CN116116691A - 活塞式压电复合板，水声换能器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种活塞式压电复合板，水声换能器及制备方法。其中，所述活塞式压电复合板被配置为圆柱形，所述活塞式压电复合板由内复合板和外复合板拼接而成；所述内复合板被配置为与所述活塞式压电复合板同心等高的圆柱形，所述外复合板被配置为与所述内复合板同心等高的圆环柱形，所述外复合板套设于内复合板的外侧；所述内复合板和外复合板均采用1‑3型压电复合材料制成，且所述内复合板的压电阵子密度高于所述外复合板的压电阵子密度。本发明所构成的水声换能器相对于现有同类产品取得更大的带宽和更低的旁瓣。
Description
技术领域
本发明属于水下探测技术领域，具体来说涉及一种水声换能器的活塞式压电复合板，以及包含该活塞式压电复合板的水声换能器，以及一种对水声换能器的制备方法。
背景技术
声呐是一种利用声波在水中的传播和反射特性，通过电声转换和信息处理进行导航和测距的技术而水声换能器是声呐系统中作为系统设备与介质进行信息传输的关键设备：在发射信号时，系统产生一定频带的电信号激发换能器振动，产生声波辐射入介质中；在接收信号时换能器接收介质中的声波信号转换为电信号，进而系统进行信号处理。实践中，为取得更大的通信带宽和更高的探测精度，要求水声换能器能够兼顾宽带和低旁瓣的特点。现有技术中拓展带宽的一种方法是增大压电材料的损耗：换能器的机械品质因数为Qm，机械共振频率为f0，换能器的频带宽带为△f(-3dB)。三者的关系式为：Qm＝f0/△f，Qm值越低带宽△f越大。因此通过在压电材料中添加高分子聚合物来增大压电材料的损耗，可降低Qm值增大带宽。但Qm值较低时也相应降低了换能器的灵敏度。现有技术中降低旁瓣的一种方法是通过电路部分控制换能器基阵的各路阵元的相位与幅度，通过加权的手段实现低旁瓣，但该方法会增加电子部分的功率、复杂度，降低系统的可靠型和稳定性。(童晖,周益明,王佳麟等，高频宽带换能器研究,声学技术,2013,32(06):524-527)公开了通过使换能器在工作频段内产生多种振动模态，且使多种振动模态在该频率范围内耦合起来以增大带宽的方法。(张彬,周博文,童晖等.一种低旁瓣圆形活塞高频换能器研究，声学技术，2021,40(03):435-438)则公开了以圆形活塞圆心为中心，在一定宽度的圆环区域内去除压电颗粒，通过去环结构的设计降低旁瓣的方案。目前，如何在上述方案基础上进一步优化水声换能器的结构还在不断探索和研究过程中。
发明内容
本发明的第一目的为提供一种活塞式压电复合板，其在应用于水声换能器中时，相对于现有同类产品能够取得更大的带宽和更低的旁瓣。
本发明的第二目的为提供一种包含上述活塞式压电复合板的水声换能器。
本发明的第三目的为提供一种生产上述水声换能器的制备方法。
本发明提供的第一种方案为一种活塞式压电复合板，所述活塞式压电复合板被配置为圆柱形，所述活塞式压电复合板由内复合板和外复合板拼接而成；所述内复合板被配置为与所述活塞式压电复合板同心等高的圆柱形，所述外复合板被配置为与所述内复合板同心等高的圆环柱形，所述外复合板套设于内复合板的外侧；所述内复合板和外复合板均采用1-3型压电复合材料制成，且所述内复合板的压电阵子密度高于所述外复合板的压电阵子密度。
优选的是，所述外复合板的数量被配置为至少2个，且活塞式压电复合板上位于径向外侧的外复合板的压电阵子密度低于活塞式压电复合板上位于径向内侧的外复合板的压电阵子密度。
优选的是，所述外复合板的数量被配置为不超过5个。
优选的是，所述外复合板的数量被配置为2个，内复合板上压电阵子的体积百分比为60％-90％，活塞式压电复合板上位于径向内侧的外复合板上压电阵子的体积百分比为30％-70％，活塞式压电复合板上位于径向外侧的外复合板上压电阵子的体积百分比为20％-40％。
本发明提供的第二种方案为一种水声换能器，其包括：
上述的活塞式压电复合板；
负电极层，所述负电极层被配置为被覆于所述活塞式压电复合板的上表面；
正电极层，所述正电极层被配置为被覆于所述活塞式压电复合板的下表面；
背衬，所述背衬被配置为被覆于所述正电极层的下表面；
匹配层，所述匹配层被配置为被覆于所述负电极层的上表面；
下壳体，所述下壳体被配置为与背衬背向正电极层的一面粘结固定；
上壳体，所述上壳体被配置为与下壳体配合构成封装体，用于将活塞式压电复合板，正电极层，负电极层，背衬和匹配层封装于所述封装体的内部；
正电极引线，所述正电极引线被配置为其一端伸入封装体内与所述正电极层固定连接；
负电极引线，所述负电极引线被配置为其一端伸入封装体内与所述负电极层固定连接。
优选的是，所述上壳体采用防水透声层构成。
优选的是，所述匹配层包括至少2个子匹配层，所述至少2个子匹配层沿垂直方向依序堆叠。
优选的，所述子匹配层的数量为2个或3个。
本发明提供的第三种方案为一种水声换能器的制备方法，包括如下步骤：
步骤001:分别切割取得内复合板和外复合板；
步骤002：将所述内复合板和外复合板拼接为活塞式压电复合板，并将所述内复合板和外复合板沿一致的切割方向对齐摆正；
步骤003：将环氧树脂灌注至所述活塞式压电复合板表面的缝隙中，将活塞式压电复合板进行抽真空处理以排除气泡；
步骤004：打磨活塞式压电复合板的厚度；
步骤005：在活塞式压电复合板的上表面均匀被覆负电极层并在负电极层上焊接负极引线，在活塞式压电复合板的下表面均匀被覆正电极层并在正电极层上焊接正极引线；
步骤006：在负电极层的上表面粘结匹配层，在正电极层的下表面粘结背衬；
步骤007：打磨匹配层的厚度直至满足多谐振峰耦合拓展带宽；
步骤008：在背衬上装配下壳体，形成装配体；
步骤009：将装配体置于灌封磨具内并灌注防水透声层作为上壳体，完成封装。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
首先，本发明在1-3型压电复合材料的方案基础上，通过减少外圆环中的压电阵子密度，进一步结合振动模态耦合的方案，使水声换能器相比于现有同类产品取得更大的带宽和更低的旁瓣。此外，本发明的技术方案结构简单，便于制备，能够大量生产并广泛应用于水下目标探测、水声通信、海洋勘测、水声导航等多个应用场景。
附图说明
图1为实施例1中水声换能器的剖面结构示意图；
图2为实施例1中水声换能器的立体结构示意图，本图中省略了水密电缆，下壳体和上壳体；
图3为实施例1的活塞式压电复合板的结构示意图；
图4为实施例1中水声换能器的制备流程示意图；
图5为实施例1中活塞式压电复合板的水中电导图；
图6为实施例1中水声换能器的指向性图；
图7为实施例1中活塞式压电复合板上被覆单层匹配层之后的水中电导图；
图8为实施例2中水声换能器的剖面结构示意图；
图9为实施例2中水声换能器的水中电导图；
图10为实施例3中水声换能器的剖面结构示意图；
图11为实施例3中水声换能器的水中电导图。
图中，各附图标记对应的部件名称如下：
1、活塞式压电复合板；21、内复合板；22、外复合板；31、压电阵子；32、高分子聚合物；41、负电极层；42、正电极层；5、背衬；6、匹配层；61：第一子匹配层；62：第二子匹配层；63：第三子匹配层；7、上壳体；81、负电极引线；82、正电极引线；83、水密电缆；9、下壳体。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
首先，申请人先阐明本申请的创作过程：
在当前水声换能器的实践应用中，兼备低旁瓣、宽带的换能器具备更多的应用场景，可以提高声呐系统的通信带宽以及探测精度。发明人针对这种需求，首先提出了压电圆形活塞去除中间一定宽度的圆环区域内的压电颗粒的结构，通过去环结构的设计来降低旁瓣。但后来发明人发现：上述方案中虽然会降低第一旁瓣，其他旁瓣有的会相应升高。且第一旁瓣降低的越多，其他的旁瓣升高的越多。因此上述方案降低旁瓣的作用有限，且会提高换能器的远端旁瓣，减弱了该方案降低旁瓣的能力，存在很大的局限性。在上述方案的基础上，经过多次的理论论证和实验调整，发明人发现将1-3型压电复合材料圆形活塞由内到外分为若干环，且各环上的压电颗粒分布密度按照“内密-外梳”顺序进行排布时可进一步降低换能器的第一旁瓣，且不再产生远端旁瓣相应升高的问题。与此同时，各环上不同的颗粒分布密度会产生不同的谐振频率，因此需通过选择一定的颗粒分布密度使不同的谐振频率间实现互相耦合振动以有效的拓展带宽，还可以通过设置对应的被覆匹配层，产生不同的谐振峰实现耦合。
实施例1，请参阅附图1-3：
一种水声换能器，其包括:
活塞式压电复合板1，所述活塞式压电复合板1整体呈圆柱形，其由同心等高设置且沿径向依序分布的1个圆柱形的内复合板21和2个圆环柱形的外复合板22自内向外依序拼接而成。其中，所述内复合板21和外复合板22均采用1-3型压电复合材料制成。其中，内复合板21上的压电阵子体积百分比为60％-90％，活塞式压电复合板1上位于径向内侧的外复合板22上的压电阵子体积百分比为30％-70％，活塞式压电复合板1上位于径向外侧的外复合板22上的压电阵子体积百分比为20％-40％。其中，1-3型压电复合材料具有增大压电损耗、颗粒密度分布可控可调的优点，并可通过优选地不同的压电颗粒分布密度降换能器低旁瓣以及产生多谐振频率耦合以拓展带宽。
负电极层41，所述负电极层41被配置为被覆于所述活塞式压电复合板1的上表面；
正电极层42，所述正电极层42被配置为被覆于所述活塞式压电复合板1的下表面；
背衬5，所述背衬5被配置为被覆于所述正电极层42的下表面；
匹配层6，所述匹配层6被配置为被覆于所述负电极层41的上表面；
下壳体9，所述下壳体9被配置为与背衬5的下表面粘结固定；
上壳体7，所述上壳体7被配置与下壳体9配合、构成将所述活塞式压电复合板1，负电极层41，正电极层42，背衬5，匹配层包裹在内的封装体；
负电极引线81，所述负电极引线81被配置为该引线的一端伸入下壳体9内与所述负电极层41固定连接；
正电极引线82，所述正电极引线82被配置为该引线的一端伸入下壳体9内与所述正电极层42固定连接。
本例中：所述压电阵子31采用压电陶瓷或压电单晶或压电陶瓷与压电单晶复合材料中的任一种。所述1-3型压电复合材料中的高分子聚合物32包括环氧树脂、硅橡胶、聚碳酸酯、油尼龙、玻璃、聚氨酯、橡胶中的至少任一种。还包括铝粉、钨粉、陶瓷粉、玻璃微珠中的至少一种粉末成分。所述匹配层为单层结构，其层厚度为1/4声波波长左右。所述负电极引线81和正电极引线82的另一端分别包裹在水密电缆83中并伸出下壳体9外侧。
请参考图4，上述水声换能器的制备过程如下：
步骤001:将压电材料固定在切割板上，按照预先设计的颗粒大小、切缝宽度，采用精切割机分别对进行横向切割和纵向切割，取得1个内复合板21和2个外复合板22；
步骤002：将所述1个内复合板21和2个外复合板22拼接为活塞式压电复合板1，并将所述内复合板21和2个外复合板22沿切割方向对齐摆正；
步骤003：配制环氧树脂，将环氧树脂灌注至活塞式压电复合板1上因切割形成的缝隙中，随后将活塞式压电复合板1放入真空箱中进行抽真空处理，用以排除气泡；
步骤004：采用精密磨床打磨活塞式压电复合板1的厚度；
步骤005：在活塞式压电复合板1的上表面均匀被覆负电极层41并在负电极层41上焊接正极引线，在活塞式的下表面均匀被覆正电极层42并在正电极层42上焊接正极引线；
步骤006：按比例配制匹配层材料，在负电极层41的上表面粘结匹配层；将背衬5粘接在正电极层42的下表面；
步骤007：采用精密磨床打磨匹配层的厚度；所述匹配层厚度应打磨至满足多谐振峰耦合拓展带宽；
步骤008：将非均匀密度分布的1-3压电复合材料与下壳体9装配，形成装配体。
步骤009：将装配体置于灌封磨具内并灌注上壳体7，封装成型。
请参考图5-7：
图5为本例中活塞式压电复合板1上1-3压电复合材料的水中电导图。
编号1#代表本例中所述的内复合板21，编号2#代表本例中所述的外径较小的外复合板22，编号3#代表本例中所述的外径较大的外复合板22，编号4#代表本例中所述的拼接而成的活塞式压电复合板1。
所述1个内复合板21和2个外复合板22分别产生不同的谐振频率，不同的谐振频率耦合振动，其水中电导数据如下表1所示：
| 编号 | 频率(kHz) | 电导(mS) | -3dB带宽(kHz) |
| 1# | 309.6 | 7.0 | 24.3 |
| 2# | 299.9 | 6.1 | 23.9 |
| 3# | 291.4 | 5.9 | 23.7 |
| 4# | 300.2 | 14.3 | 35.6 |
| 5# | 299.9 | 24.5 | 23.9 |
表1
上表中，编号5#代表面积与活塞式压电复合板1相同，且压电阵子31密度与所述的外径较小的外复合板22相同的圆形活塞阵。经比对，本例中所采用的活塞式压电复合板1，其带宽明显大于面积相同且采用均匀压电阵子31密度的圆形活塞阵。因此相较均匀阵复合材料，非均匀密度分布的1-3压电复合材料的带宽得到了明显的拓展。
图6为本例中水声换能器的指向性图：
从图6可以看出：压电阵子31非均匀分布密度下的1-3压电复合材料换能器的最大旁瓣级为-25.5dB，同均匀活塞阵的旁瓣级为-17.6dB，最大旁瓣级降低了7.9dB。因此对比于均匀合阵复合材料，非均匀密度分布的1-3压电复合材料的最大旁瓣级得到了明显的降低。
图7为被覆单层匹配层后的非均匀密度分布的1-3压电复合材料换能器的水中电导曲线。从图7可以看出被覆匹配层后多谐振峰实现了耦合。如下表2所示，为被覆匹配层后的非均匀分布密度(编号1#)与均匀分布密度(编号2#)的1-3压电复合材料换能器的水中电导数据表。
表2中：编号1#代表本例中所述活塞式压电复合板1，编号2#代表面积与活塞式压电复合板1相同，且压电阵子31密度与所述的外径较小的外复合板22相同的圆形活塞阵。
| 编号 | 中心频率(kHz) | -3dB带宽(kHz) |
| 1# | 302.1 | 137.8 |
| 2# | 300.8 | 117.6 |
表2
从表2中可以看出：相较被覆匹配层后的均匀阵复合材料，被覆匹配层后的非均匀密度分布的1-3压电复合材料的带宽得到了明显的拓展。
实施例2，请参考图8-9：
实施例2与实施例1的区别在于，本例中所述匹配层具体包括沿垂直方向依序堆叠的第一子匹配层61和第二子匹配层62。图9为实施例2中被覆了2层子匹配层的水声换能器的水中电导图，从图9中可以看出被覆2层子匹配层后三个谐振峰实现了耦合。
如下表3所示：为被覆2层子匹配层(编号B#)与被覆1层匹配层(编号A#)的1-3压电复合材料的水声换能器在水中的电导数据表。通过对比表3中的数据，被覆2层子匹配层的换能器(编号B#)较被覆单层匹配层的换能器(编号A#)，其带宽增加了101.7kHz，因此本例中的换能器具有更大的带宽。
| 编号 | 中心频率(kHz) | -3dB带宽(kHz) |
| A# | 302.1 | 137.8 |
| B# | 300.8 | 239.5 |
表3
实施例3，请参考图10-11：
实施例3与实施例2的区别在于，本例中匹配层具体包括沿垂直方向依序叠加的第一子匹配层61，第二子匹配层62和第三子匹配层63。图11为本例中水声换能器的水中电导图，从图11中可以看出被覆3层子匹配层后四个谐振峰实现了耦合。
如下表4所示，为被覆三层子匹配层后(编号C#)与被覆双层子匹配层(编号B#)、被覆单层匹配层(编号A#)的1-3压电复合材料水声换能器水中电导数据表。通过对比表4中数据，可见被覆3层子匹配层的换能器(编号C#)相较于被覆2层子匹配层的换能器(编号B#)和被覆单层匹配层的换能器(编号A#)换能器，其带宽分别增加了37.5kHz、139.2kHz。因此本例中的换能器其带宽得到了更大的拓展。
| 编号 | 中心频率(kHz) | -3dB带宽(kHz) |
| A# | 302.1 | 137.8 |
| B# | 300.8 | 239.5 |
| C# | 302.8 | 277.0 |
表4
以上结合各附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种活塞式压电复合板，其特征在于：
所述活塞式压电复合板被配置为圆柱形，所述活塞式压电复合板由内复合板和外复合板拼接而成；所述内复合板被配置为与所述活塞式压电复合板同心等高的圆柱形，所述外复合板被配置为与所述内复合板同心等高的圆环柱形，所述外复合板套设于内复合板的外侧；所述内复合板和外复合板均采用1-3型压电复合材料制成，且所述内复合板的压电阵子密度高于所述外复合板的压电阵子密度。
2.如权利要求1所述活塞式压电复合板，其特征在于：所述外复合板的数量被配置为至少2个，且活塞式压电复合板上位于径向外侧的外复合板的压电阵子密度低于活塞式压电复合板上位于径向内侧的外复合板的压电阵子密度。
3.如权利要求2所述活塞式压电复合板，其特征在于：所述外复合板的数量被配置为不超过5个。
4.如权利要求2所述活塞式压电复合板，其特征在于：所述外复合板的数量被配置为2个，内复合板上压电阵子的体积百分比为60％-90％，活塞式压电复合板上位于径向内侧的外复合板上压电阵子的体积百分比为30％-70％，活塞式压电复合板上位于径向外侧的外复合板上压电阵子的体积百分比为20％-40％。
5.一种水声换能器，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的活塞式压电复合板；
还包括：
负电极层，所述负电极层被配置为被覆于所述活塞式压电复合板的上表面；
正电极层，所述正电极层被配置为被覆于所述活塞式压电复合板的下表面；
背衬，所述背衬被配置为被覆于所述正电极层的下表面；
匹配层，所述匹配层被配置为被覆于所述负电极层的上表面；
下壳体，所述下壳体被配置为与背衬背向正电极层的一面粘结固定；
上壳体，所述上壳体被配置为与下壳体配合构成封装体，用于将活塞式压电复合板，正电极层，负电极层，背衬和匹配层封装于所述封装体的内部；
正电极引线，所述正电极引线被配置为其一端伸入封装体内与所述正电极层固定连接；
负电极引线，所述负电极引线被配置为其一端伸入封装体内与所述负电极层固定连接。
6.如权利要求5所述水声换能器，其特征在于：所述上壳体采用防水透声层构成。
7.如权利要求5所述水声换能器，其特征在于：所述匹配层包括至少2个子匹配层，所述至少2个子匹配层沿垂直方向依序堆叠。
8.如权利要求7所述水声换能器，其特征在于：所述子匹配层的数量为2个或3个。
9.一种水声换能器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤001:分别切割取得内复合板和外复合板；
步骤002：将所述内复合板和外复合板拼接为活塞式压电复合板，并将所述内复合板和外复合板沿一致的切割方向对齐摆正；
步骤003：将环氧树脂灌注至所述活塞式压电复合板表面的缝隙中，将活塞式压电复合板进行抽真空处理以排除气泡；
步骤004：打磨活塞式压电复合板的厚度；
步骤005：在活塞式压电复合板的上表面均匀被覆负电极层并在负电极层上焊接负极引线，在活塞式压电复合板的下表面均匀被覆正电极层并在正电极层上焊接正极引线；
步骤006：在负电极层的上表面粘结匹配层，在正电极层的下表面粘结背衬；
步骤007：打磨匹配层的厚度直至满足多谐振峰耦合拓展带宽；
步骤008：在背衬上装配下壳体，形成装配体；
步骤009：将装配体置于灌封磨具内并灌注防水透声层作为上壳体，完成封装。
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2023
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