐射能量，又能确保波在被测样品内具有相同的传播路径，从而易相互干扰。
针对现有的两分量横波换能器结构存在的上述问题，本发明实施例提供了一种垂直剪切两分量横波超声换能器，通过将N2个性能和尺寸完全相同的压电陶瓷剪切方形片采用垂直间隔的排列方式，以灌注背衬绝缘吸声块的方式减小N2个压电陶瓷剪切方形片的振动周期，使得本发明实施例的垂直剪切两分量横波超声换能器能够实现辐射声场和传播路径相同的两种垂直振动剪切横波，可在不同转动方向时检测到各向异性介质中快慢横波的宽带波形信号，进而可方便的实现对岩石或者其他复合材料各向异性的检测。
本发明实施例适用直径10～30mm的横波超声换能器，频率在0.2-2MHz的范围内操作。如图1所示，本发明实施例的垂直剪切两分量横波超声换能器包括：双分量横波换能器振子1、金属外壳2及双线连接器3。双分量横波换能器振子1设置在金属外壳2中，双线连接器3设置在金属外壳2的外壁。双分量横波换能器振子1包括绝缘内衬管101及收容在绝缘内衬管101中的两分量剪切单元102和背衬绝缘吸声块103，背衬绝缘吸声块103设置在两分量剪切单元102的上表面。
其中，两分量剪切单元102包括：N2(2＜N＜10)个性能和尺寸完全相同的压电陶瓷剪切方形片1021和一个保护片1022。保护片1022的上表面涂银，N2个压电陶瓷剪切方形片1021按照N×N的方形阵列方式排列并间隔设置在保护片1022的涂银面上。保护片1022为厚度约0.3mm的陶瓷片或刚玉片。保护片1022的涂银面引出地线4，地线4埋嵌在背衬绝缘吸声块103中。
相邻压电陶瓷剪切方形片1021之间形成有缝隙，该缝隙中填充有粘性材料例如环氧树脂，从而相邻压电陶瓷剪切方形片1021通过粘性材料例如环氧树脂胶粘接。或者，压电陶瓷剪切方形片1021通过环氧树脂胶粘贴在保护片1022的涂银面上。保护片1022的涂银面用于与N2个压电陶瓷剪切方形片1021粘接，并用作电极与地线4的共同焊接点。
如图2所示，压电陶瓷剪切方形片1021呈正方形，其厚度范围为0.6～4mm，边长为4～6mm。N2个压电陶瓷剪切方形片1021按照N×N的方形阵列方式排列，例如3×3、4×4、5×5…的方式排列，双剪头表示压电陶瓷剪切方形片1021的剪切振动方向。
N2个压电陶瓷剪切方形片1021垂直间隔排列，相邻压电陶瓷剪切方形片1021的振动方向互相垂直。即其中
Figure BDA0002106586520000071
个压电陶瓷剪切方形片1021均沿第一方向L1剪切振动，另外
Figure BDA0002106586520000072
个压电陶瓷剪切方形片1021均沿第二方向L2剪切振动，第一方向L1和第二方向L2垂直。其中，第一方向L1可以为如图2所示意的左右方向，第二方向L2可以为如图2所示意的上下方向，或者相反。按第一方向L1剪切振动的
Figure BDA0002106586520000073
个压电陶瓷剪切方形片1021与按第二方向L2剪切振动的
Figure BDA0002106586520000074
个压电陶瓷剪切方形片1021间隔设置。这样，地线4作为沿第一方向L1剪切振动的
Figure BDA0002106586520000075
个压电陶瓷剪切方形片1021和沿第二方向L2剪切振动的
Figure BDA0002106586520000076
个压电陶瓷剪切方形片1021这两种类型的压电陶瓷剪切方形片的共用地线。
通过N2个压电陶瓷剪切方形片1021间隔垂直分布排列，形成两种类型的垂直振动的剪切片，每种相向振动间的空缺辐射特性可由压电陶瓷剪切方形片1021的指向性辐射叠加弥补，形成均匀的辐射。
所有的压电陶瓷剪切方形片1021的下表面位于同一平面上。由于所有的压电陶瓷剪切方形片1021粘贴在保护片1022上，因此保护片1022的上表面为平整的表面。从而当压电陶瓷剪切方形片1021粘贴在保护片1022上时，可以确保所有压电陶瓷剪切方形片1021的下表面位于同一平面上。
此外，沿第一方向L1剪切振动的
Figure BDA0002106586520000077
个压电陶瓷剪切方形片1021之间用0.5mm细漆包线焊接实现导电互连，沿第二方向L2剪切振动的
Figure BDA0002106586520000078
个压电陶瓷剪切方形片1021之间同样用0.5mm细漆包线焊接实现导电互连。而沿第一方向L1剪切振动的
Figure BDA0002106586520000081
个压电陶瓷剪切方形片1021与沿第二方向L2剪切振动的
Figure BDA0002106586520000082
个压电陶瓷剪切方形片1021彼此绝缘。
并且，沿第一方向L1剪切振动的
Figure BDA0002106586520000083
个彼此导电互连的压电陶瓷剪切方形片1021引出第一引线5，沿第二方向L2剪切振动的
Figure BDA0002106586520000084
个彼此导电互连的压电陶瓷剪切方形片1021引出第二引线6。第一引线5和第二引线6与双线连接器3连接。即沿第一方向L1剪切振动的
Figure BDA0002106586520000085
个彼此导电互连的压电陶瓷剪切方形片1021通过第一引线5与双线连接器3连接，沿第二方向L2剪切振动的
Figure BDA0002106586520000086
个彼此导电互连的压电陶瓷剪切方形片1021通过第二引线6与双线连接器3连接。
背衬绝缘吸声块103通过灌注固化的形式形成在两分量剪切单元102的上表面，背衬绝缘吸声块103的绝缘特性可防止两种类型的压电陶瓷剪切方形片1021之间发生短路，并且背衬绝缘吸声块103与压电陶瓷剪切方形片1021有较好声阻抗匹配性，可减小压电陶瓷剪切方形片1021反向主振动以后的余振。第一引线5、第二引线6和地线4在背衬绝缘吸声块103固化后埋嵌并固定在背衬绝缘吸声块103中，且第一引线5、第二引线6和地线4之间彼此绝缘。背衬绝缘吸声块103可防止第一引线5、第二引线6和地线4之间发生短路。
背衬绝缘吸声块103由环氧树脂、300～600目钨粉和600～800目石粉混合制成，三者的重量比为1：5：(3～5)。其中，石粉用于调节三者混合物的粘稠度以适合灌注成型，并隔绝钨间的导电。该配比固化成型的背衬绝缘吸声块103的声阻抗接近压电陶瓷剪切方形片1021的声阻抗，且不导电，可用于过渡且吸收压电陶瓷剪切方形片1021的余振，减小振动周期。
本发明实施例的垂直剪切两分量横波超声换能器的设计要点以及优点如下：
(1)通过两分量的压电陶瓷剪切方形片1021间隔垂直设计，配合背衬绝缘吸声块103，可以在相同的实验环境下同时测得相互垂直方向的横波速度。
通过N2个压电陶瓷剪切方形片1021间隔垂直分布排列，形成两种垂直振动的剪切片，每种相向振动间的空缺辐射特性可由压电陶瓷剪切方形片1021的指向性辐射叠加弥补，形成均匀的辐射。
且两种类型的压电陶瓷剪切方形片1021处在同一平面上，当用电信号同时激励后，可得到两个振动方向垂直且同时振动的剪切震源。由多个振动方向一致的压电陶瓷剪切方形片1021均匀分布，辐射指向性叠加弥补，使两个垂直振动的剪切震源的空间辐射特性均匀，且几乎相同。
(2)所有压电陶瓷剪切方形片1021的下表面在同一平面上。
本发明实施例的两种振动方向的压电陶瓷剪切方形片1021下表面在同一平面上，具有相同的振动时间和辐射特性。
(3)背衬绝缘吸声块103可以改善所测横波速度的波形。
选用环氧树脂胶、钨粉和石粉混合固化后形成的背衬绝缘吸声块103具有较好的绝缘性，确保两种类型的压电陶瓷剪切方形片1021之间的绝缘，并与压电陶瓷剪切方形片1021有较好的声阻抗匹配性，使压电陶瓷剪切方形片1021的主振动后的余振减少，减小端部反射影响换能器振动波形。
本发明实施例的垂直剪切两分量横波超声换能器的制备工艺如下：
(1)两分量剪切单元102的制备步骤
获取压电陶瓷板，标记压电陶瓷板原剪切的振动方向；将压电陶瓷板等分切割为N2个性能和尺寸完全相同的压电陶瓷剪切方形片1021。
将切割得到的N2个压电陶瓷剪切方形片1021按照N×N(例如3×3、4×4、5×5…)的方形阵列方式间隔排列，并使相邻压电陶瓷剪切方形片1021的振动方向互相垂直。将压电陶瓷剪切方形片1021采用环氧树脂胶粘贴在保护片1022的涂银面上，相邻压电陶瓷剪切方形片1021之间的缝隙用粘性材料填充。
沿第一方向L1剪切振动的
Figure BDA0002106586520000091
个压电陶瓷剪切方形片1021采用漆包线焊接连通，沿第二方向L2剪切振动的
Figure BDA0002106586520000092
个压电陶瓷剪切方形片1021亦采用漆包线焊接连通。然后，从沿第一方向L1剪切振动的
Figure BDA0002106586520000093
个压电陶瓷剪切方形片1021引出第一引线5，从沿第二方向L2剪切振动的
Figure BDA0002106586520000094
个压电陶瓷剪切方形片1021引出第二引线6，从保护片1022的涂银面上引出地线4。
(2)绝缘内衬管101的制作步骤
用绝缘管料加工出绝缘内衬管101，使其高度为压电陶瓷剪切方形片1021厚度的10倍。
(3)背衬绝缘吸声块103的制备步骤
把环氧树脂、300～600目钨粉和600～800目石粉按1：5：(3-5)的重量比混合搅拌，等待固化。
(4)双分量横波换能器振子1的制备步骤
将步骤(1)制备的两分量剪切单元102放入绝缘内衬管101中，使两分量剪切单元102的保护片1022的下表面与绝缘内衬管101的下端面持平。在将步骤(3)制备的环氧树脂、钨粉和石粉的混合物从绝缘内衬管101的上端开口灌注入其中，待混合物固化后与两分量剪切单元102的压电陶瓷剪切方形片1021的紧密粘接，形成一个双分量横波换能器振子1。
(5)金属外壳2的制备步骤
用金属材料加工一个金属外壳2，金属外壳2与双双线连接器3配合构成换能器的屏蔽外壳。
(6)装配步骤
将步骤(1)制备的双分量横波换能器振子1封装在金属外壳2内，并确保双分量横波换能器振子1与金属外壳2绝缘。再将第一引线5、第二引线6、地线4与双线连接器3连接；完成制作。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从21到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容，可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种垂直剪切两分量横波超声换能器，其特征在于，包括：双分量横波换能器振子、金属外壳及双线连接器；双分量横波换能器振子设置在金属外壳中，双线连接器设置在金属外壳的外壁；双分量横波换能器振子包括绝缘内衬管及收容在绝缘内衬管中的两分量剪切单元和背衬绝缘吸声块，背衬绝缘吸声块设置在两分量剪切单元的上表面；
所述两分量剪切单元包括：N2个性能和尺寸完全相同的压电陶瓷剪切方形片以及一个保护片；保护片的上表面涂银，N2个压电陶瓷剪切方形片按照N×N的方形阵列方式排列并间隔设置在保护片的涂银面上；所有压电陶瓷剪切方形片的下表面位于同一平面上；相邻压电陶瓷剪切方形片的振动方向互相垂直，即其中
Figure FDA0002106586510000011
个压电陶瓷剪切方形片沿第一方向剪切振动，另外
Figure FDA0002106586510000012
个压电陶瓷剪切方形片沿第二方向剪切振动，第一方向与第二方向垂直；此外，沿第一方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000013
个压电陶瓷剪切方形片导电互连，沿第二方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000014
个压电陶瓷剪切方形片导电互连；并且，沿第一方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000015
个导电互连的压电陶瓷剪切方形片通过第一引线与双线连接器连接，沿第二方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000016
个导电互连的压电陶瓷剪切方形片通过第二引线与双线连接器连接；且沿第一方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000017
个压电陶瓷剪切方形片与沿第二方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000018
个压电陶瓷剪切方形片彼此绝缘；第一引线和第二引线埋嵌在背衬绝缘吸声块中，第一引线和第二引线彼此绝缘。
2.如权利要求1所述的垂直剪切两分量横波超声换能器，其特征在于，相邻压电陶瓷剪切方形片之间的缝隙中填充有粘性材料，从而相邻压电陶瓷剪切方形片通过所述粘性材料粘接。
3.如权利要求1所述的垂直剪切两分量横波超声换能器，其特征在于，所述压电陶瓷剪切方形片的厚度范围为0.6～4mm，边长范围为4～6mm。
4.如权利要求1所述的垂直剪切两分量横波超声换能器，其特征在于，所述保护片为陶瓷片或刚玉片。
5.如权利要求1所述的垂直剪切两分量横波超声换能器，其特征在于，所述保护片的涂银面引出地线，所述地线埋嵌在所述背衬绝缘吸声块中，并与第一引线和第二引线彼此绝缘；所述地线作为沿第一方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000021
个压电陶瓷剪切方形片和沿第二方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000022
个压电陶瓷剪切方形片这两种类型的压电陶瓷剪切方形片的共用地线。
6.如权利要求1所述的垂直剪切两分量横波超声换能器，其特征在于，所述背衬绝缘吸声块由环氧树脂、300～600目钨粉和600～800目石粉混合制成，三者的重量比为1：5：(3～5)。
7.如权利要求1所述的垂直剪切两分量横波超声换能器，其特征在于，所述绝缘内衬管的高度为压电陶瓷剪切方形片厚度的10倍。
8.如权利要求1所述的垂直剪切两分量横波超声换能器，其特征在于，沿第一方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000023
个压电陶瓷剪切方形片与沿第二方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000024
个压电陶瓷剪切方形片具有相同的振动时间和辐射特性。
9.一种如权利要求1至8任意一项所述的垂直剪切两分量横波超声换能器的制备方法，其特征在于，包括：
(1)两分量剪切单元的制备步骤
获取压电陶瓷板，标记压电陶瓷板原剪切的振动方向；将压电陶瓷板等分切割为N2个性能和尺寸完全相同的压电陶瓷剪切方形片，将N2个压电陶瓷剪切方形片按照N×N的方形阵列方式排列，并使相邻压电陶瓷剪切方形片的振动方向互相垂直；将N2个压电陶瓷剪切方形片粘贴在保护片的涂银面上，相邻压电陶瓷剪切方形片之间的缝隙用粘性材料填充；沿第一方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000031
个压电陶瓷剪切方形片采用漆包线焊接实现导电连通，沿第二方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000032
个压电陶瓷剪切方形片亦采用漆包线焊接实现导电连通；从沿第一方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000033
个导电互连的压电陶瓷剪切方形片引出第一引线，从沿第二方向剪切振动的
Figure FDA0002106586510000034
个导电互连的压电陶瓷剪切方形片引出第二引线，从保护片的涂银面上引出地线；
(2)绝缘内衬管的制作步骤
用绝缘管料加工出绝缘内衬管，使其高度为压电陶瓷剪切方形片厚度的10倍；
(3)背衬绝缘吸声块的制备步骤
把环氧树脂、300～600目钨粉和600～800目石粉按1：5：(3-5)的重量比混合搅拌，等待固化；
(4)双分量横波换能器振子的制备步骤
将步骤(1)制备的两分量剪切单元放入绝缘内衬管中，使两分量剪切单元的保护片的下表面与绝缘内衬管的下端面持平；将步骤(3)制备的环氧树脂、钨粉和石粉的混合物从绝缘内衬管的上端开口灌注入其中，待混合物固化后与两分量剪切单元的压电陶瓷剪切方形片的紧密粘接，形成一个双分量横波换能器振子；
(5)金属外壳的制备步骤
用金属材料加工出金属外壳，金属外壳与双线连接器配合构成换能器的屏蔽外壳；
(6)装配步骤
将步骤(4)制备的双分量横波换能器振子封装在金属外壳内，并确保双分量横波换能器振子与金属外壳绝缘，再将第一引线、第二引线、地线与双线连接器连接，完成整个制备过程。
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