CN111885455A - 高频球形多指向性复合材料换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高频球形多指向性复合材料换能器，包括压电复合材料球壳，所述压电复合材料球壳包含至少两个压电复合材料球壳阵元；所述压电复合材料球壳阵元包含压电小柱阵列，所述压电小柱阵列的压电小柱之间填充聚合物。其中压电复合材料球壳阵元可以为半球壳形状或正多面体球壳形状。本发明的高频球形多指向性复合材料换能器的工作频率达到280kHz，当工作于全向模式时，可以实现空间全向接收和发射声波，对水下环境全方位、综合性、实时的高分辨率立体观测；当换能器工作于定向模式时，可以向指定方向的发射和接收声波信号，能够减少水下不同方位传感器之间的干扰，提高信号传输的安全性。
Description
技术领域
本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种高频球形多指向性复合材料换能器及其制备方法。
背景技术
水声换能器作为声纳系统的核心部件，可以把声能转化成电能或把电能转化成声能，其功能类似于雷达中的天线。未来的水声传感器网络要求声学换能器拥有更高的声波频率、更宽的频谱带宽及扩频技术，这样可以提高水声信号传输的安全性。在图像声纳、短距离水下传感节点通信、蛙人前视声纳系统等高频声纳系统中，高频换能器具有广阔的应用前景，这是因为，换能器的工作频率越高，可以实现越窄的脉宽及较宽的可用带宽，因此声纳系统的目标分辨力和定位精度就越高。如在蛙人前视声纳和水下机器人等装备高频声纳系统，可以实现短距离水下目标的高精度测距及测绘成像。水下航行器配备的高频多普勒测速仪可以利用声波的多普勒效应来测量水下三维空间中航行器的相对速度。这些水下设备中配备的高频声纳系统可以发射声波，并且接收从设备周围及海底反射回来的声波信号，通过对接收声波信号的处理，声纳系统可以精确计算海水的深度、流速和流向等信息。
另一方面，在定向声纳设备中，为了获得较高的声源级，提高换能器的信噪比，降低功耗和多用户干扰，要求换能器有较高的指向性因子，即较小的波束开角。而在复杂的深水环境下进行水声节点通信时，为了激活相邻传感器节点之间的水声通信，声纳设备必须在空间中向各个方向发送声信号，以保证声信号能准确无误地到达附件的传感器节点，此时就要求声纳系统具有宽波束发射甚至空间全向的声辐射能力。现行的高频声纳设备(100kHz以上)通常易于形成指向性的波束模式，难于实现空间全向的辐射模态。因此，若能实现高频换能器全向辐射模态与指向性波束辐射模态的结合，将显著提升声纳系统的短距离通信能力。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种高频球形多指向性复合材料换能器及其制备方法，制备出的高频球形多指向性复合材料换能器，其工作频率达到280kHz。当工作于全向模式时，换能器可以实现空间全向接收和发射声波，对水下环境全方位、综合性、实时的高分辨率立体观测；当换能器工作于定向模式时，可以向指定方向的发射和接收声波信号，减少水下不同方位传感器之间的干扰，提高信号传输的安全性。此类高频换能器未见国内外报道。
本发明采用的技术方案如下：
一种高频(100kHz以上)球形多指向性复合材料换能器，包括压电复合材料球壳，所述压电复合材料球壳包含至少两个压电复合材料球壳阵元；所述压电复合材料球壳阵元包含压电小柱阵列，所述压电小柱阵列的压电小柱之间填充聚合物。
进一步地，所述压电小柱为压电陶瓷、压电单晶等压电材料。
进一步地，所述聚合物为环氧树脂、硅橡胶、聚氨酯或酚醛树脂。
进一步地，所述聚合物为单相材料或者为两相聚合物并联组成。
进一步地，所述压电复合材料球壳由六个面积相等的压电复合材料球壳阵元组成，每个压电复合材料球壳阵元的几何形状为四边形球壳，球壳阵元呈球面对称排列。
进一步地，所述压电复合材料球壳阵元可为半球壳形状，即压电复合材料球壳由两个半球壳形状的压电复合材料球壳阵元构成。
进一步地，所述压电复合材料球壳阵元的排列方式可为正多面体球壳形状，例如正四面体，正八面体，正十二面体以及正二十面体球壳等，如图1所示。复合材料的外形设计为正多面体球壳的优势为每个球壳压电阵元的形状完全相等，便于批量生产，且加工成本较低，而且等面积压电阵元易于装配成为高频球阵列，空间辐射声场更为均匀对称。所述复合材料球壳阵元的形状及排列顺序也可根据实际的水下环境及功能需求来设计。
一种制备高频球形多指向性复合材料换能器的方法，其步骤主要包括：1、压电复合材料球壳阵元的设计与制备；2、球形多模换能器的结构设计、装配与封装。具体来说，该方法包括以下步骤：
1)制备压电复合材料球壳阵元，每个压电复合材料球壳阵元内外分别设置内电极、外电极；
2)将各压电复合材料球壳阵元对称分布于球形背衬，形成压电复合材料球壳，内电极、外电极的引线穿过压电复合材料球壳内部，并从压电复合材料球壳顶部的连接器引出；
3)在压电复合材料球壳外部贴覆一层球面的防水透声层。
进一步地，所述的制备压电复合材料球壳阵元，包括：
(1)使用精密切割机分别对厚度为t的压电材料进行第一次切割，包括水平和垂直两个方向切割，切割深度设置为t1 mm；切割完成后，压电小柱阵列的高度为t1 mm，压电样品基底厚度为t-t1 mm；
(2)切割完成后，将聚合物浇注于压电小柱阵列之间，并固化；
(3)将压电样品倒置，使用精密切割机对压电样品预留的基底进行第二次切割，切割深度为t-t1 mm，即完全切透基底，切割的步进、缝宽及切割方向与第一次切割程序完全相同；
(4)将切割后的压电样品放置于球形模具中，将模具与样品同时加热；待样品软化后，利用球形模具挤压压电样品，使其成型球面；
(5)待压电样品模压成型后，将适量的聚合物注入模具中，使聚合物充分填充于压电小柱阵列中间，然后将模具和样品置于室温下固化；
(6)待聚合物充分固化后，将样品与模具分离，抛光样品表面，打磨样品的边缘使其水平与垂直两个方向的弯曲角度为90°。
进一步地，步骤(2)、(5)中的聚合物为相同的聚合物，使得制备的压电复合材料球壳阵元中的聚合物基体为单相聚合物；或者，步骤(2)、(5)中的聚合物为不同的聚合物，使得制备的压电复合材料球壳阵元中的聚合物基体由两相聚合物并联组成。
本发明的有益效果如下：
本发明能够制备出高频球形多指向性复合材料换能器，该换能器谐振频率高达280kHz，工作带宽达到50kHz。当换能器工作于全向模式时，水平和垂直波束开角分别为360°和344°；当换能器工作于定向模式时，换能器可以分别实现82°、170°及八字型指向性波束。本发明提出的高频多指向性换能器弥补了高频换能器无法同时激发全向和定向模态发射声波的缺陷，此项技术未见国内外报道。
附图说明
图1示意了正多面体球形复合材料阵元排列方式，其中：a)正四面体球壳，b)正六面体球壳，c)正八面体球壳，d)正二十面体球壳，以及e)正十二面体球壳。
图2示意了换能器外形及复合材料的结构。
图3是换能器分解图。
图4是换能器的导纳测试曲线图。
图5是换能器在水中的发送电压响应图。
图6示意了换能器指向性(全向模态)。
图7示意了换能器指向性(单阵元模态)。
图8示意了换能器指向性(双阵元模态)。
图9示意了换能器指向性(双阵元对称模态)。
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。
1、高频球形多指向性复合材料换能器的结构
本实施例的高频球形多指向性复合材料换能器，利用六个正六面体球壳形的复合材料作为振动元件(即压电复合材料球壳阵元)，六个振动元件呈对称分布，使换能器产生全向及定向的波束指向性，换能器外形及复合材料的结构如图2所示。本实施例采用高性能1-3型压电复合材料作为球形换能器的振动元件。相比于压电陶瓷，1-3压电复合材料有较高的厚度机电耦合系数，较低的声阻抗，且1-3型压电复合材料中柔软的聚合物相材料使其易于成型曲面。本实施例采用的1-3型压电复合材料中，压电相材料为PZT-5H，聚合物相材料为环氧树脂和硅橡胶。单个压电复合材料球壳阵元的水平与垂直两个方向的弯曲角度均为90°。
图3为球形换能器的结构分解图，如图所示，六个压电复合材料球壳阵元(1～6号阵元)对称分布于球形背衬上，每个压电复合材料球壳阵元内外均涂有银电极(即图3中的内电极和外电极)。为了支撑背衬及压电复合材料球壳阵元，提高换能器的结构稳定性，换能器内部采用铝制球形壳体作为支撑材料。换能器外部则贴覆一层球面共形的聚氨酯作为防水透声层。
2、压电复合材料球壳阵元的制备
压电复合材料球壳阵元是换能器的核心元件，本实施例使用的压电复合材料球壳阵元中聚合物基体为单相材料(环氧树脂)或者为两相聚合物(环氧树脂和硅橡胶)并联组成。
若聚合物基体为单相聚合物(环氧树脂)组成，需使用切割-浇注法和热成型法来制备，具体工艺流程如下：
(1)使用MacroAceⅡ型精密切割机(Loadpoint Ltd.,Swindon,Wiltshire,UK)分别对厚度为t的压电陶瓷进行水平和垂直两个方向切割，切割深度设置为t1 mm。切割完成后，陶瓷小柱阵列的高度为t1 mm，陶瓷样品基底厚度为t-t1 mm。
(2)切割完成后，将环氧树脂浇注于陶瓷柱阵列之间，固化12小时以上
(3)将陶瓷样品倒置，使用精密切割机对陶瓷样品预留的基底进行第二次切割，切割深度为t-t1 mm，即完全切透陶瓷基底。切割的步进、缝宽及切割方向与第一次切割程序完全相同。切割完成后，陶瓷小柱阵列均连接于环氧树脂基体上。
(4)将切割后的陶瓷样品放置于球形聚四氟乙烯模具中，将模具与样品同时置于80℃的烘箱中加热。待样品软化后，利用球形上模迅速地挤压陶瓷样品，使其成型球面。待模具闭合后，继续对陶瓷样品和模具进行加热、加压。
(5)待陶瓷样品模压成型后，将适量的环氧树脂注入模具中，使环氧树脂充分填充于陶瓷阵列中间。然后，将模具和样品置于室温下固化12小时以上。
(6)待环氧树脂充分固化后，将样品与模具分离，抛光样品表面，打磨样品的边缘使其水平与垂直两个方向的弯曲角度为90°。
若聚合物基体为两相聚合物并联组成，可使用改进型的切割-浇注法来制备，具体工艺流程如下：
(1)使用MacroAceⅡ型精密切割机(Loadpoint Ltd.,Swindon,Wiltshire,UK)分别对厚度为t的压电陶瓷进行水平和垂直两个方向切割，切割深度设置为t1 mm。切割完成后，陶瓷小柱阵列的高度为t1 mm，陶瓷样品基底厚度为t-t1 mm。
(2)切割完成后，将硅橡胶浇注于陶瓷柱阵列之间，常温固化12小时以上。
(3)将陶瓷样品倒置，使用精密切割机对陶瓷样品预留的基底进行第二次切割，切割深度为t-t1 mm，即完全切透陶瓷基底。切割的步进和缝宽与第一次切割程序完全相同。切割完成后，陶瓷小柱阵列均连接于硅橡胶基体上。
(4)将切割后的陶瓷样品放置于球形聚四氟乙烯模具中，然后再利用球形上模挤压陶瓷样品，使其成型球面。待模具闭合后，继续对陶瓷样品和模具进行加热、加压。
(5)待陶瓷样品模压成型后，将适量的环氧树脂注入模具中，使环氧树脂充分填充于陶瓷阵列中间。真空除泡完成后，将模具和样品置于室温下固化12小时以上。
(6)待环氧树脂充分固化后，将样品与模具分离，抛光样品表面，打磨样品的边缘使其水平与垂直两个方向的弯曲角度为90°。
3、高频球形多指向性复合材料换能器的制备与性能测试
本实施例的换能器由六个四边形压电复合材料球壳阵元组装而成，内外电极引线均穿过的换能器内部，然后从换能器顶部的连接器引出，连接器穿过1号阵元的正中心位置，而且连接器几何轴线与换能器的旋转轴重合，2、3、4、5号阵元依次分布于球形换能器的中间位置，6号阵元位于换能器最低端。然后使用聚氨酯防水透声层封装，即得到封装好的换能器。
换能器在水中的导纳测试曲线如图4所示，结果表明换能器的谐振频率为280kHz。换能器在水中的发送电压响应如图5所示，结果表明换能器的最大发送电压响应为161.3dB(285kHz)，-3dB带宽为50kHz(260kHz到310kHz)。当工作于全向模态时，即同时对六个压电复合材料元件施加激励，换能器指向性如图6所示，水平指向性起伏小于6dB，垂直指向性受顶端引线的影响，在电缆引线处出现了两个小凹谷，波束开角为344°。
当换能器工作于单阵元模态时，即对2号到5号阵元中的其中一个阵元施加激励，换能器指向性如图7所示，换能器的波束开角为82°。当换能器工作于双阵元模态时，即对相邻两个压电复合材料阵元(2号和3号)施加激励，换能器指向性如图8所示，换能器的波束开角为170°。当换能器工作于双阵元对称模态时，即对对称位置的两个压电复合材料阵元(2号和4号)施加激励，换能器指向性如图9所示，换能器指向性呈八字型，两侧的波束开角分别为82°、84°。
测量结果表明，本发明提出的球形多指向性换能器谐振频率高达280kHz，当工作于全向模式，可实现较为理想的空间全向声辐射模式。当换能器工作于定向模式时，可实现指定方向的声辐射模式。此类高频球形多指向性复合材料换能器未见国内外报道。
以上公开的本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书的实施例和附图所公开的内容，本发明的保护范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种高频球形多指向性复合材料换能器，其特征在于，包括压电复合材料球壳，所述压电复合材料球壳包含至少两个压电复合材料球壳阵元；所述压电复合材料球壳阵元包含压电小柱阵列，所述压电小柱阵列的压电小柱之间填充聚合物。
2.根据权利要求1所述的高频球形多指向性复合材料换能器，其特征在于，所述压电小柱为压电陶瓷或压电单晶。
3.根据权利要求1所述的高频球形多指向性复合材料换能器，其特征在于，所述聚合物为环氧树脂、硅橡胶、聚氨酯或酚醛树脂；所述聚合物为单相材料或者为两相聚合物并联组成。
4.根据权利要求1所述的高频球形多指向性复合材料换能器，其特征在于，所述压电复合材料球壳阵元为半球壳形状。
5.根据权利要求1所述的高频球形多指向性复合材料换能器，其特征在于，所述压电复合材料球壳为正多面体球壳形状，所述正多面体球壳为下列中的一种：正四面体球壳，正六面体球壳，正八面体球壳，正十二面体球壳，正二十面体球壳。
6.根据权利要求1所述的高频球形多指向性复合材料换能器，其特征在于，所述压电复合材料球壳阵元上设有内电极和外电极；所述压电复合材料球壳内部设有球形支撑材料；换能器外部贴覆一层球面聚氨酯作为防水透声层。
7.根据权利要求1所述的高频球形多指向性复合材料换能器，其特征在于，具有两个工作模式：全向模式、定向模式。
8.一种制备权利要求1所述高频球形多指向性复合材料换能器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备压电复合材料球壳阵元，每个压电复合材料球壳阵元内外分别设置内电极、外电极；
2)将各压电复合材料球壳阵元对称分布于球形背衬，形成压电复合材料球壳，内电极、外电极的引线穿过压电复合材料球壳内部，并从压电复合材料球壳顶部的连接器引出；
3)在压电复合材料球壳外部贴覆一层球面的防水透声层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的制备压电复合材料球壳阵元，包括：
(1)使用精密切割机分别对厚度为t的压电材料进行第一次切割，包括水平和垂直两个方向切割，切割深度设置为t1 mm；切割完成后，压电小柱阵列的高度为t1 mm，压电样品基底厚度为t-t1 mm；
(2)切割完成后，将聚合物浇注于压电小柱阵列之间，并固化；
(3)将压电样品倒置，使用精密切割机对压电样品预留的基底进行第二次切割，切割深度为t-t1 mm，即完全切透基底，切割的步进、缝宽及切割方向与第一次切割程序完全相同；
(4)将切割后的压电样品放置于球形模具中，将模具与样品同时加热；待样品软化后，利用球形模具挤压压电样品，使其成型球面；
(5)待压电样品模压成型后，将适量的聚合物注入模具中，使聚合物充分填充于压电小柱阵列中间，然后将模具和样品置于室温下固化；
(6)待聚合物充分固化后，将样品与模具分离，抛光样品表面，打磨样品的边缘使其水平与垂直两个方向的弯曲角度为90°。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(2)、(5)中的聚合物为相同的聚合物，使得制备的压电复合材料球壳阵元中的聚合物基体为单相聚合物；或者，步骤(2)、(5)中的聚合物为不同的聚合物，使得制备的压电复合材料球壳阵元中的聚合物基体由两相聚合物并联组成。
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