CN111403593A - 一种用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件及其制备方法。该敏感元件包括至少两个敏感模块，各敏感模块自内向外依次套接，各敏感模块的厚度自内向外依次减小，各敏感模块之间设有柔性材料层；每个敏感模块包含带基底的压电小柱阵列，以及固定安装在压电小柱阵列的上表面的金属板，所述压电小柱阵列中压电小柱之间的缝隙内填充空气。利用该敏感元件，可进一步制作水声换能器。本发明将压电小柱中填充的聚合物更换为空气，可使换能材料获得高机电耦合系数和接收灵敏度，并通过多频叠加的方式展宽带宽。
Description
技术领域
本发明属于压电材料、水声换能器技术领域，具体涉及一种用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的压电材料和空气组成的敏感元件及其制备方法。
背景技术
目前水声换能器的研究主要集中在以下几个方面：(1)进一步降低工作频率(这主要是针对低频换能器)，增大发射声功率，以增加换能器发、收声波的传播距离。(2)拓展换能器的工作带宽。(3)提高换能器的灵敏度，即提高换能器的机电转换性能，也就是提高发射电压响应和接收灵敏度。提高发射电压响应可以增加换能器发射声波的能力，提高接收灵敏度可以提高对微弱信号(如静音潜艇)的探测能力。
下面针对换能器带宽和灵敏度两个方面进行说明。
目前，国内外拓展换能器带宽主要有两个途径：(1)复合材料；(2)多模耦合技术(包括帖覆匹配层)。压电复合材料由压电材料与聚合物复合而成，它主要通过添加聚合物相来提高材料的综合性能。典型的压电复合材料采用切割陶瓷-浇注聚合物方法制备，即将压电陶瓷切割成小柱阵列，在小柱阵列间加入柔性聚合物(如环氧树脂、橡胶等)制成复合材料。压电复合材料有如下优点：①柔性大；②厚度机电耦合系数高；③带宽大；④振动模态纯净；⑤声阻抗小(易于和水介质匹配)。压电复合材料的研究目前在国际上异常活跃，高频声呐普遍采用它，如前视避碰声呐、成像声呐、浅海地形声呐等。换能器的多模耦合振动拓宽频带的基础是多模态耦合理论。对于一个换能器，其振动系统通常存在多个谐振频率(多个模态)，当系统中两种或两种以上的振动模态的频率相互靠近，其对应的谐振峰值下降3dB(或6dB)时能够相交而不产生明显的凹谷，则这两种模态将形成双模态振动耦合，频带可展宽。合理设计换能器振动元件的结构参数，使其产生两种或两种以上的振动模态并相互耦合，可以达到拓展带宽的目的。
提高换能器的灵敏度，主要是通过提高换能器的机电转换效率，换能器发射电压响应和接收灵敏度都反映了机电转换效率的高低。机电转换效率正比于机电耦合系数的平方，提高机电转换效率最终落在提高机电耦合系数上。提高机电耦合系数是换能器研究方面永远追求的目标，也是国际上换能器研究领域所面临的难点。对所有压电材料来说，纵向伸缩振动模态的机电耦合系数k33都大于厚度振动模态的机电耦合系数kt。所以，如能将压电材料的厚度振动模态转化为纵向伸缩振动模态，其机电耦合系数将会得到提高。研究者们意识到，复合材料内部压电材料的振动模态是影响复合材料性能的主要因素。例如，1-3型压电复合材料就是通过将整块压电材料的厚度振动转化为许多压电小柱的纵向伸缩振动，来提高性能的。通过改变材料的振动模态，1-3型压电复合材料等效厚度机电耦合系数会比纯压电材料厚度机电耦合系数提升约20％。通过对各种复合材料的研究，大家基本倾向于使用1-3型和1-3-2型压电复合材料。因为它们具有制备工艺简单、压电性强、机电耦合系数大的特点。总之，通过复合材料，可以将压电材料的厚度振动模态转变为压电小柱的纵向伸缩振动模态，提高机电耦合系数，从而提高换能器的灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频宽带高灵敏平面水声换能器，拓宽换能器的带宽、提高机电耦合系数、提高换能器的灵敏度是本发明研究的主要问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件，包括至少两个敏感模块，各敏感模块自内向外依次套接，各敏感模块的厚度自内向外依次减小，各敏感模块之间设有柔性材料层；每个敏感模块包含带基底的压电小柱阵列，以及固定安装在压电小柱阵列的上表面的金属板，所述压电小柱阵列中压电小柱之间的缝隙内填充空气。
进一步地，所述柔性材料层为硅橡胶，通过硅橡胶将各敏感模块粘接在一起。
进一步地，所述带基底的压电小柱阵列采用的压电材料为压电陶瓷或压电单晶。
进一步地，所述敏感模块的外形为正方形、长方形、圆形、方环形和圆环形等。
进一步地，所述基底的下表面镀有电极。
一种制备所述用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件的方法，包括以下步骤：
沿着X方向切割已在厚度方向极化的上下表面镀有电极的压电材料片；
沿着Y方向切割压电材料片，形成带基底的压电小柱阵列；
在压电小柱阵列的上表面粘接金属板，形成敏感模块；
将至少两个敏感模块拼接在一起，各敏感模块自内向外依次套接，各敏感模块的厚度自内向外依次减小，各敏感模块之间设置柔性材料层。
进一步地，所述柔性材料层为硅橡胶，通过硅橡胶将各敏感元件单元粘接在一起。
一种水声换能器，其包括权所述用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件，所述敏感元件的上下表面引出电极引线，所述敏感元件的下表面粘接吸声层和金属后盖板，所述敏感元件、吸声层和金属后盖板外部设有防水透声层。
进一步地，所述吸声层为硬质泡沫，所述金属后盖板的材质为不锈钢，所述防水透声层采用聚氨酯胶封并固化形成。
本发明将压电小柱缝隙中填充的聚合物更换为空气，可使换能材料获得高机电耦合系数和接收灵敏度，其优点和有益效果为：
(1)在宏观上，可以避免整块材料非厚度振动模态的存在，使厚度振动模态变得单纯，提高有效机电耦合系数。
(2)由压电小柱构成的整块材料的厚度振动体现为压电小柱的纵振的集体行为，即压电材料的机电耦合系数由kt转变为k33，提高了机电耦合系数，从而可提高换能器的发射电压响应和接收灵敏度。
(3)通过上表面的金属板，将声场中的声压传递到压电小柱上，起到应力放大作用，进一步提高换能器的接收灵敏度。
(4)通过多频叠加(多模块信号叠加)的方式展宽带宽。
本发明结构的换能器有助于提高我国高频声呐的探测精度，特别是接收声呐的接收灵敏度。
附图说明
图1是“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构示意图。
图2是“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构的敏感元件制备过程示意图。
图3是四个模块拼接构成的整体敏感元件示意图，其中(a)图是背面图，(b)图是正面图，(c)图是盖金属板(如薄铜板)后的示意图。
图4是四个模块的频谱示意图。
图5是四个模块叠加起来的频谱示意图。
图6是厚度不同的四个模块拼接起来的三维爆炸图。
图7是换能器的封装结构示意图。
图8是制作完成后的换能器外形示意图。
图9是制作完成后的换能器剖面图。
图10是一个压电小柱单元1/4结构图。
图11是带铜盖板的压电小柱阵列结构的电导曲线图。
图12是带金属盖板的压电小柱阵列结构在谐振处的振动位移图，其中(a)图是振动相位角θ为0°的情况，(b)图是振动相位角θ为180°的情况。
图13是“添加环氧树脂的PZT小柱阵列结构”换能器的发送电压响应和接收灵敏度图。其中(a)图是发送电压响应，(b)图是接收灵敏度。
图14是“不添加聚合物的PZT小柱阵列结构”换能器的发送电压响应和接收灵敏度图，其中(a)图是发送电压响应，(b)图是接收灵敏度。
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，对本发明做进一步详细说明。
本发明研制一种高频宽带高灵敏平面水声换能器，该换能器的主要特点为宽带和高灵敏。其中宽带通过多频叠加方式实现，高灵敏通过提高材料机电耦合系数和应力放大效应实现。
一.提高换能器的灵敏度
换能器灵敏度对于发射换能器来说称为发射电压响应，对接收换能器来说称为接收灵敏度。提高灵敏度可通过提高机电耦合系数实现。另外，对于接收换能器来说，应力放大也能提高接收灵敏度。本发明采用“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构作为敏感元件。其中带基底的压电小柱阵列所采用的的压电材料可以是压电陶瓷(如PZT)、压电单晶等。下面主要以压电陶瓷为例进行说明。
1.敏感元件的基本结构：带基底的压电小柱阵列+金属板
图1为“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构敏感元件的示意图。该结构包括由压电陶瓷垂直切割形成的带基底的压电小柱，用空气代替聚合物充填压电小柱缝隙，在压电小柱上面粘接金属板，陶瓷基底的底面镀电极。
该“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构的特点是：
1)采用不添加聚合物的压电小柱阵列结构，能够提高机电耦合系数。
通常人们习惯于用切割压电材料浇注聚合物(如环氧树脂)的方法制备1-3型压电复合材料，它使压电材料从厚度振动模态转为压电小柱的纵向伸缩振动模态，从而提高机电耦合系数。但由于聚合物的加入，增加了损耗，同时有损于机电耦合系数的提高。本发明的“不添加聚合物的压电小柱阵列结构”，用空气代替聚合物充填压电小柱缝隙，可充分突显压电小柱的纵振行为，使压电材料的厚度振动更大程度体现为压电小柱的纵振行为，可最大限度的提高机电耦合系数。
该“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构是在1-3-2型复合材料基础上进行的改进(即将1-3-2型压电复合材料的聚合物部分去掉)，体现压电小柱阵列的d33振动模态，获得高的机电耦合系数；一方面，压电材料的机电耦合系数由kt转变为k33，提高了机电耦合系数；另一方面，消除了压电小柱间横向耦合，使整块材料厚度振动模态变得单纯，提高了机电耦合系数。
2)金属盖板可以将来自声场的声压传到每个压电小柱上，增大了压电小柱内部的应力，起到应力放大作用，通过压电小柱应力放大效应，提高换能器的接收灵敏度。即对于接收换能器来说，通过应力放大可提高接收灵敏度。另外金属板还能起到框架支撑作用。
需要说明的是，该“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构的形状(俯视的角度)不限于图1中的正方形，也可以是长方形、圆形等。下面主要以图1所示的正方形结构为例进行说明。
2.“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构的制备方法
图2为上述“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构的敏感元件制备过程示意图，包括以下步骤：
1)获取压电陶瓷片(在厚度方向极化、上下面已镀电极)，如图2中(a)图所示；
2)沿着X方向切割压电陶瓷片，切割后如图2中(b)图所示；
3)沿着Y方向切割压电陶瓷片，形成带有基底的压电材料方形小柱阵列，如图2中(c)图所示；
4)在压电小柱上面粘接金属板(金属板的厚度远小于声波的波长，金属板的杨氏模量越大越好，密度越小越好)，形成“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构，如图2中(d)图所示。
二.拓宽频带
现有技术中压电复合材料扩展带宽的目的是通过添加聚合物、增大损耗，降低品质因数的办法实现的，其代价是降低了机电转换效率，同时，器件容易发热，特别在换能器连续工作的情况下，由于发热，换能器的性能会发生很大变化。所以，利用填充聚合物构成的压电复合材料在同时考虑到扩展带宽和提高换能器的机电转换性能两个方面时，不可取。
本发明采用多频叠加(多个厚度不同的压电复合材料方块拼接在一起产生多频叠加)展宽带宽。整体敏感元件结构如图3所示，由四个敏感模块组成，其中(a)图是背面图，(b)图是正面图，(c)图是盖金属板(如薄铜板)后的示意图。每个敏感模块即为图1所示的结构。中间的敏感模块为方形，其厚度最大，依次向外是三个方环形状的敏感模块，厚度逐渐减小。由于模块厚度不同，谐振频率就不同，合理设计四个模块的厚度，通过响应叠加，在各自的-3db频率点处重合时，能够有效的拓展换能器带宽，即频带叠加(也叫频带组合)，如图4、5所示。
其中，四个模块之间设置柔性材料层，以保证每个模块的振动是独立的，四个模块各自引出电极引线。该柔性材料层可以是具有粘性的，如采用柔性的硅橡胶粘接，也可以是不具有粘性的柔性材料层。
图6为厚度不同的四个模块拼接过程示意图及三维爆炸图。首先沿着X、Y方向切割压电材料，形成四个模块，然后进行拼装粘接，并被覆金属板(如图中示意的铜板)。
本实施例以四个模块嵌套拼接而成，如果带宽还小，希望进一步增加带宽，可以继续增加模块的数量，比如用六块或九块等。
三.换能器的整体封装
本发明的目的是最大限度扩展换能器宽带和提高换能器灵敏度。为了达到该目的：①敏感材料尽可能突出压电小柱独立振动行为(纵向伸缩振动模态的机电耦合系数k33大于厚度振动模态的机电耦合系数kt，另外，单纯的压电小柱的振动模态相对比较纯洁)，提高机电耦合系数，从而提高换能器的发射电压响应和接收灵敏度，并通过应力放大作用进一步提高换能器的接收灵敏度。②通过多频叠加(多谐振模块信号叠加)方法展宽带宽。
换能器的封装结构如图7所示。敏感元件中四个模块各自引出电极引线，再与硬质泡沫、金属后盖板粘接在一起，用聚氨酯胶封，固化形成防水透声层，完成换能器的制作。制作完成后的换能器外形如图8所示，其剖面图如图9所示。将换能器置于消声水池中，依据相关标准进行全性能测试(包括换能器的发射电压响应、接收灵敏度、频带宽度，以及指向性等)。
四.可行性分析及实验测试
1.多块不同厚度压电材料拼接展开带宽的可行性分析
由于四块厚度不同的压电材料模块分别有不同的谐振频率，合理设计每个模块的厚度，在各自的-3db频率点重合时，能够有效的拓展换能器带宽，如图4，5所示。如果带宽还小，希望进一步增加带宽，可以继续增加模块的数量。
2.采用“带基底的压电小柱阵列+金属板”提高灵敏度的可行性
通过应力放大作用，可提高换能器的接收灵敏度。如图10所示，来自声场的声压即敏感元件上表面受压强为p，压电小柱上纵向应力为T3,金属板很薄(金属板厚度远小于金属板中声波的波长)，声压p通过金属板作用在压电小柱上，压电小柱上承受的应力可近似为：
式中，w和w1分别为阵列单元和压电小柱的宽度。
作用在压电小柱上的应力大于外声场中的声压，压电小柱上机-电耦合出来的电场变大了，上下极板间的电压就变大了，换能材料的接收灵敏度便提高了。
利用g型压电方程：
式中，E3为沿压电小柱长度方向的电场强度，g33为压电(劲度)常数，
为恒应力下的介电隔离率,D3为沿压电小柱长度方向的电位移。在仅考虑应力的情况下，E3＝-g33T3，这样压电小柱上产生的电压为：
V＝-g33T3h1
式中h1为小柱的高度，h为压电材料(基底+压电小柱)的高度，换能器的接收灵敏度约提高
倍。
所以通过金属板，提高换能器的接收灵敏度。
4.换能器的性能测试及比较
本实施例对PZT-5A压电陶瓷材料进行切割，得到带基底的压电小柱阵列结构，用导电胶将金属铜板和切割好的压电陶瓷小柱阵列粘接在一起，得到带铜盖板的PZT小柱阵列结构。分别采用阻抗分析仪和激光测振仪对“带铜盖板的PZT小柱阵列结构”元件进行测试，测试结果如图11、12所示。图11的电导曲线中可以看出，其谐振频率是175kHz；图12的振动位移图(图中θ表示振动相位角)中可以看出，谐振时整个铜盖板在步调一致的上下振动。
本实施例制作了同尺寸情况下的“不添加聚合物的带基底的PZT小柱阵列+金属板”的换能器，和“添加环氧树脂的带基底的PZT小柱阵列结构+金属板”换能器。在消声水池中分别对它们进行发送电压响应和接收灵敏度的测试，图13是“添加环氧树脂的PZT小柱阵列结构”换能器的发送电压响应((a)图)和接收灵敏度((b)图)，图14是“不添加聚合物的PZT小柱阵列结构”换能器的发送电压响应((a)图)和接收灵敏度((b)图)。
图13中，“添加环氧树脂的PZT小柱阵列结构”换能器发送电压响应达到157dB，接收灵敏度达到-195dB。图14中，“不添加聚合物的PZT小柱阵列结构”换能器发送电压响应达到163dB，增加6dB；接收灵敏度达到-169dB，增大26dB。可见“不添加聚合物的压电小柱阵列结构”换能器的性能优越于“添加环氧树脂的压电小柱阵列结构”换能器。
综上，本发明的特色与创新之处主要包括：
1)用空气代替聚合物充填压电小柱缝隙，可充分突显压电小柱的纵振行为，使压电材料的厚度振动更大程度体现为压电小柱的纵振行为，从而提高机电耦合系数。
2)通过压电小柱应力放大效应，提高换能材料的接收灵敏度。
3)采用“压电陶瓷-空气1-3-2型+金属板”结构，可获得较大的机电耦合系数和接收灵敏度。
4)“多频叠加(多个厚度不同的模块的信号叠加)”实现拓宽带宽。
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，而不脱离本发明的原理和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.一种用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件，其特征在于，包括至少两个敏感模块，各敏感模块自内向外依次套接，各敏感模块的厚度自内向外依次减小，各敏感模块之间设有柔性材料层；每个敏感模块包含带基底的压电小柱阵列，以及固定安装在压电小柱阵列的上表面的金属板，所述压电小柱阵列中压电小柱之间的缝隙内填充空气。
2.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述柔性材料层为硅橡胶，通过硅橡胶将各敏感模块粘接在一起。
3.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述带基底的压电小柱阵列采用的压电材料为压电陶瓷或压电单晶。
4.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述敏感模块的外形为下列中的一种：正方形、长方形、圆形、方环、圆环。
5.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述基底的下表面镀有电极。
6.一种制备权利要求1所述用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
沿着X方向切割已在厚度方向极化的上下表面镀有电极的压电材料片；
沿着Y方向切割压电材料片，形成带基底的压电小柱阵列；
在压电小柱阵列的上表面粘接金属板，形成敏感模块；
将至少两个敏感模块拼接在一起，各敏感模块自内向外依次套接，各敏感模块的厚度自内向外依次减小，各敏感模块之间设置柔性材料层。
7.根据权利要求6所述的敏感元件，其特征在于，所述柔性材料层为硅橡胶，通过硅橡胶将各敏感元件单元粘接在一起。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述压电材料为压电陶瓷或压电单晶。
9.一种水声换能器，其特征在于，包括权利要求1～5中任一权利要求所述的用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件，所述敏感元件的上下表面引出电极引线，所述敏感元件的下表面粘接吸声层和金属后盖板，所述敏感元件、吸声层和金属后盖板外部设有防水透声层。
10.根据权利要求9所述的水声换能器，其特征在于，所述吸声层为硬质泡沫，所述金属后盖板的材质为不锈钢，所述防水透声层采用聚氨酯胶封并固化形成。
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