CN113359119B - 一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器及其制备方法 - Google Patents

一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器，包括圆弧形敏感元件、背衬、后盖板、电极引线、输出电缆和水密层，所述水密层固定于所述后盖板，且与后盖板之间形成封闭的空腔，所述空腔内设圆弧形敏感元件、背衬和电极引线，所述敏感元件固定于所述背衬中部的凹槽，所述背衬固定于垫板，所述垫板固定于所述后盖板的中部，所述后盖板的两端部分别设有安装孔，一端部的所述安装孔旁设有电缆孔，所述安装孔和所述电缆孔均与所述空腔连通，所述敏感元件的内、外弧表面均设有第一屏蔽层；本发明通过圆弧形敏感元件提升了声呐的探测距离；通过屏蔽层有效地提升了声呐的抗干扰能力和可靠性；数片压电复合材料组合连接提高了换能器的接收灵敏度。

Description

一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器及其制备方法
技术领域
本发明涉及水声换能器技术领域，特别涉及一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器及其制备方法。
背景技术
侧扫声呐也称为旁侧声呐或海底地貌仪，它是利用回声测深原理探测海底地貌和水下物体的设备。侧扫声呐沿航线方向束宽很窄，开角一般小于2°，以保证有较高分辨率；垂直于航线方向的束宽较宽，开角约为20°~60°，以保证一定的扫描宽度。侧扫换能器是侧扫声呐发射和接收声波的关键器件，其性能的优劣直接影响声呐的探测能力。换能器的水平波束开角决定了声呐的水平分辨率，垂直波束开角决定了声呐的扫描宽度，垂直开角越大，扫描范围越大，声呐正下方的盲区也就越小。
目前，侧扫换能器采用的敏感元件（如压电陶瓷、压电复合材料元件等）通常为平面结构。由于换能器波束开角与平面形敏感元件的尺寸成反比，因此为保证换能器既具有很窄的水平波束开角，又具有较大的垂直波束开角，对于平面形敏感元件而言，它必须设计成细长的条状，这导致侧扫换能器有效辐射面积不足，发送响应偏低（即辐射声波强度不够），严重限制了侧扫声呐的探测距离。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷和不足，提供一种结构设计简单，探测距离远，抗干扰能力强，可靠性和接受灵敏度高的基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案是：一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器，包括敏感元件、背衬、后盖板、电极引线、输出电缆和水密层，所述水密层固定于所述后盖板，且与后盖板之间形成封闭的空腔，所述空腔内设圆弧形敏感元件、背衬和电极引线，所述敏感元件固定于所述背衬中部的凹槽，所述背衬固定于垫板，所述垫板固定于所述后盖板的中部，所述后盖板的两端部分别设有安装孔，一端部的所述安装孔旁设有电缆孔，所述安装孔和所述电缆孔均与所述空腔连通，所述敏感元件的内、外弧表面均设有第一屏蔽层。
进一步地，所述电极引线的一端与所述第一屏蔽层连接，另一端与安装于所述电缆孔的输出电缆连接。
进一步地，所述背衬的外表面和所述电极引线的外表面均设有第二屏蔽层。
进一步地，所述第一屏蔽层和第二屏蔽层均由导电材料构成。
进一步地，所述敏感元件为单片或数片圆弧形压电复合材料，数片所述压电复合材料之间在电学上串联、并联或混联。
进一步地，所述压电复合材料包括多个压电柱，以及填充于各压电柱之间的聚合物。
进一步地，所述压电柱由压电材料构成。
进一步地，所述背衬由吸声隔振材料构成。
进一步地，所述后盖板由耐腐蚀材料构成。
一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器的制备方法，步骤如下：
S1.制备圆弧形压电复合材料敏感元件，具体如下：
S11.设计敏感元件的厚度t；
S12.设计敏感元件的长度l；
S13.设计敏感元件的圆心角α和半径r；
S14.采用可切割-浇注法或热压成型法制备敏感元件；
S2.在敏感元件的内、外弧表面分别粘贴第一屏蔽层，并在第一屏蔽层上焊接电极引线的正、负极；
S3.将敏感元件粘贴于背衬中部的凹槽，并用第二屏蔽层将背衬的外表面和电极引线的外表面包覆；
S4.将背衬通过垫板固定于后盖板，并将电极引线的正、负极分别与输出电缆的正、负极连接；
S5.在后盖板的周围胶封水密层。
采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：
（1）本发明通过将侧扫换能器的敏感元件设计成圆弧形，保证了换能器具有较大垂直波束开角，同时增大了它的辐射面积，从而大幅提升了声呐的探测距离；
（2）本发明通过在敏感元件的内、外弧表面以及电极引线的外表面上设置屏蔽层，有效地降低了外界的电磁干扰，从而提升了声呐的抗干扰能力和可靠性；
（3）本发明的敏感元件可由数片圆弧形压电复合材料构成，采用电学上串联、并联或混联的方式连接，使换能器的阻抗可调，不仅能提高换能器的接收灵敏度，还能为声呐系统匹配电路的设计提供了巨大便利。
附图说明
为了使本发明的内容更容易和清楚地被理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明水密层的示意图；
图3为本发明敏感元件的示意图；
图4为图3中A部的放大图；
图5为本发明背衬的示意图；
图6为本发明电极引线外表面上第二屏蔽层的示意图；
图7为本发明制备方法的流程图；
图8为本发明与平面长条形侧扫换能器发送响应曲线的对比图。
图中：敏感元件1、背衬2、后盖板3、电极引线4、输出电缆5、水密层6、空腔7、垫板8、安装孔9、电缆孔10、压电复合材料12、凹槽21、第一屏蔽层11a、第二屏蔽层11b、压电柱12a、聚合物12b、U形槽81。
具体实施方式
如图1-图7所示，一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器，包括敏感元件1、背衬2、后盖板3、电极引线4、输出电缆5和水密层6，水密层6胶封于后盖板3，且与后盖板3之间形成封闭的空腔7，空腔7内设敏感元件1、背衬2和电极引线4，敏感元件1为圆弧形，敏感元件1的内、外弧表面均设有第一屏蔽层11a，且第一屏蔽层11a分别与内、外弧表面相适配；敏感元件1为单片或数片圆弧形压电复合材料12，数片压电复合材料12之间在电学上串联、并联或混联；压电复合材料12包括多个压电柱12a，以及填充于各压电柱12a之间的聚合物12b；压电复合材料12为1-3型压电复合材料，压电柱12a由PZT5A压电陶瓷、压电单晶或其他无机、有机压电材料构成，聚合物12b由618环氧树脂、聚氨酯和硅橡胶等材料构成，聚合物12b可以为单相材料或两相聚合物；敏感元件1的内弧表面的第一屏蔽层11a粘接于背衬2中部的凹槽21，敏感元件1的内弧表面的第一屏蔽层11a与凹槽21相适配；背衬2的底面粘接于垫板8，垫板8固定于后盖板3的中部，后盖板3的底面与安装壳体（图中未示出）相适配，后盖板3的两端部分别设有安装孔9，一端部的安装孔9旁设有电缆孔10，安装孔9和电缆孔10均与空腔7连通；垫板8的一端沿厚度方向设有U形槽81，U形槽81与电缆孔10相对应；背衬2由硬质泡沫、软木或其他吸声隔振材料构成，后盖板3由有机玻璃、不锈钢或钛合金等耐海水腐蚀材料构成；电极引线4的一端的正、负极分别焊接或粘接在敏感元件1的内、外弧表面的第一屏蔽层11a上，另一端的正、负极穿过U形槽81与安装于电缆孔10内的输出电缆5的正、负极连接，输出电缆5为同轴电缆；背衬2的外表面和电极引线4的外表面均设有第二屏蔽层11b，第一屏蔽层11a和第二屏蔽层11b均由导电铜箔、金箔或其他导电材料构成。
一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器的制备方法，步骤如下：
S1.制备圆弧形压电复合材料敏感元件1，具体如下：
S11.设计敏感元件1的厚度t
本实施例中侧扫换能器利用的是圆弧形压电复合材料的厚度振动模态，其谐振频率可由压电元件的厚度振动频率方程式（1）获得；根据换能器的工作频率，计算出敏感元件1的厚度t。
Figure 623257DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中：
Figure 602714DEST_PATH_IMAGE002
为厚度振动的谐振频率，t为复合材料厚度，
Figure 664342DEST_PATH_IMAGE003
为弹性常数，
Figure 590710DEST_PATH_IMAGE004
表示密度。
S12.设计敏感元件1的长度l
本实施例中侧扫换能器的水平波束开角
Figure 936241DEST_PATH_IMAGE005
由敏感元件1的长度l决定，长度为l的圆弧形敏感元件1的水平指向性函数如（2）式所示；根据水平指向性函数画出换能器的水平指向性曲线，再根据水平指向性曲线读取水平波束开角
Figure 493124DEST_PATH_IMAGE005
，进而根据水平波束开角
Figure 556895DEST_PATH_IMAGE005
的要求，计算出敏感元件1的长度l。
Figure 536221DEST_PATH_IMAGE006
（2）
式中：
Figure 939521DEST_PATH_IMAGE007
为开角，
Figure 729622DEST_PATH_IMAGE008
为波数，
Figure 218372DEST_PATH_IMAGE009
为方位角。
S13.设计敏感元件1的圆心角α和半径r；
本实施例中侧扫换能器的垂直波束开角
Figure 752122DEST_PATH_IMAGE010
由敏感元件1的圆心角α决定，根据半径为r、圆心角为α的圆弧形敏感元件1的指向性函数（参见栾桂冬等. 压电换能器和换能器阵(修订版) [M]. 北京：北京大学出版社，2005：366-367）画出换能器的垂直指向性曲线，再根据垂直指向性曲线读取垂直波束开角
Figure 9928DEST_PATH_IMAGE010
；通过综合考虑垂直波束开角
Figure 970930DEST_PATH_IMAGE010
及指向性起伏，计算出敏感元件1的圆心角α和半径r。
S14.采用可切割-浇注法或热压成型法制备敏感元件1；
本实施例中侧扫换能器的敏感元件1由压电陶瓷和环氧树脂制备，其制备方法为可切割-浇注法或热压成型法；若聚合物12b为两相聚合物串联构成，可按照先成型柔性基阵，再灌注硬性聚合物定型的工艺制备（参见：一种二维曲面压电复合材料元件的制备方法，国家发明专利，CN201610590919.X）。
S2.在敏感元件1的内、外弧表面分别粘贴铜箔第一屏蔽层11a，并在第一屏蔽层11a上焊接电极引线4的正、负极；
S3.将敏感元件1粘贴于背衬2中部的凹槽21，并用铜箔第二屏蔽层11b将背衬2的外表面和电极引线4的外表面包覆；
S4.将背衬2通过垫板8固定于后盖板3的中部，并将电极引线4的正、负极分别与输出电缆5的正、负极连接；
S5.利用灌封模具，配置聚氨酯，通过聚氨酯对后盖板3的周围进行密封，形成水密层6。
为了验证本发明的可行性，采用理论计算的方式，分别计算了工作频率为600k、水平波束开角为1°和垂直波束开角为40°的平面长条形和圆弧形压电复合材料的侧扫换能器的发送电压响应曲线，如图8所示。在图8中，在相同的工作频率下，本发明的侧扫换能器其发送电压响应比平面长条形侧扫换能器的高出5dB以上，充分验证了本发明的可行性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器，其特征在于：包括敏感元件（1）、背衬（2）、后盖板（3）、电极引线（4）、输出电缆（5）和水密层（6），所述水密层（6）固定于所述后盖板（3），且与后盖板（3）之间形成封闭的空腔（7），所述空腔（7）内设圆弧形敏感元件（1）、背衬（2）和电极引线（4），所述敏感元件（1）固定于所述背衬（2）中部的凹槽（21），所述背衬（2）固定于垫板（8），所述垫板（8）固定于所述后盖板（3）的中部，所述后盖板（3）的两端部分别设有安装孔（9），一端部的所述安装孔（9）旁设有电缆孔（10），所述安装孔（9）和所述电缆孔（10）均与所述空腔（7）连通，所述敏感元件（1）的内、外弧表面均设有第一屏蔽层（11a）。
2.根据权利要求1所述的一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器，其特征在于：所述电极引线（4）的一端与所述第一屏蔽层（11a）连接，另一端与安装于所述电缆孔（10）的输出电缆（5）连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器，其特征在于：所述背衬（2）的外表面和所述电极引线（4）的外表面均设有第二屏蔽层（11b）。
4.根据权利要求3所述的一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器，其特征在于：所述第一屏蔽层（11a）和第二屏蔽层（11b）均由导电材料构成。
5.根据权利要求1所述的一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器，其特征在于：所述敏感元件（1）为单片或数片圆弧形压电复合材料（12），数片所述压电复合材料（12）之间在电学上串联、并联或混联。
6.根据权利要求5所述的一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器，其特征在于：所述压电复合材料（12）包括多个压电柱（12a），以及填充于各压电柱（12a）之间的聚合物（12b）。
7.根据权利要求6所述的一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器，其特征在于：所述压电柱（12a）由压电材料构成。
8.根据权利要求1或3所述的一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器，其特征在于：所述背衬（2）由吸声隔振材料构成。
9.根据权利要求1所述的一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器，其特征在于：所述后盖板（3）由耐腐蚀材料构成。
10.一种基于圆弧形压电复合材料的侧扫换能器的制备方法，其特征在于，步骤如下：
S1.制备圆弧形压电复合材料敏感元件（1），具体如下：
S11.设计敏感元件（1）的厚度t；
S12.设计敏感元件（1）的长度l；
S13.设计敏感元件（1）的圆心角α和半径r；
S14.采用可切割-浇注法或热压成型法制备敏感元件（1）；
S2.在敏感元件（1）的内、外弧表面分别粘贴第一屏蔽层（11a），并在第一屏蔽层（11a）上焊接电极引线（4）的正、负极；
S3.将敏感元件（1）粘贴于背衬（2）中部的凹槽（21），并用第二屏蔽层（11b）将背衬（2）的外表面和电极引线（4）的外表面包覆；
S4.将背衬（2）通过垫板（8）固定于后盖板（3），并将电极引线（4）的正、负极分别与输出电缆（5）的正、负极连接；
S5.在后盖板（3）的周围胶封水密层（6）。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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