CN116668925A - 一种水声换能器的压电敏感元件及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水声换能器的压电敏感元件及其制备工艺，属于水声换能技术领域，敏感元件包括依次设置的金属后盖板、吸声层和若干组压电模块，压电模块包括基底、压电小柱阵列、金属板，压电小柱阵列与基底一体连接，金属板固定在压电小柱阵列的顶端，每组包括两个压电模块，两个压电模块相对设置，分别属于两个压电模块的金属板粘接在一起，其中一个基底的背面贴附吸声层，吸声层的背面贴附金属后盖板，金属后盖板、压电模块和吸声层均设置于防水透声层内；还包括敏感元件的制备工艺。本发明采用上述结构的一种水声换能器的压电敏感元件及其制备工艺，能够降低工作频率，提高机电耦合系数，提高换能器的灵敏度。

Description

一种水声换能器的压电敏感元件及其制备工艺

技术领域

本发明涉及水声换能技术领域，尤其是涉及一种水声换能器的压电敏感元件及其制备工艺。

背景技术

由于声波是已知的唯一能在大海中远距离传递信息和能量的载体，因此水下探测、通讯、导航、测绘等主要依赖水声换能器。当前针对水声换能器的研究主要集中在换能器的灵敏度、带宽、工作频率、指向性，耐压等几个方面。提高换能器的灵敏度，就是提高换能器的机电转换效率，机电转换效率反映了换能器发射电压响应和接收灵敏度性能的好坏。提高换能器的发射电压响应可以提高换能器的辐射声波的能力，即换能器只需要较小的电压就可以获得较大的振幅；提高换能器的接收灵敏度可以提高换能器接收声波的能力，特别是对微弱声波信号的探测能力。又因为机电转换效率和机电耦合系数存在着正比的关系，机电耦合系数越大，则换能器的机电转换效率就越高。因此，提高换能器的机电转换效率即就是提高换能器的机电耦合系数。

如何提高换能器的机电耦合系数正是当前换能器研究的热点问题，由于压电材料的纵向长度伸缩振动模态的机电耦合系数k₃₃通常都大于其厚度振动模态的机电耦合系数k_t。因此，如果可以将压电材料的厚度振动模态转化为纵向长度伸缩振动模态，压电材料的机电耦合系数就能得到提高。例如，目前研究最多的1-3型压电复合材料，其就是将整块压电材料的厚度振动转化为多个压电小柱的纵向长度伸缩振动，改变压电材料的振动模态，从而提高了换能器的性能。与纯压电材料的厚度振动机电耦合系数相比，1-3型压电复合材料等效的厚度振动机电耦合系数提升了约20％。同样，压电复合材料在其他方面也具有良好的性能。例如，其声阻抗低，可以和水介质较好的匹配；并且制备的换能器重量轻，具有较宽的频带；但由于聚合物材料的引入，也产生如下缺点：

(1)使压电小柱的长度伸缩振动在小柱和聚合物的交界面处产生截切波，引起横向振动，导致长度伸缩振动模态纯度下降，降低了机电耦合系数。

(2)增加了机械损耗，且复合材料在工作发热时，容易发生变形，导致换能器性能发生变化。

(3)复合材料在拓展带宽的同时，又降低了换能器的灵敏度。

发明内容

本发明的目的是提供一种水声换能器的压电敏感元件及其制备工艺，能够降低工作频率，提高机电耦合系数，提高换能器的灵敏度。

为实现上述目的，本发明提供了一种水声换能器的压电敏感元件，包括依次设置的金属后盖板、吸声层和若干组压电模块，每组包括两个所述压电模块，所述压电模块包括基底、压电小柱阵列、金属板，所述压电小柱阵列与所述基底一体连接，所述金属板固定在所述压电小柱阵列的顶端，两个所述压电模块相对设置，分别属于两个所述压电模块的所述金属板粘接在一起，其中一个所述基底的背面贴附所述吸声层，所述吸声层的背面贴附所述金属后盖板，所述金属后盖板、所述压电模块和所述吸声层均设置于防水透声层内。

优选的，所述基底的表面引出负电极引线，所述金属板的表面引出正电极引线，所述负电极引线和所述正电极引线穿过所述金属后盖板并伸入导线。

优选的，所述压电模块采用PZT系列的压电陶瓷或PMN系列的压电单晶，所述压电小柱阵列中的压电小柱之间的缝隙内填充空气。

优选的，所述金属板为铜板、铝板或者铁板，所述吸声层为塑料泡沫，所述金属后盖板为不锈钢材质，所述防水透声层为聚氨酯灌封胶固化而成。

优选的，所述压电模块的俯视图为正方形、长方形或圆形。

一种水声换能器的压电敏感元件的制备工艺，步骤如下：

S1、在压电材料片的两面均镀上电极，在Z方向将压电材料片极化，沿着X和Y方向切割压电材料片，形成压电小柱阵列和与压电小柱阵列一体连接的基底；

S2、在压电小柱阵列的表面粘接金属板，形成压电模块；

S3、将两个压电模块的金属板相对设置，并通过柔性材料粘接在一起；

S4、在其中一个压电模块的基底背面贴附吸声层；

S5、在吸声层的背面贴附金属后盖板；

S6、从基底的表面引出负电极引线，从金属板的表面引出正电极引线，正电极引线和负电极引线穿过金属后盖板并伸入导线内；

S7、在压电模块、吸声层和金属后盖板的外部通过聚氨酯灌封胶固化形成防水透声层。

因此，本发明采用上述结构的一种水声换能器的压电敏感元件及其制备工艺，具有以下有益效果：

(1)将相邻的压电小柱之间填充的聚合物(通常为环氧树脂或硅橡胶等)更换为空气，避免了压电材料的横向耦合，提高压电材料的厚度振动模态纯度与有效机电耦合系数。

(2)将压电材料的厚度振动转化为压电小柱阵列的长度伸缩振动，改变了材料的振动模态，将压电材料的厚度机电耦合系数k_t转变为纵向机电耦合系数k₃₃，提高了机电耦合系数。

(3)通过压电材料的基底，提高了压电材料的温度和压力稳定性，通过压电小柱阵列表面的金属板，对压电小柱阵列起到应力放大的作用，从而提高接收灵敏度。

(4)通过各压电模块面对面串联相接的方式降低工作频率，实现低频在深海工作的效果。并且采取面对面串联相接结构可以起到框架支撑的作用，避免压电小柱断裂，具备抗振动、耐机械冲击的性能。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种水声换能器的压电敏感元件实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例2的压电材料片切割方向示意图；

图3为本发明实施例1的BPM压电模块的频率导纳曲线图；

图4为本发明实施例1的BPMPB压电模块组的频率导纳曲线图；

图5为本发明实施例1的BPM压电模块的发送电压响应曲线图；

图6为本发明实施例1的BPM压电模块的接收灵敏度曲线图；

图7为本发明实施例1添加环氧树脂的BPM压电模块的发送电压响应曲线图；

图8为本发明实施例1添加环氧树脂的BPM压电模块的接收灵敏度曲线图。

附图标记

1、导线；2、金属后盖板；3、吸声层；4、压电模块；41、金属板；42、压电小柱阵列；43、基底；5、防水透声层；6、正电极引线；7、负电极引线。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

如图所示，一种水声换能器的压电敏感元件，包括依次设置的金属后盖板2、吸声层3和一组压电模块4。压电模块4包括基底43、压电小柱阵列42、金属板41，压电模块4的俯视图为正方形、长方形或圆形。

压电小柱阵列42与基底43一体连接，金属板41固定在压电小柱阵列42的顶端。使用导电胶将金属板41与压电小柱阵列42粘接在一起，金属板41采用铜板，在压电小柱阵列42上表面贴附的金属板41可以将声场中的声压传给压电小柱阵列42中的每一个压电小柱上，并且对压电小柱内部的应力起到放大的作用，从而提高换能器的灵敏度。

单个的压电模块4称为BPM压电模块，表示在压电小柱阵列42表面覆盖了金属板41(Metal)。每组包括两个压电模块4，两个压电模块4相对设置，分别属于两个压电模块4的金属板41粘接在一起，构成组合型的BPMPB结构。两个金属板41之间采用绝缘的粘接胶。BPMPB结构的压电模块组可以起到降低工作频率的作用，达到以低频在深海工作的效果。图3为单个BPM压电模块的频率导纳曲线图，其谐振频率为162kHz。图4为BPMPB压电模块组的频率导纳曲线图，其谐振频率为78kHz，可以看出实现了换能器的谐振频率大幅下降。若实际要求的谐振频率更低，则可以将多个BPMPB压电模块组进一步叠拼粘接，形成多层BPMPB结构。

位于端部的基底43的背面贴附吸声层3，吸声层3为塑料泡沫材质。吸声层3的背面贴附金属后盖板2，金属后盖板2为不锈钢材质。金属后盖板2、压电模块4和吸声层3均设置于防水透声层5内。防水透声层5为聚氨酯灌封胶固化而成，防止水渗入内部结构，保护元件电路安全。

基底43的表面引出负电极引线7，金属板41的表面引出正电极引线6，负电极引线7和正电极引线6穿过金属后盖板2并伸入导线1。两个压电模块4串联连接。

压电模块4采用PZT-5A系列的压电陶瓷材料。一般制备1-3型和1-3-2型压电复合材料的方法，常常采用切割-填充法，并且用环氧树脂填充压电小柱之间的缝隙。这种压电复合材料使整块压电材料的厚度振动模态转化为压电小柱阵列42的纵向长度伸缩振动模态，改变了振动模态，从而提高换能器的机电耦合系数。但是，聚合物的加入不仅增加了机械损耗，而且还降低了机电耦合系数。本实施例的压电小柱阵列42中，采用空气代替聚合物填充压电小柱之间的缝隙，可以充分地突显压电小柱阵列42的纵向振动行为，使压电材料整体的厚度振动行为很大程度上表现为压电小柱阵列42的纵向振动行为，同时去掉聚合物也消除了压电小柱之间的横向耦合，使得压电材料的振动模态变得纯净，减少机械损耗，提高换能器的机电耦合系数。

采用有限元仿真分析软件对BPM压电模块进行水仿，得到如图5所示的发送电压相应曲线图和如图6所示的接收灵敏度曲线图，可以看出发送电压响应为163dB，接收灵敏度为-172dB。作为对比，对在压电小柱阵列42内填充环氧树脂的BPM压电模块进行水仿，得到如图7所示的发送电压相应曲线图和如图8所示的接收灵敏度曲线图，可以看出发送电压响应为160dB，接收灵敏度为-187dB。相比之下，采用不添加环氧树脂的BPM压电模块，发送电压响应提高3dB，接收灵敏度提高15dB，性能更为优越。

实施例2

一种水声换能器的压电敏感元件的制备工艺，步骤如下：

S1、在压电材料片的两面均镀上电极，在Z方向将压电材料片极化，沿着X和Y方向切割压电材料片，形成压电小柱阵列42和与压电小柱阵列42一体连接的基底43；

S2、在压电小柱阵列42的表面粘接金属板41，形成压电模块4；

S3、将两个压电模块4的金属板41相对设置，并通过柔性材料粘接在一起；

S4、在其中一个压电模块4的基底43背面贴附吸声层3；

S5、在吸声层3的背面贴附金属后盖板2；

S6、从基底43的表面引出负电极引线7，从金属板41的表面引出正电极引线6，正电极引线6和负电极引线7穿过金属后盖板2并伸入导线1内；

S7、在压电模块4、吸声层3和金属后盖板2的外部通过聚氨酯灌封胶固化形成防水透声层5。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种水声换能器的压电敏感元件，其特征在于：包括依次设置的金属后盖板、吸声层和若干组压电模块，每组包括两个所述压电模块，所述压电模块包括基底、压电小柱阵列、金属板，所述压电小柱阵列与所述基底一体连接，所述金属板固定在所述压电小柱阵列的顶端，两个所述压电模块相对设置，分别属于两个所述压电模块的所述金属板粘接在一起，其中一个所述基底的背面贴附所述吸声层，所述吸声层的背面贴附所述金属后盖板，所述金属后盖板、所述压电模块和所述吸声层均设置于防水透声层内。

2.根据权利要求1所述的一种水声换能器的压电敏感元件，其特征在于：所述基底的表面引出负电极引线，所述金属板的表面引出正电极引线，所述负电极引线和所述正电极引线穿过所述金属后盖板并伸入导线。

3.根据权利要求1所述的一种水声换能器的压电敏感元件，其特征在于：所述压电模块采用PZT系列的压电陶瓷或PMN系列的压电单晶，所述压电小柱阵列中的压电小柱之间的缝隙内填充空气。

4.根据权利要求1所述的一种水声换能器的压电敏感元件，其特征在于：所述金属板为铜板、铝板或者铁板，所述吸声层为塑料泡沫，所述金属后盖板为不锈钢材质，所述防水透声层为聚氨酯灌封胶固化而成。

5.根据权利要求1所述的一种水声换能器的压电敏感元件，其特征在于：所述压电模块的俯视图为正方形、长方形或圆形。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述的水声换能器的压电敏感元件的制备工艺，其特征在于，步骤如下：

S1、在压电材料片的两面均镀上电极，在Z方向将压电材料片极化，沿着X和Y方向切割压电材料片，形成压电小柱阵列和与压电小柱阵列一体连接的基底；

S2、在压电小柱阵列的表面粘接金属板，形成压电模块；

S3、将两个压电模块的金属板相对设置，并通过柔性材料粘接在一起；

S4、在其中一个压电模块的基底背面贴附吸声层；

S5、在吸声层的背面贴附金属后盖板；

S6、从基底的表面引出负电极引线，从金属板的表面引出正电极引线，正电极引线和负电极引线穿过金属后盖板并伸入导线内；

S7、在压电模块、吸声层和金属后盖板的外部通过聚氨酯灌封胶固化形成防水透声层。