CN115430598A - 基于面剪切模式的宽频带单晶换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，通过预应力螺栓依次同轴连接前盖板、压电材料元件和后盖板；前盖板为圆台形状，在辐射面中心处开设沉头孔；后盖板呈圆柱形状，前盖板的上端面和后盖板的下端面均有4个矩形沉孔；所述压电材料元件由具有非零的剪切压电系数d3y的压电单晶材料制成，其中d3y系数可以为d34、d35或d36。本发明提供的基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，在结构上保留了为压电材料元件提供预应力的螺栓，最终结果证明该换能器具有频带宽、起伏小、灵敏度高、小尺寸的特点。
Description
技术领域
本发明属于水声换能器技术领域，涉及一种基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，是一种具有高灵敏度、小尺寸和宽带响应的面剪切模式单晶换能器。
背景技术
水声换能器是在水介质中实现声与其他形式能量或信息转换的一类传感器，是声呐探测设备的核心部件，承担着信号发射和接收的使命，在水声探测领域发挥着重要作用。随着海洋环境噪声的逐年增加以及目标“隐身”能力的快速提高，水声换能器逐渐朝着高灵敏度、宽带响应、小尺寸、低频和耐深水压的趋势发展。
在水声换能器发展的历史进程中，新型功能材料的发展是水声换能器性能提升的关键因素。近年来，研究发现在zxt±45°方向对[011]极化PMN-PT晶体进行切割，切割之后的晶体有着很高的压电系数，压电系数d36高达2600pC/N[011]PMN-PT单晶压电系数d32＝-1750pC/N；其次，切割之后的晶体与[001]和[111]方向极化的单晶相比，还存在着非常高的柔顺系数，更有利于换能器小型化设计；除此之外，切割之后的晶体有着一种独特的剪切模式：面剪切模式，相比与常见的厚度剪切模式而言，面剪切模式具有工作电场平行于极化方向的特点，该特点使得水声换能器在工作时不会发生退极化现象，为水声换能器提供了剪切模式的使用。因此，zxt±45°方向切割的[011]极化PMN-PT单晶非常适合研制高灵敏度、宽带响应、小尺寸、低频的水声换能器，在水声换能器领域存在广阔的应用前景。
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面剪切模式的宽频带单晶换能器，该换能器具有工艺简单、纵向尺寸小、工作频带宽和灵敏度高的优点，其工作频带从7kHz到72kHz，纵向尺寸为25mm，工作频带内最大发射电压响应为140dB(0dB ref 1uPa/V)，本发明适宜作为阵元使用。
技术方案
一种基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，其特征在于包括后盖板1、面剪切压电材料元件2、前盖板3、氧化铝绝缘层4、预应力螺杆5和螺母6；后盖板1通过预应力螺杆5和螺母6与前盖板3连接，构成了换能器的主体；多个压电材料元件2位于后盖板1和前盖板3之间，且沿轴心平均设置在不同方位上；每个压电材料元件2与前盖板3之间设有起绝缘作用的氧化铝绝缘层4；所述预应力螺杆5和螺母6为换能器施加预应力的预应力结构。
所述前盖板3的上端面和后盖板1的下端面均有多个矩形沉孔，用于固定氧化铝绝缘层4，同时固定压电材料元件2的安装位置。
所述每个方位上的压电材料元件2为沿不同直径圆周重叠设置多个。
所述不同方位上的多个压电材料元件2为四片沿着圆周方向成90°排列。
所述每个方位上的压电材料元件2为沿不同直径圆周重叠设置二个。
所述四片沿着圆周方向成90°排列压电材料元件2位于半径7mm的圆周上，在10mm圆周上，与7mm的圆周上的四片同一方位成90°排列四片。
所述压电材料元件2所述压电材料元件由具有非零的剪切压电系数d3y的压电单晶材料制成，其中d3y系数为d34、d35或d36，即在Z方向施加交变电压，在XZ、YZ或XY平面产生剪切变形；对压电材料元件2进行切割，沿着其材料坐标系中X轴正方向，Y轴正方向的两个对角进行切割，切割之后的单晶材料为八面体；压电材料元件2的两个切割面与氧化铝绝缘层4连接后，再放置与前盖板3和后盖板1之间，将压电材料元件2的面剪切变形直接转化为换能器的纵向振动。
所述前盖板3的下端面中心处有一沉头孔，预应力螺杆5头部固定在前盖板3沉头孔处。
所述前盖板3的材料为硬铝，后盖板1的材料为钢，预应力螺杆5的材料为钛合金，绝缘层4的材料为氧化铝。
有益效果
本发明提出的一种基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，通过预应力螺栓依次同轴连接前盖板、压电材料元件和后盖板；前盖板为圆台形状，在辐射面中心处开设沉头孔；后盖板呈圆柱形状，前盖板的上端面和后盖板的下端面均有4个矩形沉孔；所述压电材料元件由具有非零的剪切压电系数d3y的压电单晶材料制成，其中d3y系数可以为d34、d35或d36。本发明提供的基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，在结构上保留了为压电材料元件提供预应力的螺栓，最终结果证明该换能器具有频带宽、起伏小、灵敏度高、小尺寸的特点。
本发明的有益成果为：
1、频带宽：可以在中频7kHz到72kHz范围内宽带发射，且带内最大起伏约为8dB；
2、尺寸小：纵向尺寸为25mm，横向尺寸为50mm；
3、灵敏度高：工作频带内的最大发射电压响应达到140dB(0dB ref 1uPa/V)；
4、工艺简单，且增加换能器的性能：结构简单无需过多加工，且通过改变面剪切单晶的形状，在设计时保留了Tonpilz换能器的预应力结构，提升压电单晶的抗张强度以及提升换能器性能的可靠性与稳定性。
附图说明
图1是本发明所采用的面剪切单晶的几何模型图。
图2是单个面剪切单晶的剪切变形。
图3是本发明提供的基于面剪切模式的宽频带单晶换能器结构示意图。
图4是本发明提供的基于面剪切模式的宽频带单晶换能器结构部分横截面的侧视图。
图5是本发明提供的基于面剪切模式的宽频带单晶换能器结构的前两个主要谐振模态：a纵振模态，b弯曲模态；
图6是本发明提供的基于面剪切模式的宽频带单晶换能器的发射电压响应仿真结果图。
附图标记：1—后盖板；2—压电材料元件；3—前盖板；4—氧化铝；5—预应力螺杆；6—螺母。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提供一种基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，该换能器具有工艺简单、纵向尺寸小、工作频带宽和灵敏度高的优点，其工作频带从7kHz到72kHz，纵向尺寸为25mm，工作频带内最大发射电压响应为140dB(0dB ref 1uPa/V)，本发明适宜作为阵元使用。
本发明提供的基于面剪切模式的宽频带单晶换能器由前盖板、压电材料元件、后盖板、绝缘层、螺母和预应力螺杆组成。四片压电材料元件以半径7mm沿着圆周方向成90°排列，另四片压电材料元件以半径10mm沿着圆周方向成90°排列，压电材料元件接触面与氧化铝绝缘层连接后，再放置与前盖板和后盖板之间；通过预应力螺杆将前后盖板和压电材料元件固定，并使前后盖板同轴心，并通过预应力螺杆对压电材料元件提供预应力，以保护压电材料元件。
所述前盖板为圆台形状，在辐射面中心处开设沉头孔；所述预应力螺杆头部固定在前盖板沉头孔处；另一端带有螺纹穿过后盖板，通过螺母进行固定。
所述前、后盖板与单晶材料元件接触面开设沉孔，沉孔面尺寸为6mm×4mm，沉孔面用于放置绝缘层，并用于确定单晶材料元件的位置，方便后续加工。
所述压电材料元件由具有非零的剪切压电系数d3y的压电单晶材料制成，其中d3y系数可以为d34、d35或d36，即在Z方向施加交变电压，在XZ、YZ或XY平面产生剪切变形。对压电材料元件进行切割，沿着其材料坐标系中X轴正方向，Y轴正方向所对应的两个对角进行切割，切割之后的单晶材料为八面体。压电材料元件的两个切割面与氧化铝绝缘层连接后，再放置与前盖板和后盖板之间，可将压电材料元件的面剪切变形直接转化为换能器的纵向振动。
所述前盖板的材料为硬铝，所述后盖板的材料为钢，所述预应力螺杆的材料为钛合金，所述绝缘层的材料为氧化铝。
所述换能器的各个部分之间采用环氧树脂进行粘接。
本发明提供了的具体由压电单晶材料制成的换能器。
利用[011]极化zxt±45°方向切割PMN-PT单晶的面剪切模式特性产生大位移，该特性可减小传感器的尺寸。其次该单晶的耦合系数k约为0.8，为换能器提供了显著的可用带宽，此外允许以极化的方向对单晶施加电场。因此，这种特性简化了器件结构，并允许偏置场来增强PMN-PT压电材料的极化。[011]极化PMN-PT单晶的剪切模量也远低于传统压电材料，因此提供了紧凑的换能器设计。例如，PMN-PT单晶材料的面剪切模式柔顺系数为
而PZT-8等传统压电材料的柔顺系数为
本发明中，压电材料元件可以由具有非零剪切压电系数d3y的压电材料制成，其中d3y系数可以是d34、d35或d36，即y可以等于4、5或6。例如，如果压电材料元件呈现非零的d34或d35剪切压电系数，压电材料元件可以在YZ、XZ平面进行切割，切割之后与图1中的几何模型形状一致，则该元件可以在靠近前盖板的一侧边和靠近后盖板的另一侧边的方向上进行极化，这两侧边相对于压电材料的坐标系原点对称。并且如果压电材料元件表现出非零d36剪切压电系数，则该元件可以在垂直于前后盖板的六边形面的方向上被极化，并且第一电极可以与该对工作面中的一个工作面电接触，第二电极可以与另一个工作面电接触。
应理解，电极用于向每个元件施加电场，电场的方向从一个电极表面延伸到另一个电极表面。还应进一步了解，前后盖板可以是传感器的辐射面，辐射面是可以移动以提供或接受机械能例如声波的表面。此外，压电材料元件可以接受或提供第一形式的能量例如，电场等电能，并分别提供或接受第二形式的能量例如，声波等机械能。换言之，压电材料元件，以及传感器，具有转换特性，可以将电能转换为机械能，反之亦然。
下面转到实施例，实施例如图3所示，本实施例提供的基于面剪切模式的宽频带单晶换能器包括后盖板1、面剪切压电材料元件2、前盖板3、氧化铝绝缘层4、预应力螺杆5和螺母6。前盖板3、压电材料元件2和后盖板1构成了换能器的主体，螺母6和预应力螺杆5是换能器预应力施加结构。氧化铝绝缘层4用于将压电材料元件2与前后盖板相隔开，起绝缘作用。
上述技术方案中，前盖板3采用密度低、重量轻的铝材料；压电材料元件2采用具有面剪切模式、压电性能高的面剪切弛豫铁电单晶材料；后盖板1采用重量重，密度大的钢制材料；预应力螺杆5为预应力螺杆，采用柔顺系数比较高的钛合金材料。依据换能器整体动量守恒定律，前后盖板处的振速比越大，同样位移比也就越大，那么压电材料元件2产生的振动能量就会大部分从前盖板3辐射出去。同时前盖板3一般设计成圆台形，这样可以增大辐射面积，并能调整带宽等。同时，在辐射面中心处开设沉头孔，预应力螺杆5头部固定在前盖板3沉头孔处；另一端带有螺纹穿过后盖板1，通过螺母6进行固定；
上述技术方案中，四片压电材料元件以半径7mm沿着圆周方向成90°排列，另四片压电材料元件以半径10mm沿着圆周方向成90°排列，压电材料元件2在前盖板3和后盖板1之间，且在连接处通过氧化铝绝缘层4进行绝缘。
上述技术方案中，所述的压电材料元件2采用d36面剪切模式的压电单晶材料，即在Z方向施加交变电压，在XY平面产生剪切变形。在垂直于前后盖板的六边形面的方向上被极化，正极可以与该对工作面中的一个工作面接触，另一个工作面接地。同一方向上的两个压电材料元件极化方向与施加条件一致。所述压电材料元件还可以采用其他具有面剪切压电效应的换能材料。
上述技术方案中，前盖板3、后盖板1与单晶材料元件2接触面开设矩形沉孔，沉孔面尺寸为6mm×4mm，厚度为2mm，主要用于放置氧化铝绝缘层4，并用于确定单晶材料元件2的位置，方便后续加工。
本发明的工作原理是采用面剪切模式振动的压电单晶材料作为压电驱动材料，前盖板采用轻且硬的铝金属材料，后盖板采用重而硬的钢材料，利用面剪切单晶材料的高机电耦合系数、高压电系数和高柔顺系数的特点，再通过前盖板的弯曲振动产生两个谐振峰进行拓宽频带，从而产生宽频带的发射电压响应，其发送电压响应曲线如图6所示。图6为该实施例仿真的发射电压响应曲线，从图中可以看出工作频带从7kHz到72kHz，工作频带内的最大发射电压响应达到140dB(0dB ref 1uPa/V)，且带内最大起伏约为8dB。
Claims (9)
1.一种基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，其特征在于包括后盖板(1)、面剪切压电材料元件(2)、前盖板(3)、氧化铝绝缘层(4)、预应力螺杆(5)和螺母(6)；后盖板(1)通过预应力螺杆(5)和螺母(6)与前盖板(3)连接，构成了换能器的主体；多个压电材料元件(2)位于后盖板(1)和前盖板(3)之间，且沿轴心平均设置在不同方位上；每个压电材料元件(2)与前盖板(3)之间设有起绝缘作用的氧化铝绝缘层(4)；所述预应力螺杆(5)和螺母(6)为换能器施加预应力的预应力结构。
2.根据权利要求1所述基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，其特征在于：所述前盖板(3)的上端面和后盖板(1)的下端面均有多个矩形沉孔，用于固定氧化铝绝缘层(4)，同时固定压电材料元件(2)的安装位置。
3.根据权利要求1所述基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，其特征在于：所述每个方位上的压电材料元件(2)为沿不同直径圆周重叠设置多个。
4.根据权利要求1所述基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，其特征在于：所述不同方位上的多个压电材料元件(2)为四片沿着圆周方向成90°排列。
5.根据权利要求2所述基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，其特征在于：所述每个方位上的压电材料元件(2)为沿不同直径圆周重叠设置二个。
6.根据权利要求4或5所述基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，其特征在于：所述四片沿着圆周方向成90°排列压电材料元件(2)位于半径7mm的圆周上，在10mm圆周上，与7mm的圆周上的四片同一方位成90°排列四片。
7.根据权利要求1～6任一项所述基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，其特征在于：所述压电材料元件(2)所述压电材料元件由具有非零的剪切压电系数d3y的压电单晶材料制成，其中d3y系数为d34、d35或d36，即在Z方向施加交变电压，在XZ、YZ或XY平面产生剪切变形；对压电材料元件(2)进行切割，沿着其材料坐标系中X轴正方向，Y轴正方向的两个对角进行切割，切割之后的单晶材料为八面体；压电材料元件(2)的两个切割面与氧化铝绝缘层(4)连接后，再放置与前盖板(3)和后盖板(1)之间，将压电材料元件(2)的面剪切变形直接转化为换能器的纵向振动。
8.根据权利要求1所述基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，其特征在于：所述前盖板(3)的下端面中心处有一沉头孔，预应力螺杆(5)头部固定在前盖板(3)沉头孔处。
9.根据权利要求1所述基于面剪切模式的宽频带单晶换能器，其特征在于：所述前盖板(3)的材料为硬铝，后盖板(1)的材料为钢，预应力螺杆(5)的材料为钛合金，绝缘层(4)的材料为氧化铝。
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