CN202662279U - 一种高频水声发射换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高频水声发射换能器，包括换能器振子、防水透声层、去耦橡胶、金属外壳和防水电缆，所述的换能器振子被包裹于去耦橡胶内，且换能器振子的上端灌注有防水透水层，该组合成的装置外层包裹有一层金属外壳；所述的防水电缆位于金属外壳的底部，贯穿于金属外壳底部且直至嵌入于去耦橡胶内。本实用新型具有工艺简单可靠，电声效率高的优点，其工作频带宽度可以达到1.8个倍频程以上；可以应用于小平台声纳或小目标探测声纳领域，例如：水声成像声纳、多波束声纳、侧扫声纳、避碰声纳。

Description

一种高频水声发射换能器

技术领域

本实用新型涉及一种水声换能器，尤其涉及一种高频水声发射换能器。

背景技术

在利用和开发海洋事业中，人们广泛地利用水声。水声的应用构成了声纳的工程学科，而以这种或那种形式利用水声的系统叫做声纳系统。水声换能器是声纳系统的重要组成部分。换能器一般都是指电声换能器，凡能实现电能和声能间相互转换的换能器都称为电声换能器，用来发射声波的换能器叫发射器。用来接收声波的换能器叫接收器。

宽频带发射换能器具有很多优点。在水声对抗中，运用宽频带换能器构成的宽带阵，在多个频率点进行收发，可以提高抗干扰能力，使命中率大大提高。在UUV平台上使用的声纳中，可以利用一个宽频带发射换能器代替多个单频发射换能器来实现多个频点的发射，这样就减少了换能器的数量、重量和体积，节约了UUV的电池能量，从而保证了UUV的航行里程。

制作频率大于50kHz的宽频带发射换能器是众多声纳系统对换能器的要求之一。但对于该高频段发射换能器来说，将其制作成宽频带发射换能器具有一定的难度，因为换能器的共振频率通常与换能器的机械尺寸成反比，也就是说换能器共振频率越高时，换能器的机械尺寸越小，这样很难将中低频换能器拓展带宽的方法应用于高频换能器。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种颗粒型双匹配层结构的高频水声发射换能器，该换能器可以应用于小平台声纳或小目标探测声纳领域，具有工艺简单可靠，电声效率高的优点，其工作频带宽度可以达到1.8个倍频程以上。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的，它包括换能器振子、防水透声层、去耦橡胶、金属外壳和防水电缆，所述的换能器振子被包裹于去耦橡胶内，且换能器振子的上端灌注有防水透水层，该组合成的装置外层包裹有一层金属外壳；所述的防水电缆位于金属外壳的底部，贯穿于金属外壳底部且直至嵌入于去耦橡胶内。

作为优选，所述的换能器振子由压电陶瓷小柱、聚氨酯泡沫骨架、硬铝板、环氧树脂复合物组成，该压电陶瓷小柱插入于聚氨酯泡沫骨架中，且压电陶瓷小柱与硬铝板之间用环氧树脂胶粘接，灌注环氧树脂复合物于硬铝板上；在环氧树脂复合物端面灌注2mm厚的聚氨酯胶层，构成防水透声层。

作为优选，所述的该硬铝板的侧方引出压电小柱正极导线，且与压电陶瓷小柱的正极并联，压电小柱负极导线与压电陶瓷小柱的负极并联。

作为优选，所述的压电陶瓷小柱需在高度方向极化。

作为优选，所述的换能器振子为圆片形状，其直径为110mm，厚度为40mm。

本实用新型具有工艺简单可靠，电声效率高的优点，其工作频带宽度可以达到1.8个倍频程以上；可以应用于小平台声纳或小目标探测声纳领域，例如：水声成像声纳、多波束声纳、侧扫声纳、避碰声纳。

附图说明

图1是本实用新型的高频水声发射换能器振子结构示意图。

图2是本实用新型的高频水声发射换能器结构示意图。

图3是本实用新型的高频水声发射换能器的发送电压响应曲线图。

附图中的标号分别为：1、压电陶瓷小柱；2、聚氨酯泡沫骨架；3、硬铝板；4、环氧树脂复合物；5、压电小柱负极导线；6、压电小柱正极导线；7、换能器振子；8、防水透声层；9、金属外壳；10、去耦橡胶；11、防水电缆。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做详细的介绍：如附图1、2所示，本实用新型包括换能器振子7、防水透声层8、去耦橡胶10、金属外壳9和防水电缆11，所述的换能器振子7被包裹于去耦橡胶10内，且换能器振子7的上端灌注有防水透水层8，该组合成的装置外层包裹有一层金属外壳9；所述的防水电缆位于金属外壳9的底部，贯穿于金属外壳9底部且直至嵌入于去耦橡胶10内。去耦橡胶10为软木橡胶，它是一种去耦材料，与相邻两边介质（例如：压电陶瓷、金属、聚合物等）的特性阻抗失配，它的衰减系数较大，起到了隔声作用，插入损失很大，声波不会通过，这样保证了声波只能从上表面辐射到水介质中。

所述的换能器振子7由压电陶瓷小柱1、聚氨酯泡沫骨架2、硬铝板3、环氧树脂复合物4组成，该压电陶瓷小柱1插入于聚氨酯泡沫骨架2中，且压电陶瓷小柱1与硬铝板3之间用环氧树脂胶粘接，灌注环氧树脂复合物4于硬铝板3上；将环氧树脂复合物4端面作为声能辐射面（如图2所示），在环氧树脂复合物4端面灌注2mm厚的聚氨酯胶层，构成防水透声层8。该防水透声层8可以采用聚氨酯橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶；防水透声层8的主要作用是防水、透声，避免换能器内部由于进水、短路而导致换能器件的损坏。同时防水透声层8的特性阻抗需与水匹配，声衰减系数低，并且保证换能器与水介质之间具有良好的声能传递。

所述的该硬铝板3的侧方引出压电小柱正极导线6，且与压电陶瓷小柱1的正极并联，压电小柱负极导线5与压电陶瓷小柱1的负极并联。所述的压电陶瓷小柱需在高度方向极化。所述的换能器振子7为圆片形状，其直径为110mm，厚度为40mm。

图3为该实施例实测的发送电压响应曲线。从图中可以看出-6dB频带宽度从43kHz—155kHz，超过1.8个倍频程，通带内发射电压响应不低于159dB（0dB ref：1μPa/V）。

本实用新型所述的高频水声换能器振子的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备方柱状或圆柱状的压电陶瓷小柱1。

（2）制备聚氨酯泡沫骨架2。

（3）将高度方向极化好的压电陶瓷小柱1插入聚氨酯泡沫骨架2中。

（4）粘接或灌注硬铝板3。

（5）粘接或灌注环氧树脂复合物4。

其中，步骤（1）中，压电陶瓷小柱1若为方柱的形式，采用切割陶瓷片的方式；压电陶瓷小柱1若为圆柱的形式，采用挤压成型的方式。压电陶瓷小柱1除了使用压电陶瓷外，还可以使用各种具有压电效应的换能材料，例如：压电单晶体、弛豫铁电单晶（PMNT和PZNT）。

步骤（2）中，聚氨酯泡沫骨架2采用橡胶时，采用注模的方式，这种方法适用于批量生产；聚氨酯泡沫骨架2采用聚氨酯泡沫时，采用打孔的方式，孔的大小与步骤（1）中所述的陶瓷颗粒尺寸相同。

步骤（4）中，若采用粘接的方式，需在压电陶瓷小柱1一侧垫橡胶层，从而保证每个压电陶瓷小柱1与硬铝板3粘接牢固。

本实用新型的工作原理是压电陶瓷小柱1加双匹配层的原理，压电陶瓷小柱1的机电耦合系数比较大，这使得颗粒型换能器的带宽较宽；再在压电陶瓷小柱1的上方加双匹配层则可以进一步拓展换能器的带宽。颗粒型双匹配层结构提供了一种高频换能器实现宽频段发射的方法。该双匹配层结构为硬铝板3与环氧树脂复合物4相结合的结构。

这种颗粒型双匹配层水声换能器的发送电压响应曲线如图3所示。该换能器的发送电压响应曲线一般包含三个谐振峰，第一个谐振峰为图1所示振子的一阶厚度振动；第二个谐振峰为图1所示振子的二阶厚度振动；第三个谐振峰为图1所示振子的的三阶厚度振动。

本实用新型不局限于上述实施方式，不论在其形状或材料构成上作任何变化，凡是采用本实用新型所提供的结构设计，都是本实用新型的一种变形，均应认为在本实用新型保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高频水声发射换能器，包括换能器振子（7）、防水透声层（8）、去耦橡胶（10）、金属外壳（9）和防水电缆（11），其特征在于：所述的换能器振子（7）被包裹于去耦橡胶（10）内，且换能器振子（7）的上端灌注有防水透水层（8），该组合成的装置外层包裹有一层金属外壳（9）；所述的防水电缆（11）位于金属外壳（9）的底部，贯穿于金属外壳（9）底部且直至嵌入于去耦橡胶（10）内。

2.根据权利要求1所述的高频水声发射换能器，其特征在于：所述的换能器振子（7）由压电陶瓷小柱（1）、聚氨酯泡沫骨架（2）、硬铝板（3）、环氧树脂复合物（4）组成，该压电陶瓷小柱（1）插入于聚氨酯泡沫骨架（2）中，且压电陶瓷小柱（1）与硬铝板（3）之间用环氧树脂胶粘接，灌注环氧树脂复合物（4）于硬铝板（3）上；在环氧树脂复合物（4）端面灌注2mm厚的聚氨酯胶层，构成防水透声层（8）。

3.根据权利要求2所述的高频水声发射换能器，其特征在于：所述的该硬铝板（3）的侧方引出压电小柱正极导线（6），且与压电陶瓷小柱（1）的正极并联，压电小柱负极导线（5）与压电陶瓷小柱（1）的负极并联。

4.根据权利要求2或3所述的高频水声发射换能器，其特征在于：所述的压电陶瓷小柱（1）在高度方向极化。

5.根据权利要求1或2所述的高频水声发射换能器，其特征在于：所述的换能器振子（7）为圆片形状，其直径为110mm，厚度为40mm。

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