CN114308601A - 基于2-2型压电复合材料覆盖匹配层的换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于2‑2型压电复合材料覆盖匹配层的换能器及其制备方法。所述2‑2型复合压电层包括压电相与环氧聚合物相，所述匹配层敷设在压电复合层辐射面上，所述声背衬层敷设在2‑2型复合材料非辐射面上，所述匹配层的厚度确定方式为：通过测试换能器水中电导曲线来研究覆盖匹配层对换能器带宽的影响，以此来确定最佳匹配层厚度。本发明通过在压电复合材料上添加匹配层，使其产生多模态耦合来拓宽高频换能器的带宽同时提高灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及换能器技术领域，尤其是指基于2-2型压电复合材料覆盖匹配层的换能器及其制备方法。
背景技术
随着水声信号处理技术的迅速发展，要求从换能器获得足够多的信息，即一个换能器需要覆盖更宽的工作频率，因此换能器宽带技术的研究已成为一种大方向。制作中高频宽带换能器是众多声纳系统对换能器的要求之一，然而对高频发射换能器来说，较大程度拓宽带宽的同时提高灵敏度具有一定难度。换能器的带宽是宽带信号处理的基础，其中匹配层技术是拓宽厚度振动换能器频带最有效的方法。2-2型压电复合材料兼具压电陶瓷的压电活性和聚合物的柔韧性，具有较高的机电耦合系数、大的带宽和较低的声阻抗及干扰耦合小等优点。目前国内通过覆盖匹配层拓宽带宽的研究制作主要集中在中低频换能器，对高频换能器的研究尤其是复合材料上覆盖匹配层的研究较少。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中对高频换能器通过覆盖匹配层难以较大程度拓宽带宽的同时提高灵敏度的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于2-2型压电复合材料覆盖匹配层的换能器，包括2-2型复合材料、匹配层、背衬层，所述2-2型复合材料包括压电复合层，所述压电复合层包括压电相与环氧聚合物相，所述匹配层覆盖压于2-2型复合材料的辐射面上，所述背衬层覆盖2-2型复合材料的非辐射面上，所述匹配层的厚度确定方式为：通过测试换能器水中电导、曲线来确定最佳匹配层厚度。
在本发明的一个实施例中，还包括圆柱形金属外壳，所述2-2型复合材料、匹配层、背衬层均设于外壳内，所述外壳内灌注有防水透声层。
在本发明的一个实施例中，在2-2型复合材料辐射面上灌注的防水透声层厚度约为4mm。
在本发明的一个实施例中，所述匹配层的厚度为1/4波长±0.01mm，声阻抗为4.3Mrayl。
在本发明的一个实施例中，所述背衬的材料为玻璃微珠，厚度约为2.5mm。
本发明还提供一种基于2-2型压电复合材料覆盖匹配层的换能器的制备方法，包括
步骤S1：将压电相进行切割，对切割后的压电相表面浇注环氧聚合物相并打磨后镀上电极，在电极上焊接引线构成2-2型复合材料；
步骤S2：在2-2型复合材料辐射面上灌注匹配层，在2-2型复合材料非辐射面上粘贴一层背衬后得到振子；
步骤S3：将振子装入外壳中，在外壳中灌注防水透声层并接入电缆得到换能器，并通过测试水中电导、发送电压响应和灵敏度响应曲线来研究覆盖匹配层对换能器带宽的影响，以此来确定最佳匹配层厚度。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的基于2-2型压电复合材料覆盖匹配层的换能器及其制备方法，通过在压电复合材料上添加匹配层，使其产生多模态耦合来拓宽高频换能器的带宽同时提高灵敏度。首先仿真研究带匹配层的复合材料振子的振动特性，获得水中电导曲线包括谐振频率点和频带带宽随匹配层厚度和声阻抗的变化规律；依次设计压电复合材料振子，确定最佳压电相和聚合物相宽，制作换能器并进行水下测试，通过水中电导和发送电压响应曲线的测试，探索出换能器的带宽随匹配层厚度变化的规律，优化匹配层的厚度。通过测试，应用优化的匹配层制作的复合材料换能器其频带宽度可达到850kHz-1150kHz，频带内发送电压响应起伏小于3dB。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中系列一为未覆盖匹配层结果，系列二为覆盖匹配层结果。
图1是未覆盖匹配层2-2型换能器与覆盖匹配层换能器水中的电导曲线对比图。
图2是换能器的结构示意图。
图3是2-2型1/4片子切割示意图。
图4是覆盖匹配层前后2-2型换能器发送电压响应曲线对比图。
图5是覆盖匹配层前后换能器接收电压灵敏度级曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
参照图2、图3所示，本发明为拓宽高频换能器的带宽，针对压电材料敏感元件，选择不同的聚合物相宽，通过匹配层覆盖压电复合材料表面制作换能器，实现最大程度的频带带宽扩展。
本实施例提供一种基于2-2型压电复合材料覆盖匹配层的换能器的制备方法，包括
步骤S1：将压电相进行切割，对切割后的压电相表面浇注环氧聚合物相并打磨后镀上电极，在电极上焊接引线构成2-2型复合材料；
步骤S2：在2-2型复合材料辐射面上灌注匹配层，在2-2型复合材料非辐射面上粘贴声背衬后得到振子；本实施例中，所述背衬为25mm*2.5mm的玻璃微珠材料；
步骤S3：将振子装入外壳中，在外壳中灌注防水透声层并接入电缆得到换能器，并通过测试水中电导、发送电压响应和灵敏度响应曲线来研究覆盖匹配层对换能器带宽的影响；本实施例中，所述外壳为圆柱形金属外壳，其直径34mm，外高50mm，内高10mm，并确保辐射面上灌注的聚氨酯透声层厚度接近4mm。
实施例二
将谐振频率接近1MHz带匹配层的振子做成换能器，首先在振子的非辐射面粘贴25mm*2.5mm的玻璃微珠作为背衬，利用双面胶固定在圆柱形金属外壳中，圆柱形金属外壳直径34mm，外高50mm，内高10mm，确保辐射面上灌注的聚氨酯透声层厚度接近4mm；通过测试水中电导、发送电压响应和灵敏度响应曲线来研究覆盖匹配层对换能器带宽的影响。图1、图4、图5结果曲线表明当匹配层厚度选取0.61mm(即1/4波长)时换能器的发送电压响应-3dB实现了良好耦合，其带宽可达400kHz，频带内发送电压响应起伏小于3dB。以此得出结论：匹配层的厚度选取1/4声波波长时为最佳。事实上，本发明在匹配层的厚度为1/4波长±0.01mm时都能取得良好的效果。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种基于2-2型压电复合材料覆盖匹配层的换能器，其特征在于：包括2-2型复合材料、匹配层、背衬层，所述2-2型复合材料包括压电复合层，所述压电复合层包括压电相与环氧聚合物相，所述匹配层覆盖于2-2型复合材料的辐射面上，所述背衬层覆盖于2-2型复合材料的非辐射面上，所述匹配层的厚度确定方式为：通过测试换能器水中电导曲线来研究覆盖匹配层对换能器带宽的影响，以此来确定最佳匹配层厚度。
2.根据权利要求1所述的一种基于2-2型压电复合材料覆盖匹配层的换能器，其特征在于：包括圆柱形金属外壳，所述2-2型复合材料、匹配层、背衬层均敷设于外壳内，所述外壳内灌注有防水透声层。
3.根据权利要求2所述的一种基于2-2型压电复合材料覆盖匹配层的换能器，其特征在于：在2-2型复合材料辐射面上灌注的防水透声层厚度保证在4mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于2-2型压电复合材料覆盖匹配层的换能器，其特征在于：所述匹配层的厚度为1/4波长±0.01mm，声阻抗约为4.3Mrayl。
5.根据权利要求1所述的一种基于2-2型压电复合材料覆盖匹配层的换能器，其特征在于：所述背衬的材料为玻璃微珠，厚度约为2.5mm。
6.一种基于2-2型压电复合材料覆盖匹配层的换能器的制备方法，其特征在于：包括
步骤S1：将整个陶瓷圆片进行切割，对切割后的压电相表面浇注环氧聚合物并打磨后镀上电极，在电极上焊接引线构成2-2型复合材料；
步骤S2：在2-2型复合材料辐射面上灌注匹配层，在2-2型复合材料非辐射面上粘贴一层背衬后得到振子；
步骤S3：将振子装入外壳中，在外壳中灌注防水透声层并接入电缆得到换能器，并通过测试水中电导、发送电压响应和灵敏度响应曲线来研究覆盖匹配层对换能器带宽的影响。
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