CN112073884A - 一种基于pvdf的夹持式发射换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PVDF的夹持式发射换能器，采用了厚度为21μm的PVDF材料，其厚度小有利于减小缩短PVDF内部的声程差。同时采用了表面镀银的PVDF材料，相对于市面上较为主流的镀铝材料，拥有更高的纵向压电常数，接通电路后拥有更高的辐射声源级。相对于传统的压电陶瓷材料PZT，由PVDF制作的发射换能器具有更平稳的频率响应，同时采用两片电路板将PVDF夹在中央，PVDF一侧为不透声的电路板，且为硬背衬结构，发射出的声波主要在第二印刷板2的方向传播，发射指向性强。同时设计的印刷板在实现为PVDF通电功能的同时，避免了电线裸露在发射换能器之外。
Description
技术领域
本发明属于发射换能器技术，涉及一种基于PVDF的夹持式发射换能器，采用了PVDF薄膜作为电声转换材料，同时设计了印刷电路板，并对设计实物进行优化。
背景技术
发射换能器在水声、地震探测等领域有着重要的应用，这类换能器目前主要是基于压电原理，利用压电材料制作而成。随着科学研究技术的发展，针对小型化的发射换能器的研究受到越来越多的关注。
压电材料按照材质分为压电薄膜和压电陶瓷两大类，目前发射换能器常用的压电材料为压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)，但是其带宽窄、声阻抗和机械性能强度低等缺点使得基于PZT的发射换能器在应用中受到限制。
相对于传统的PZT，典型的有机压电材料聚偏二氟乙烯(PVDF)的内部存在大量空腔，在外部施加电场，这些空腔会在电场力的作用下发生形变，将电能转换为机械能。PVDF材料灵敏度高，在较大的频率范围内具有平稳的频率响应，且PVDF薄膜像纸一样柔软且坚韧，可弯曲成不同形状，可满足不同形状的发射换能器设计需求。
在某些声学场景中，通常需要使得发射换能器具有平稳的频率响应。目前主流的压电陶瓷材料由于谐振频率较低，无法满足设计条件，因此本发明尝试采用了PVDF作为发射换能器的电声转换材料，同时设计印刷电路板并优化线路设计，期望得到尺寸小、性能更好的发射换能器。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于PVDF的夹持式发射换能器，服常见换能器电声转换材料在宽频带范围内的不稳定性，同时实现发射换能器的小型化。
技术方案
一种基于PVDF的夹持式发射换能器，其特征在于包括双层印刷板和单层PVDF材料；单层PVDF材料位于双层印刷板之间，并采用螺钉固连；第一印刷板1为实心板，中间设有用于导电的第一金属锡11，与第一印刷板1上的第一导电棒4连接；第二印刷板2中心设有圆形开口，环形部分设有导电的第二金属锡14，与第一印刷板1上的第二导电棒5连通；所述第一印刷版1的反面开了多个小孔，且与第一金属锡11连通；所述单层PVDF材料采用镀了银电极的材料，与第二金属锡14相吻合的圆形结构；所述第一金属锡11的半径小于第二金属锡14的内圆半径，单层PVDF材料的圆形半径大于14环形部分的内圆半径而小于其环形部分外圆半径。
所述第一印刷板1为方形板。
所述第二印刷板2为方形板。
所述PVDF材料采用厚度为21μm的PVDF材料。
有益效果
本发明提出的一种基于PVDF的夹持式发射换能器，采用了厚度为21μm的PVDF材料，其厚度小有利于减小缩短PVDF内部的声程差。同时采用了表面镀银的PVDF材料，相对于市面上较为主流的镀铝材料，拥有更高的纵向压电常数，接通电路后拥有更高的辐射声源级。相对于传统的压电陶瓷材料PZT，由PVDF制作的发射换能器具有更平稳的频率响应，同时采用两片电路板将PVDF夹在中央，PVDF一侧为不透声的电路板，且为硬背衬结构，发射出的声波主要在第二印刷板2的方向传播，发射指向性强。同时设计的印刷板在实现为PVDF通电功能的同时，避免了电线裸露在发射换能器之外。
附图说明
图1为本发明发射换能器的侧视图；
图2为本发明发射换能器第一印刷板1正面的俯视图；
图3为本发明发射换能器第一印刷板1反面的俯视图；
图4为本发明发射换能器第二印刷板2的俯视图；
图5为本发明发射换能器第二印刷板2的俯视图；
图6为本发明发射换能器的频率响应；
图中：1-第一印刷板1；2-第二印刷板2；3-PVDF材料；4-与第一印刷板1连通的导电棒；5-与第二印刷板2连通的导电棒；6-第二印刷板2空腔；7-固定螺钉；8-固定螺钉；9-固定螺钉；10-固定螺钉；11-第一印刷板1镀锡部分；12-贯穿第一印刷板1的导电小孔；13-贯穿第一印刷板1的导电小孔；14-第二印刷板2镀锡部分。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种基于PVDF的夹持式发射换能器。其特征在于：包含有PVDF材料和印刷电路板两部分，PVDF材料实现电声转换功能，印刷板实现线路优化并为PVDF材料传输电力的功能。
本发射换能器为双层印刷板夹持单层PVDF材料的结构。第一印刷板1为实心方形板，正面中间部分的用于导电的第一金属锡11，该部分与第一导电棒4连通，第一印刷版1的反面开了多个小孔，这些小孔均与第一金属锡11部分连通，可使用万用表验证发射换能器的正负极导通状态。第二印刷板2为中心有圆形开口的方形板，正反两面的结构均相同，其环形部分设有导电的第二金属锡14，与第二导电棒5连通。同时将PVDF裁剪成一个标准圆。目前市面上较为常见的PVDF材料表面均镀有金属，本发明采用镀了银电极的PVDF。对PVDF进行裁剪时可能会导致银颗粒粘附在裁剪时的切面上导致PVDF的两个表面连通，采用万用表验证PVDF的两个表面断路后，采用导电胶将PVDF粘贴在印刷版1上。最后用四个螺丝螺母将两款印刷板固定在一起。
出于防止短路和节省材料的考虑，第一金属锡11部分的半径需要小于第二金属锡14环形部分的内圆半径，圆形PVDF的半径要大于第二金属锡14环形部分的内圆半径而小于其环形部分外圆半径。电信号通过第一导电棒4和第二导电棒5处输入发射换能器，在通电的情况下PVDF内部空腔依照电信号的模式进行有规律的振动，从而产生特定波形的声信号，完成发射声信号的功能。
图1为本发明发射换能器的侧视图，如图1所示，本发明主要包括第一印刷板1、第二印刷板2和PVDF薄膜三大部分，采用了两片印刷板夹持PVDF的结构，这种结构的发射换能器可以视作一个在无限大挡板上的活塞声源，存在理论计算公式。图2为本发明发射换能器第一印刷板1正面的俯视图、图3为本发明发射换能器第一印刷板1反面的俯视图、图4为本发明发射换能器第二印刷板2的俯视图、图5为本发明发射换能器第二印刷板2的俯视图，上述图展示了该发射换能器的具体结构。
对于安装在无限挡板中的圆形活塞，辐射功率N＝Re{Zm}v2，辐射阻抗为
方向性比率为
其中v是活塞振动的速度，ρc是介质的特征阻抗，R是球形压电薄膜的半径，k是波数。J1和S1分别是一阶贝塞尔函数(Bessel Function)和一阶斯特鲁夫函数(StruveFunction)。可以计算出在圆形压电薄膜法线上于薄膜的距离为r的位置处的声压幅度为、
x是PVDF薄膜表面的偏转，由此可见辐射声压大小与薄膜的表面偏转有关，当外接输入电压越高时，薄膜表面会产生更大的偏转。
对于发射换能器需要外接电源，目前基于单片PVDF薄膜的超声换能器产生的表面电荷、电压增益及其机械振动幅度都及其有限，通常可在导电棒4,5外接高压激励电路来增加输出功率。
使用接收麦克风测定该发射换能器的发射响应，为了减小驻波对测量的影响，在麦克风阵列边缘挑选一个接收口，并外接一个放大100倍的信号调理器。采用正弦信号进行测量，令发射信号时长为2ms，补零8ms，本发明的发射换能器与接收麦克风之间的间距为10cm，当输入某个频率的正弦信号时，PVDF发射换能器可以发出响应的频率的信号。令发射信号频率分别为20kHz，25kHz，40kHz，50kHz，67kHz，73kHz，75kHz的单频信号，由接收麦克风阵列得到的接收信号的平均幅值和环境噪声如图6所示。当信号频率为75kHz时，接收信号淹没在背景噪声里。由于麦克风阵列的工作频率为10kHz以下，认为实验用的麦克风阵列在50kHz以上的频带声压灵敏度降低。由于本发明采用的PVDF谐振频率为5GHz，理论上来说该PVDF将在谐振频率以下的较大范围内具有平稳的频率响应。本发明可以实现50kHz以下的频段内实现更为平稳的频率响应。
表1为本发明所采用的PVDF的参数
Claims (4)
1.一种基于PVDF的夹持式发射换能器，其特征在于包括双层印刷板和单层PVDF材料；单层PVDF材料位于双层印刷板之间，并采用螺钉固连；第一印刷板(1)为实心板，中间设有用于导电的第一金属锡(11)，与第一印刷板(1)上的第一导电棒(4)连接；第二印刷板(2)中心设有圆形开口，环形部分设有导电的第二金属锡(14)，与第一印刷板(1)上的第二导电棒(5)连通；所述第一印刷版(1)的反面开了多个小孔，且与第一金属锡(11)连通；所述单层PVDF材料采用镀了银电极的材料，与第二金属锡(14)相吻合的圆形结构；所述第一金属锡(11)的半径小于第二金属锡(14)的内圆半径，单层PVDF材料的圆形半径大于(14)环形部分的内圆半径而小于其环形部分外圆半径。
2.根据权利要求1所述基于PVDF的夹持式发射换能器，其特征在于：所述第一印刷板(1)为方形板。
3.根据权利要求1所述基于PVDF的夹持式发射换能器，其特征在于：所述第二印刷板(2)为方形板。
4.根据权利要求1所述基于PVDF的夹持式发射换能器，其特征在于：所述PVDF材料采用厚度为21μm的PVDF材料。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0973149A2 (en) * | 1998-07-16 | 2000-01-19 | Massachusetts Institute Of Technology | Ultrasonic transducers |
| CN1767225A (zh) * | 2005-09-23 | 2006-05-03 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 组合式超声波换能器 |
| CN101106835A (zh) * | 2007-07-12 | 2008-01-16 | 电子科技大学 | 阵列式声频定向超声波扬声器 |
| CN103646643A (zh) * | 2013-11-28 | 2014-03-19 | 北京信息科技大学 | 一种采用pvdf压电薄膜的弯张换能器 |
| US20170307756A1 (en) * | 2014-12-22 | 2017-10-26 | Alpinion Medical Systems Co., Ltd. | Ultrasonic transducer having flexible printed circuit board with thick metal layer and manufacturing method thereof |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0973149A2 (en) * | 1998-07-16 | 2000-01-19 | Massachusetts Institute Of Technology | Ultrasonic transducers |
| CN1767225A (zh) * | 2005-09-23 | 2006-05-03 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 组合式超声波换能器 |
| CN101106835A (zh) * | 2007-07-12 | 2008-01-16 | 电子科技大学 | 阵列式声频定向超声波扬声器 |
| CN103646643A (zh) * | 2013-11-28 | 2014-03-19 | 北京信息科技大学 | 一种采用pvdf压电薄膜的弯张换能器 |
| US20170307756A1 (en) * | 2014-12-22 | 2017-10-26 | Alpinion Medical Systems Co., Ltd. | Ultrasonic transducer having flexible printed circuit board with thick metal layer and manufacturing method thereof |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 姚阳，杨长生，梁红: "《夹持式PVDF发射换能器性能研究》", 《2019年全国声学大会论文集》 * |
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