CN110277485A - 复合材料叠层弯曲振动元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料叠层弯曲振动元件及其制备方法。该复合材料叠层弯曲振动元件包含叠堆的厚度相同的至少两层压电复合材料。压电复合材料的叠层形式可以是双叠片、多叠片及带金属板的叠片形式等。压电复合材料为压电陶瓷复合材料或压电单晶复合材料。该制备方法包括：设计并制备相应尺寸的压电复合材料；将尺寸相同的压电复合材料按照电路并联方式进行粘接，制成复合材料叠片压电振子。粘接时，施加外力对复合材料进行挤压，以使其粘接紧密。本发明弥补了现有低频换能器振动位移较小的缺陷，最终能够实现换能器发射电压响应的提高。
Description
技术领域
本发明属于水声探测技术领域，具体涉及一种复合材料叠层弯曲振动元件及其制备方法，将其应用于换能器中实现发射和接收水声信号从而实现水中探测。
背景技术
我们生存的星球上海洋面积占地球表面积的71％。海洋作为地球上尚未充分开发利用的最大领域，在解决人类面临的人口、资源、环境的矛盾方面发挥着越来越大的作用。对海洋资源的探查和开发能力，成为一个国家海洋技术水平的主要标志，海洋空间利用能力也成为国家战略发展的需要和综合实力的体现。
众所周知声波是开发利用海洋资源的重要手段，这是因为声波在水中的传播距离较光、电磁波等远得多。人们利用声波这种信息载体研制了对水下目标实现探测、定位、识别和通信的电子设备—声纳。按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号的重要器件被称为声纳换能器，也叫水声换能器，它是将电信号与水声信号进行相互转换的器件，是水下通信导航、水产渔业、海洋资源开发、海洋地质地貌探测等领域应用的重要器件。换能器是水声设备与介质进行信息交流的前端能量转换系统，它的使命就是将待发送的信号不失真和高效的按指定的方向发射出击，或高灵敏度的接受介质中的声信号并不失真的转化成电信号。
不同的应用领域对水声换能器的指标要求大不相同，如主动声呐远程探测及海底资源勘探应用中要求发射换能器具有低频大功率发射特性；噪声模拟器、声呐校准系统中要求换能器具有超低频、超宽带发射特性；水声通信领域中则要求水声换能器具有高效率、宽带、深水工作特性等。总体上，当前水声换能器的研究朝着低频、宽带、大功率、小尺寸、深水工作的方向发展。由于低频声波信号在水下可远距离传播，因此工作频率在20Hz到10kHz的低频宽带换能器，可实现远距离目标探测，是目前舰船、潜艇等必不可少的装备。研究开发新材料和新结构，提升低频换能器的性能，对推动我国海洋工程技术发展和增强海军水下对抗的实力具有现实意义。现行的低频换能器主要有：弯张换能器、新型功能材料换能器、Helmholtz共鸣器、叠片弯曲振动换能器。
1、弯张换能器
弯曲伸张换能器简称弯张换能器，是一种获得低频大功率和宽带声信号的小巧声源，壳体通常是曲面的反转体、曲线的回旋体或椭圆的平移体。弯张换能器的工作原理是：利用压电陶瓷晶片堆的纵向伸缩振动激励壳体作弯曲振动，耦合成弯曲伸张振动模式。到目前为止，弯张换能器总共分为七种类型。I型、II型、III型弯张结构相似，圆柱形的驱动堆在中间，外面用狭板组成的壳体分布在与驱动堆同心的圆周上，统称为一类，都利用螺杆来施加预应力，与纵振换能器相似。IV型和VII型弯张结构相似，壳体都是将弯曲平面拉伸得到，所不同的只是截面的形状不同。V型和VI型结构相似，结构通常为中心对称，中间用压电圆片或圆环驱动，凸形或凹形的壳体与陶瓷的外边缘连接。上述七种类型工作频率范围为200Hz～5KHz，其中III型弯张换能器应用较为普遍，如西北工业大学的尚宇航研究制备III型弯张换能器，其通过ANSYS有限元软件仿真一阶谐振频率为2668Hz,制作出换能器样机测试谐振频率为2.7kHz。
2、新型功能材料换能器
新型超磁致材料Terfenol-D和新型压电单晶材料PMNT在大功率声发射方面显示出了巨大优势，稀土材料Terfenol-D以高能量密度与低声速特点被广泛应用于低频大功率水声换能器中，如930Hz VII型弯张换能器、1300Hz III型弯张换能器、2kHz纵向换能器、800Hz鱼唇式弯张换能器等。弛豫铁电单晶材料PMNT和PZNT是上世纪九十年代出现的新型压电材料。宾夕法尼亚大学应用研究室Richard J.Meyer等人利用单晶材料和PZT8材料制作同结构尺寸的纵向式换能器，在保证相近频率工作前提下，单晶换能器长度小30％，响应更高，效率更高，声源级在带宽范围内最大205dB。张凯等人利用8片单晶的33模式制作了中频纵振动换能器，利用ANSYS有限元软件设计并制作带宽为17kHz-120kHz样机，起伏正负5dB。中科院刑建新等人通过PMNT单晶和PZT-5陶瓷分别制作了Cymbal结构的压差矢量水听器，利用ANSYS软件分析得到了单晶水听器比陶瓷水听器谐振频率低2kHz,在1kHz处单晶水听器比陶瓷水听器灵敏度高5dB。
以上两种新型功能材料在制作低频大功率宽带水声换能器方面，均具有很大的优势，但是两种材料价格昂贵，成本太高。
3、Helmholtz共鸣器
Helmholtz共鸣器通常利用压电陶瓷管激励、弯曲圆盘激励和压电陶瓷球激励，一般工作频带很窄。Helmholtz共鸣器的工作频率可以达到100Hz甚至更低，而且工作深度很大，其声学性能受压强影响不大，但是Helmholtz共鸣器机械品质因数非常高，带宽较窄，效率较低，难以满足水声通信等领域的带宽要求，当用作超低频发射器时，腔体需要非常大，工程上难以实现。针对带宽较窄的问题，同济大学声学所王旭在理论上提出采取周期性Helmholtz共鸣器管道来提高带宽，并模拟一个安装5个相同共鸣器的管道能够在240-820Hz的宽频范围内到达3-15dB的平均传递损失，而整个系统的效果在此频率范围内达到15-75dB。
4、叠片弯曲振动换能器
弯曲振动压电陶瓷复合叠片是一种利用压电陶瓷片与金属片组成的复合双叠片和三叠片振动元件。复合叠片振动元件可分为圆形叠片结构和矩形结构，谐振频率范围为2kHz-10kHz，如图1、图2所示的圆形叠片元件与矩形叠片元件。弯曲振动压电陶瓷复合叠片具有结构简单、尺寸小、重量轻等优点，是一种理想的低频谐振声源，而且能够在同一几何尺寸下，产生比纵向、厚度及径向振动频率低得多的共振频率。弯曲振动换能器与弯张结构换能器相比较，效率相对较高，制作工艺相对简便，质量轻。与新型功能材料制作的换能器相比，其制作成本较低。与Helmholtz共鸣器相比，带宽相对较大，可以满足水声通信等领域的带宽要求。
综上所述，叠片弯曲振动换能器制作工艺简便，体积相对较小，成本较低，带宽和发射性能相对较好，作为小体积声源具有显著优势，但是当前弯曲振动叠片元件均使用压电陶瓷制作而成，其机电耦合性能较低，声阻抗较高，振动位移相对较小，限制了换能器的性能。
发明内容
针对上述问题，为了实现换能器低频、宽带性能，增大元件振动位移，减小其声阻抗，本发明提出了一种复合材料叠层弯曲振动元件及其制备方法，不仅实现了换能器的低频、宽带性能，并且能提高元件的振动位移。
本发明采用的技术方案如下：
一种复合材料叠层弯曲振动元件，包含叠堆的厚度相同的至少两层压电复合材料。
进一步地，各层压电复合材料按电路并联方式进行粘结。
进一步地，所述复合材料叠层弯曲振动元件由压电复合材料和金属板构成，相邻的两层压电复合材料中间夹带金属板。
进一步地，所述压电复合材料为压电陶瓷复合材料(即压电陶瓷/聚合物复合材料)或压电单晶复合材料(即压电单晶/聚合物复合材料)，如1-3型压电复合材料、2-2型压电复合材料等。
进一步地，所述复合材料叠层弯曲振动元件中，压电复合材料的叠层形式可以是双叠片、多叠片及带金属板的叠片形式等。比如压电复合材料可为双层或四层等偶数层，也可以是三层、五层等奇数层。带金属板的叠片元件可以包含多层金属板和压电复合材料，例如第一、三、五层是复合材料，第二、四层是金属板，如图3所示。
一种复合材料叠层弯曲振动换能器，其包含上面所述的复合材料叠层弯曲振动元件。
一种上述复合材料叠片弯曲振动元件的制备方法，包括以下步骤：
1)设计并制备相应尺寸的压电复合材料，主要包含1-3型压电复合材料、2-2型压电复合材料；
2)将尺寸相同的压电复合材料按照电路并联方式进行粘接，制成复合材料叠片压电振子。
进一步地，粘接时，施加外力对复合材料进行挤压，以使其粘接紧密。
本发明的有益效果如下：
本发明能够设计和制备复合材料叠层振动元件，采用平面形的厚度相同的压电复合材料进行堆叠，弥补了现有低频换能器振动位移较小的缺陷，最终能够实现换能器发射电压响应的提高。
附图说明
图1是采用压电陶瓷的圆形叠片换能器结构示意图。
图2是采用压电陶瓷的矩形叠片换能器结构示意图。
图3是带金属板的多层叠片弯曲振动元件示意图。
图4是纯陶瓷双叠片弯曲振动元件示意图。
图5是1-3型复合材料双叠片弯曲振动元件示意图。
图6是2-2型复合材料双叠片弯曲振动元件示意图。其中，(a)长度方向切割，(b)宽度方向切割。
图7是纯陶瓷双叠片弯曲振动元件电导纳曲线。
图8是1-3型复合材料双叠片弯曲振动元件导纳曲线。
图9是2-2型复合材料双叠片弯曲振动元件导纳曲线。其中，(a)长度方向切割，(b)宽度方向切割。
图10是纯陶瓷双叠片弯曲振动元件振动模态图。
图11是1-3型复合材料双叠片弯曲振动元件振动模态图。
图12是2-2型复合材料双叠片弯曲振动元件振动模态图。(a)长度方向切割，(b)宽度方向切割。
图13是带金属板的复合三叠片振动元件示意图。
图14是三叠片振动元件导纳曲线。
图15是三叠片振动元件振动模态图。
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。
利用有限元分析软件ANSYS对复合材料叠层弯曲振动元件和纯陶瓷材料的叠片振动元件进行数值仿真，纯陶瓷、1-3型复合材料和2-2型复合材料双叠片弯曲振动元件的结构图如图4、5、6所示，其中2-2型复合材料双叠片又可分为沿长度切割和沿宽度方向切割两种结构。
仿真的纯陶瓷、1-3型、2-2型复合材料双叠片弯曲振动元件的导纳曲线如图7、8、9所示，其横坐标FREQ表示施加在复合材料叠片振动元件上的电压的频率，纵坐标VALU表示复合材料的导纳值。
纯陶瓷、1-3型复合材料双叠片弯曲振动元件、2-2型复合材料双叠片弯曲振动元件的振动位移如图10、11和12所示。
有限元仿真模型的具体尺寸及结果如表1所示。
表1仿真尺寸及结果
由仿真结果可以看出，2-2型压电复合材料双叠片弯曲振动元件谐振频率与纯陶瓷双叠片弯曲振动元件谐振频率大小几乎相等，均低于1-3型压电复合材料双叠片弯曲振动元件的谐振频率,但是2-2型压电复合材料双叠片弯曲振动元件振动位移要远远大于纯陶瓷与1-3型压电复合材料双叠片振动元件，所以选择2-2型压电复合材料双叠片振动元件更适合制作低频发射换能器。
利用有限元分析软件ANSYS对带金属板的复合三叠片振动元件进行数值仿真，元件结构图如图13所示，仿真计算得到的导纳曲线及振动位移如图14和15所示。由仿真结果可以看出，带铝板的2-2型压电复合材料三叠片弯曲振动元件谐振频率与纯陶瓷双叠片弯曲振动元件谐振频率大小几乎相等,但其弯曲振动位移大于纯陶瓷与压电复合材料双叠片振动元件。
本发明的复合材料叠层弯曲振动元件及其制备方法，其中复合材料涵盖陶瓷/聚合物复合材料、单晶/聚合物复合材料等。复合材料叠层形式包含双叠片、多叠片及带金属板的叠片形式。
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 (9)
1.一种复合材料叠层弯曲振动元件，其特征在于，包含叠堆的厚度相同的至少两层压电复合材料。
2.如权利要求1所述的复合材料叠层弯曲振动元件，其特征在于，各层压电复合材料按电路并联方式进行粘结。
3.如权利要求1所述的复合材料叠层弯曲振动元件，其特征在于，所述压电复合材料的叠层形式为下列中的一种：双叠片压电复合材料、多叠片压电复合材料、相邻的两层压电复合材料中间夹带金属板。
4.如权利要求3所述的复合材料叠层弯曲振动元件，其特征在于，所述金属板为一层或多层。
5.如权利要求1所述的复合材料叠层弯曲振动元件，其特征在于，所述压电复合材料为压电陶瓷复合材料或压电单晶复合材料。
6.如权利要求5所述的复合材料叠层弯曲振动元件，其特征在于，所述压电复合材料为1-3型压电复合材料或2-2型压电复合材料。
7.一种复合材料叠层弯曲振动换能器，其特征在于，包含权利要求1～6中任一权利要求所述的复合材料叠层弯曲振动元件。
8.一种权利要求1所述复合材料叠层弯曲振动元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)设计并制备相应尺寸的压电复合材料；
2)将尺寸相同的压电复合材料按照电路并联方式进行粘接，制成复合材料叠层弯曲振动元件。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤2)在粘接时施加外力对压电复合材料进行挤压，以使其粘接紧密。
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