CN112040382A - 基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，包括背衬、有源材料层、均匀匹配层、梯度匹配层和防水透声层；背衬、有源材料层、均匀匹配层、梯度匹配层和防水透声层依次设置；背衬与有源材料层紧固连接；均匀匹配层与有源材料层紧固连接；梯度匹配层与均匀匹配层紧固连接；防水透声层与梯度匹配层紧固连接；梯度匹配层包括梯度匹配层框架和填充圆锥，梯度匹配层的特性阻抗值在声传播方向上呈指数衰减变化。本发明提供的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器解决了压电材料与水之间阻抗失配导致透射效率低而无法实现换能器在水中发射高频宽带信号的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水声换能器领域，具体地，涉及基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器。
背景技术
随着声纳系统中水声信号处理技术的不断发展以及海洋开发的日益深入，高频声纳越来越受到重视。高频声纳常需要宽带工作，高频宽带声纳，一方面能获取目标更多的信息特征，提高对目标的探测效果；另一方面还可以选频工作，有效避免协同作战时的同频干扰。高频宽带水声换能器是高频宽带声纳信号产生和获取的基础。因此高频换能器的宽带特性是目前重要的研究方向之一。
高频宽带水声换能器实现的主要困难在于压电材料(声阻抗35MRayls左右)与水(声阻抗1.5MRayls)之间的阻抗失配降低了换能器在水中的透射效率，传统的单层或双层均匀匹配层换能器不能很好的实现阻抗的过渡，因而无法实现换能器在水中的高频宽带信号发射。
专利文献CN203787081U公开了一种水声换能器，包括压电复合材料片、背衬、电极引线、外壳、保护层、边条和金属板。其技术方案的不足之处在于压电复合材料片和水之间的阻抗失配，降低了换能器在水中的透射效率，无法实现换能器在水中的高频宽带信号发射。
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基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器。
根据本发明提供的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，包括背衬、有源材料层、均匀匹配层、梯度匹配层和防水透声层；
背衬、有源材料层、均匀匹配层、梯度匹配层和防水透声层依次设置；
背衬与有源材料层紧固连接；
均匀匹配层与有源材料层紧固连接；
梯度匹配层与均匀匹配层紧固连接；
防水透声层与梯度匹配层紧固连接；
梯度匹配层包括梯度匹配层框架和填充圆锥，梯度匹配层的特性阻抗值在声传播方向上呈指数衰减变化。
优选地，梯度匹配层框架为设置有均布圆锥形空间的矩形结构；
填充圆锥填充在梯度匹配层框架的圆锥形空间内。
优选地，多个填充圆锥紧密排列在梯度匹配层框架内部且排列方向一致；
填充圆锥底部设置在均匀匹配层一侧；
填充圆锥顶部设置在防水透声层一侧；
填充圆锥的材料声速与梯度匹配层框架的材料声速相同。
优选地，有源材料层、均匀匹配层和梯度匹配层的特性阻抗值具有如下关系：
其中，Z0为均匀匹配层的特性阻抗值；
Zp为有源材料层的特性阻抗值；
Z1为填充圆锥底面的特性阻抗值，即梯度匹配层(4)高阻抗端特性阻抗值。
优选地，梯度匹配层采用声阻抗梯度匹配层材料，材料的特性阻抗值Z满足如下公式：
Z＝ρc
其中，ρ为密度；
c为梯度匹配层的声速；
声阻抗梯度匹配层材料在声传播方向保持声速c不变仅改变密度ρ实现特性阻抗值Z的变化。
优选地，梯度匹配层的特性阻抗值Z(x)满足如下公式：
Z(x)＝Z1e2αx
其中，Z2为填充圆锥顶点面的特性阻抗值，即梯度匹配层(4)低阻抗端特性阻抗值；
d为梯度匹配层的厚度，d大于等于波长λ的一半；
x方向为声波传播方向，即从均匀匹配层到防水透声层的方向；
α为衰减系数；
梯度匹配层的特性阻抗值Z(x)按照Z(x)＝Z1e2αx在声波传播方向上指数衰减变化。
优选地，梯度匹配层框架通过3D打印制成。
优选地，背衬与有源材料层通过导电胶粘接。
优选地，有源材料层、均匀匹配层和梯度匹配层通过压力机施加压力无缝粘接。
优选地，背衬的材料为声阻抗值远低于有源材料层的特性阻抗值的反声或者吸声材料。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、通过设置特性阻抗值在声传播方向上呈指数衰减变化的梯度匹配层，实现了压电材料与水之间阻抗的过渡，解决了压电材料与水之间阻抗失配导致透射效率低而无法实现换能器在水中发射高频宽带信号的问题；
2、通过在梯度匹配层框架内设置均布且紧密排列的填充圆锥，实现了梯度匹配层在声传播方向上呈指数衰减变化的特性阻抗值，解决了压电材料与水之间阻抗失配的问题；
3、通过压力机施加压力对有源材料层、均匀匹配层和梯度匹配层进行无缝粘接，减少胶水带来的透射损失。
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为基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器的结构示意图；
图2为梯度匹配层的结构示意图；
图3为基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器的发送电压响应曲线图。
图中：
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。
实施例
图1～图3为本发明提供的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器的示意图。
根据本发明提供的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，如图1所示，包括背衬1、有源材料层2、均匀匹配层3、梯度匹配层4和防水透声层5。背衬1、有源材料层2、均匀匹配层3、梯度匹配层4和防水透声层5依次设置。背衬1与有源材料层2通过导电胶紧固粘接。
均匀匹配层3与有源材料层2紧固连接，梯度匹配层4与均匀匹配层3紧固连接，防水透声层5与梯度匹配层4紧固连接，有源材料层2、均匀匹配层3和梯度匹配层4通过压力机施加压力依次无缝粘接，这能够减少胶水带来的透射损失。
背衬1的材料为声阻抗值远低于有源材料层2的特性阻抗值的反声或者吸声材料，优选地，背衬1采用硬质聚氨酯泡沫，其阻抗值为0.6MRayls，背衬1能够对来自高频宽带水声换能器背部方向的声波或者来自有源材料层2的声波进行反声或者吸声，防止产生背部信号干扰。
有源材料层2是高频宽带水声换能器的核心部件，有源材料层2用于确定水声换能器的谐振频率，实现多种带宽的电压响应发射并形成所需的指向性等。优选地，根据谐振频率100kHz和发送电压响应带宽大于80％的设计指标，本实施例中的压电陶瓷晶片材料选用PZT-4，根据公式初步计算压电陶瓷晶片厚度为15mm，利用有限元软件仿真计算规格的压电陶瓷的切割间距为2.8mm，刀片厚为0.8mm，设计为1-3型压电复合材料，有源材料层2的特性阻抗值为17MRayls。
均匀匹配层3用于对有源材料层2和梯度匹配层4之间的声阻抗过渡。均匀匹配层3的厚度为波长λ的四分之一，有源材料层2、均匀匹配层3和梯度匹配层4的特性阻抗值具有如下关系：
其中，Z0为均匀匹配层3的特性阻抗值，Zp为有源材料层2的特性阻抗值，Z1为填充圆锥7底面的特性阻抗值，即梯度匹配层4高阻抗端特性阻抗值，优选地，本实施例中均匀匹配层3的特性阻抗值Z0为11.7MRayls，实现有源材料层2和梯度匹配层4之间的声阻抗过渡。
梯度匹配层4用于进一步实现均匀匹配层3与水之间的特性阻抗过渡。如图2所示，梯度匹配层4包括梯度匹配层框架6和填充圆锥7，梯度匹配层框架6通过3D打印制成，梯度匹配层框架6为设置有多个均布圆锥形空间的矩形结构，全部圆锥形空间内均填充有填充圆锥7。全部填充圆锥7紧密排列在梯度匹配层框架6内部且排列方向一致，填充圆锥7底部设置在均匀匹配层3一侧，填充圆锥7顶部设置在防水透声层5一侧，全部填充圆锥7的顶点面均指向声波传播方向。
梯度匹配层采用声阻抗梯度匹配层材料，材料的特性阻抗值Z满足如下公式：
Z＝ρc
其中，ρ为密度，c为梯度匹配层4的声速，声阻抗梯度匹配层材料在声传播方向保持声速c不变仅改变密度ρ实现特性阻抗值Z的变化，梯度匹配层框架6的材料声速与填充圆锥7的材料声速相同，梯度匹配层框架6的材料密度与填充圆锥7的材料密度不同。
梯度匹配层4的特性阻抗值Z(x)满足如下公式：
Z(x)＝Z1e2αx
其中，Z2为填充圆锥7顶点面的特性阻抗值，即梯度匹配层4低阻抗端特性阻抗值，d为梯度匹配层4的厚度，d大于等于波长λ的一半，x方向为声波传播方向，即从均匀匹配层3到防水透声层5的方向，α为衰减系数；从式中可以看出，梯度匹配层4的特性阻抗值Z(x)按照Z(x)＝Z1e2α在声波传播方向上指数衰减变化。优选地，填充圆锥7的底面直径为4mm，填充圆锥7的特性阻抗值为9.6MRayls，梯度匹配层4的高阻抗端特性阻抗值Z1＝8.1MRayls，低阻抗端特性阻抗值Z2＝2.4MRayls，梯度匹配层框架6的特性阻抗值同样为2.4MRayls，梯度匹配层4的厚度d＝1.5λ＝30mm。
防水透声层5用于密封高频宽带水声换能器，实现声性能测试。优选地，防水透声层5采用聚氨酯材料。
图3是本实施例中基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器的发送电压响应曲线图。如图3所示，基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器的发射电压响应带宽(-3dB)为110％，这表明本发明提供的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器在提升带宽上取得了较好的效果。
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。
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)
1.一种基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，包括背衬(1)、有源材料层(2)、均匀匹配层(3)、梯度匹配层(4)和防水透声层(5)；
所述背衬(1)、有源材料层(2)、均匀匹配层(3)、梯度匹配层(4)和防水透声层(5)依次设置；
所述背衬(1)与有源材料层(2)紧固连接；
所述均匀匹配层(3)与有源材料层(2)紧固连接；
所述梯度匹配层(4)与均匀匹配层(3)紧固连接；
所述防水透声层(5)与梯度匹配层(4)紧固连接；
所述梯度匹配层(4)包括梯度匹配层框架(6)和填充圆锥(7)，梯度匹配层(4)的特性阻抗值在声传播方向上呈指数衰减变化。
2.根据权利要求1所述的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，所述梯度匹配层框架(6)为设置有均布圆锥形空间的矩形结构；
所述填充圆锥(7)填充在梯度匹配层框架(6)的圆锥形空间内。
3.根据权利要求2所述的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，多个所述填充圆锥(7)紧密排列在梯度匹配层框架(6)内部且排列方向一致；
所述填充圆锥(7)底部设置在均匀匹配层(3)一侧；
所述填充圆锥(7)顶部设置在防水透声层(5)一侧；
所述填充圆锥(7)的材料声速与梯度匹配层框架(6)的材料声速相同。
4.根据权利要求1所述的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，所述有源材料层(2)、均匀匹配层(3)和梯度匹配层(4)的特性阻抗值具有如下关系：
其中，Zo为均匀匹配层(3)的特性阻抗值；
Zp为有源材料层(2)的特性阻抗值；
Z1为填充圆锥(7)底面的特性阻抗值，即梯度匹配层(4)高阻抗端特性阻抗值。
5.根据权利要求1所述的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，所述梯度匹配层(4)采用声阻抗梯度匹配层材料，材料的特性阻抗值Z满足如下公式：
Z＝ρc
其中，ρ为密度；
c为梯度匹配层(4)的声速；
所述声阻抗梯度匹配层材料在声传播方向保持声速c不变仅改变密度ρ实现特性阻抗值Z的变化。
6.根据权利要求4所述的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，所述梯度匹配层(4)的特性阻抗值Z(x)满足如下公式：
Z(x)＝Z1e2ax
其中，Z2为填充圆锥(7)顶点面的特性阻抗值，即梯度匹配层(4)低阻抗端特性阻抗值；
d为梯度匹配层(4)的厚度，d大于等于波长λ的一半；
x方向为声波传播方向，即从均匀匹配层(3)到防水透声层(5)的方向；
α为衰减系数；
所述梯度匹配层(4)的特性阻抗值Z(x)按照Z(x)＝Z1e2ax在声波传播方向上指数衰减变化。
7.根据权利要求2所述的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，所述梯度匹配层框架(6)通过3D打印制成。
8.根据权利要求1所述的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，所述背衬(1)与有源材料层(2)通过导电胶粘接。
9.根据权利要求1所述的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，所述有源材料层(2)、均匀匹配层(3)和梯度匹配层(4)通过压力机施加压力无缝粘接。
10.根据权利要求1所述的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，所述背衬(1)的材料为声阻抗值远低于有源材料层(2)的特性阻抗值的反声或者吸声材料。
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