CN117460392A - 分段式压电驱动源开缝圆环换能器及拼装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分段式压电驱动源开缝圆环换能器，包括开缝圆环和多个分段结构，所述开缝圆环设置有一纵向全开缝，多个所述分段结构在开缝圆环的内表面分段设置，相邻两个分段结构之间存在间距，多个所述分段结构关于开缝中心到开缝圆环的圆心所在的直线对称；所述分段结构包括压电陶瓷堆和绝缘层，所述绝缘层设置在开缝圆环的内表面，所述压电陶瓷堆设置在绝缘层的内表面。通过在开缝圆环的内表面设置多个分段压电陶瓷堆，在没有改变开缝圆环换能器体积的情况下，降低了开缝圆环换能器的工作谐振频率，同时还减少了开缝圆环换能器总重量。

Description

分段式压电驱动源开缝圆环换能器及拼装方法

技术领域

本发明涉及水声换能器技术领域，具体地，涉及一种分段式压电驱动源开缝圆环换能器及拼装方法。

背景技术

声波是海洋中唯一能够远距离传播的信息载体,声波在水中传播的损失会随着频率上升而增加，并且消声技术有效降低了中高频段的目标强度，但对低频段而言效果并不明显。因此，低频段在水声工程中受到相关科研人员特别关注，且水声换能器作为声波的发射与接收设备，低频发射换能器成为重点研究方向。弯曲振动换能器的基频与线度平方成反比，与厚度成正比，可以激发产生比圆环径向振动或者复合棒纵振模式更低的声辐射，因而是低频水声换能器研究中极其重要的一部分。开缝圆环换能器是一类比较新颖的弯曲振动换能器，其典型结构是一垂直开缝的金属圆环及环内驱动源制成的低频换能器，结构刚度较低，是实现低频换能器小型化的一类设计，并且改进方法很多，可应用于远程主动声呐系统、超低频水声实验、海底资源探测及海洋捕捞等水声领域中。

现有公开号CN107727746A的专利文献，公开了一种双壳体开缝圆管水声换能器，包括双层金属壳体、设置在双层金属壳体内表面的镶拼压电陶瓷圆管，所述双层金属壳体包括双层段、与双层段圆滑连接的单层段，双层段由内壳体和外壳体构成，且内壳体与外壳体之间形成月牙形空腔，单层段的厚度是渐变的，在单层段厚度最小处设置有一纵向全开缝，所述镶拼压电陶瓷圆管由n片PZT-4压电陶瓷条与铜电极片粘接而成，压电陶瓷条沿厚度极化，每相邻的两片压电陶瓷条的极化方向相反，且相邻两片压电陶瓷条之间设置有电极片。

在开缝圆环换能器结构设计中，研究人员常对开缝金属外环及环内驱动源结构进行改进，内容包括形式各异的驱动方式、新型外形结构组成等，使开缝圆环换能器具备更低频率、更小体积的特点。现有技术通过增大开缝圆环换能器的体积实现谐振频率降低，很难在换能器体积不改变的情况下，大幅降低工作谐振频率，这限制了开缝圆环换能器的应用范围和使用环境。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种分段式压电驱动源开缝圆环换能器。

根据本发明提供的一种分段式压电驱动源开缝圆环换能器,包括开缝圆环和多个分段结构，所述开缝圆环的周侧设置有一条全开缝，多个所述分段结构在开缝圆环的内表面分段设置，相邻两个分段结构之间存在间距，多个所述分段结构关于全开缝和开缝圆环的中心轴线所在的平面对称；所述分段结构包括压电陶瓷堆和绝缘层，所述绝缘层设置在开缝圆环和压电陶瓷堆之间。

优选地，所述压电陶瓷堆包括多片压电陶瓷条和多片电极片，任一所述压电陶瓷条的两侧电极均粘接有电极片。

优选地，所述压电陶瓷条沿切向极化，相邻的两片压电陶瓷条的极化方向相反。

优选地，所述压电陶瓷条与电极片镶拼排列成圆弧形。

优选地，所述绝缘层的中心线与压电陶瓷堆的中心线重合。

优选地，所述压电陶瓷堆与绝缘层过盈配合，所述绝缘层的长度大于压电陶瓷堆的长度。

优选地，所述绝缘层与开缝圆环粘接，所述压电陶瓷堆与绝缘层粘接。

优选地，所述压电陶瓷条的横截面包括梯形，所述开缝圆环的开缝大小对应的圆心角的角度与梯形的两条腰所在直线形成夹角的角度相同。

优选地，所述开缝圆环包括金属开缝圆环。

本发明还提供的一种分段式压电驱动源开缝圆环换能器的拼装方法，具体包括以下步骤：

S1：将压电陶瓷条、电极片、绝缘层以及开缝圆环进行清洗，去除水分、杂质及油污，隔绝空气干燥；

S2：对干燥处理后的绝缘层的表面进行等离子活化处理；

S3：在开缝圆环的内表面粘接绝缘层，相邻绝缘层之间存在间距，绝缘层关于开缝中心到开缝圆环的圆心所在的直线对称；

S4：将压电陶瓷条与电极片镶拼排列成压电陶瓷堆粘接在绝缘层的内表面。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过在开缝圆环的内表面设置多个分段压电陶瓷堆，在没有改变开缝圆环换能器体积的情况下，降低了开缝圆环换能器的工作谐振频率，同时还减少了开缝圆环换能器总重量；

2、本发明通过调整分段结构中压电陶瓷堆的间距以及压电陶瓷条的数量，可以根据需求达到不同的效果，具有一定的调节能力；

3、本发明通过在开缝圆环的内表面设置多个分段结构，分段结构可以由两段结构继续延展成四段结构、六段结构等多压电陶瓷堆设计，两段结构具有一定的设计发展空间，适用于各种直径的开缝圆环的改进应用，拓展范围广；

4、本发明在开缝圆环的内表面设置多个分段结构的设计，无需额外工装，降低了制作成本。

5、本发明通过将压电陶瓷堆分为多段，减小了各压电陶瓷堆和绝缘层的大小，可以更容易通过按压压电陶瓷堆，绝缘层等离子表面活性处理的方式，使压电陶瓷堆、绝缘层、开缝圆环粘接牢固，同时减小了粘接难度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为两段结构压电驱动源开缝圆环换能器的立体图；

图2为两段结构压电驱动源开缝圆环换能器的爆炸图；

图3为两段结构压电驱动源开缝圆环换能器的俯视图；

图4为四段结构压电驱动源开缝圆环换能器的立体图；

图5为四段结构压电驱动源开缝圆环换能器的爆炸图；

图6为四段结构压电驱动源开缝圆环换能器的俯视图；

图7为压电陶瓷条的横截面结构图；

图8为两段结构压电驱动源开缝圆环换能器的仿真数据结果；

图9为两段结构压电驱动源开缝圆环换能器的实测数据结果。

图中所示：

压电陶瓷条1 开缝圆环3

绝缘层2 电极片4

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图6所示，根据本发明提供的一种分段式压电驱动源开缝圆环换能器，包括开缝圆环3和多个分段结构，开缝圆环3的周侧设置有一条全开缝，多个分段结构在开缝圆环3的内表面分段设置，相邻两个分段结构之间存在间距，多个分段结构关于全开缝和开缝圆环3的中心轴线所在的平面对称；分段结构包括压电陶瓷堆和绝缘层2，绝缘层2设置在开缝圆环3和压电陶瓷堆之间。

在不改变开缝圆环换能器体积的情况下，本发明的分段结构(分段式压电驱动源结构)将环内镶拼压电陶瓷堆分为多段压电陶瓷堆，分段结构可控制各段压电陶瓷堆的间距及每段压电陶瓷堆的长度，简化了开缝圆环换能器的制作，降低了开缝圆环换能器的工作谐振频率，增加了开缝圆环换能器的应用范围。

一种优选地实施方式为：开缝圆环3包括金属开缝圆环，金属开缝圆环的材料优选为硬铝，压电陶瓷堆驱动金属开缝圆环，当压电陶瓷堆上电时，压电陶瓷堆振动，从而带动金属开缝圆环弯曲振动，进而产生低频声波。

具体地，分段结构包括压电陶瓷堆和绝缘层2，绝缘层2设置在开缝圆环3和压电陶瓷堆之间，绝缘层2设置在开缝圆环3的内表面，压电陶瓷堆设置在绝缘层2的内表面，绝缘层2与开缝圆环3粘接，压电陶瓷堆与绝缘层2粘接，绝缘层2的中心线与压电陶瓷堆的中心线重合，压电陶瓷堆与绝缘层2过盈配合，绝缘层2的长度大于压电陶瓷堆的长度，其过盈量约为2mm。

具体地，压电陶瓷堆包括多片压电陶瓷条1和多片电极片4，任一压电陶瓷条1的两侧电极粘接有电极片4，每一片压电陶瓷条1的两侧电极均有电极片4粘接，即两片压电陶瓷条1之间夹放电极片4，位于每段压电陶瓷堆两侧的压电陶瓷条1的侧边粘接电极片4。压电陶瓷条1沿切向极化，相邻的两片压电陶瓷条1的极化方向相反，相邻的压电陶瓷条1同极贴紧粘接。压电陶瓷条1与电极片4镶拼排列成圆弧形，形成一定角度的压电陶瓷堆。

更为具体地，压电陶瓷条1的横截面包括梯形，开缝圆环3的开缝大小对应圆心角的角度与梯形的两条腰所在直线形成的夹角的角度相同。如图7所示，d为梯形的上底长，t为梯形的高，θ为梯形的两条腰所在直线形成的夹角，此夹角的角度与开缝圆环3的开缝大小对应圆心角的角度相同，开缝圆环3的开缝大小优选为圆心角10°对应的外环长度，但圆心角不仅限于10°。

本发明提供的分段式压电驱动源开缝圆环换能器结构，分段结构包括两段陶瓷堆结构(简称两段结构)、四段陶瓷堆结构(简称四段结构)、六段陶瓷堆结构(简称六段结构)等多段结构。

以两段结构为例进行详细说明：

本发明提供的一种分段式压电驱动源开缝圆环换能器，包括开缝圆环3和两个分段结构，开缝圆环3设置有一纵向全开缝，两个分段结构在开缝圆环3的内表面分段设置，两个分段结构在开缝圆环3直径的两边对称粘接，中间保留一定长度的间距。分段结构包括压电陶瓷堆和绝缘层2，绝缘层2设置在开缝圆环3和压电陶瓷堆之间，绝缘层2设置在开缝圆环3的内表面，压电陶瓷堆设置在绝缘层2的内表面，压电陶瓷堆与绝缘层2的配合为过盈配合，绝缘层2长度过盈量约为2mm。绝缘层2分为两段，两段绝缘层2材质相同且长度相同，两段分开的压电陶瓷堆组成方式以及有效长度完全一致，各段绝缘层2的中心与相应的压电陶瓷堆中心对齐粘接，保证开缝圆环换能器整体结构对称，避免振动变形扭曲。

每段压电陶瓷堆均包括多片压电陶瓷条1和多片电极片4，任一压电陶瓷条1的两侧电极粘接有电极片4，每一片压电陶瓷条1的两侧电极均有电极片4粘接，即两片压电陶瓷条1之间夹放电极片4，位于每段压电陶瓷堆两侧的压电陶瓷条1的侧边粘接电极片4。压电陶瓷条1沿切向极化，相邻的两片压电陶瓷条1的极化方向相反，相邻的压电陶瓷条1同极贴紧粘接，压电陶瓷堆两侧的电极极化正负方向关于开缝圆环3的开缝中心到圆心这一直径对称。压电陶瓷条1与电极片4镶拼排列成圆弧形，形成一定角度的压电陶瓷堆。

压电陶瓷条1的横截面包括梯形，开缝圆环3的开缝大小对应圆心角的角度与梯形的两条腰所在直线形成的夹角的角度相同，开缝圆环3的开缝大小优选为圆心角10°对应的外环长度，但圆心角不仅限于10°。

参照图1至图3，本发明实测的一种两段结构开缝圆环换能器，其结构包括：压电陶瓷堆、绝缘层2、开缝圆环3以及电极片4。压电陶瓷堆驱动开缝圆环3，当压电陶瓷堆上电工作时振动，带动金属开缝圆环3弯曲振动，从而产生低频声波。

开缝圆环3材料选为硬铝，尺寸为其中/>表示为开缝圆环的直径，h表示为开缝圆环的高度，绝缘层2选为尼龙塑料，厚度1mm，压电陶瓷条1尺寸为t7.5×d12.9×L75，其中t表示为压电陶瓷条横截面的高，d表示为压电陶瓷条横截面的上底长，L表示压电陶瓷条的长度。

本发明能够在不增加开缝圆环换能器体积情况下，减小换能器质量，同时降低工作谐振频率度，仿真建模计算结果为：分段式结构之中的两段结构开缝圆环换能器相比较设计改进前的开缝圆环换能器，水下谐振频率由247Hz降低至148Hz。

本实例实测得到分段式结构之中的两段结构开缝圆环换能器相比较设计改进前的开缝圆环换能器存在以下改进之处：

(1)空气中压电振子振动谐振频率由337Hz降低至196Hz，下降141Hz，即71.9％。

(2)换能器水下谐振频率由194Hz降低至120Hz，即61.7％。仿真数据结果如图8所示，实测数据结果如图9所示。

结果表明：分段式结构一定程度上使开缝圆环换能器振动谐振频率降低。

上述以两段结构为例进行说明，两段结构能够拓展分为四段、六段等多段结构，且两段结构的成果内容同样适用于多段结构，多段结构的开缝圆环换能器的整体组成沿开缝中心到圆心这一直径严格对称，开缝圆环换能器整体结构对称，避免了振动变形扭曲。

根据本发明提供的一种分段式压电驱动源开缝圆环换能器的拼装方法，具体包括以下步骤：

S1：将压电陶瓷条1、电极片4、绝缘层2以及开缝圆环3进行清洗，去除水分、杂质及油污，隔绝空气干燥，避免杂质对绝缘及振动模态造成影响。

S2：对干燥处理后的绝缘层2的表面进行等离子活化处理，提高绝缘层2与压电陶瓷堆、开缝圆环3的粘接能力。

S3：在开缝圆环3的内表面粘接绝缘层2，绝缘层2在开缝圆环3内侧不同位置粘接，相邻绝缘层2之间保留一定长度的间距，绝缘层2关于开缝中心到开缝圆环3的圆心所在的直线对称。

S4：将压电陶瓷条1与电极片4镶拼排列粘接在绝缘层2的内表面，压电陶瓷条1与电极片4镶拼排列成一定角度的压电陶瓷堆，相邻的压电陶瓷条1同极贴紧粘接，相邻的压电陶瓷条1之间夹放电极片4，两侧的压电陶瓷条1的侧边均粘接电极片4，施加电压使压电陶瓷堆产生振动，带动金属外壳向外辐射声波。每一段绝缘层2与相应的压电陶瓷堆中心对齐粘接，保证绝缘层2的有效作用，避免电极短路。压电陶瓷堆与绝缘层2的配合为过盈配合，绝缘层2长度过盈量约为2mm，实际应用时可以根据需要做出各种变形或修改。

在开缝圆环3的内表面设置了多个分段结构，多个分段结构关于开缝中心到开缝圆环3的圆心所在的直线对称，分段压电陶瓷堆在对称直径两边各自振动，带动金属开缝环辐射声波，并避免振动变形扭曲。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种分段式压电驱动源开缝圆环换能器，其特征在于，包括开缝圆环(3)和多个分段结构，所述开缝圆环(3)的周侧设置有一条全开缝，多个所述分段结构在开缝圆环(3)的内表面分段设置，相邻两个分段结构之间存在间距，多个所述分段结构关于全开缝和开缝圆环(3)的中心轴线所在的平面对称；

所述分段结构包括压电陶瓷堆和绝缘层(2)，所述绝缘层(2)设置在开缝圆环(3)和压电陶瓷堆之间。

2.如权利要求1所述的分段式压电驱动源开缝圆环换能器，其特征在于，所述压电陶瓷堆包括多片压电陶瓷条(1)和多片电极片(4)，任一所述压电陶瓷条(1)的两侧电极均粘接有电极片(4)。

3.如权利要求2所述的分段式压电驱动源开缝圆环换能器，其特征在于，所述压电陶瓷条(1)沿切向极化，相邻的两片压电陶瓷条(1)的极化方向相反。

4.如权利要求2所述的分段式压电驱动源开缝圆环换能器，其特征在于，所述压电陶瓷条(1)与电极片(4)镶拼排列成圆弧形。

5.如权利要求1所述的分段式压电驱动源开缝圆环换能器，其特征在于，所述绝缘层(2)的中心线与压电陶瓷堆的中心线重合。

6.如权利要求1所述的分段式压电驱动源开缝圆环换能器，其特征在于，所述压电陶瓷堆与绝缘层(2)过盈配合，所述绝缘层(2)的长度大于压电陶瓷堆的长度。

7.如权利要求1所述的分段式压电驱动源开缝圆环换能器，其特征在于，所述绝缘层(2)与开缝圆环(3)粘接，所述压电陶瓷堆与绝缘层(2)粘接。

8.如权利要求2所述的分段式压电驱动源开缝圆环换能器，其特征在于，所述压电陶瓷条(1)的横截面包括梯形，所述开缝圆环(3)的开缝大小对应圆心角的角度与梯形的两条腰所在直线形成夹角的角度相同。

9.如权利要求1所述的分段式压电驱动源开缝圆环换能器，其特征在于，所述开缝圆环(3)包括金属开缝圆环。

10.一种分段式压电驱动源开缝圆环换能器的拼装方法，其特征在于，用于拼装权利要求1-9任一项所述的分段式压电驱动源开缝圆环换能器，具体包括以下步骤：

S1：将压电陶瓷条(1)、电极片(4)、绝缘层(2)以及开缝圆环(3)进行清洗，去除水分、杂质及油污，隔绝空气干燥；

S2：对干燥处理后的绝缘层(2)的表面进行等离子活化处理；

S3：在开缝圆环(3)的内表面粘接绝缘层(2)，相邻绝缘层(2)之间存在间距，绝缘层(2)关于开缝中心到开缝圆环(3)的圆心所在的直线对称；

S4：将压电陶瓷条(1)与电极片(4)镶拼排列成压电陶瓷堆粘接在绝缘层(2)的内表面。