CN203787081U - 一种水声换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水声换能器，包括压电复合材料片、背衬、电极引线、外壳、保护层、边条和金属板。压电复合材料片由压电晶体骨架和填充其间的聚合物构成，压电复合材料片固定于背衬上，金属板覆盖于压电复合材料片上，金属板的上面设置保护层，换能器电信号的输入或输出引线从压电复合材料片的上电极和金属板可直接焊接引出。在压电复合材料器件上覆盖金属板，解决电信号引出线直接焊接问题，简化了换能器的制作工艺。而且，通过覆盖的金属板将外界作用于水声换能器的声压信号传递到压电复合材料片，使压电晶体骨架的压电柱所承受的端面压力增加，提高了水声换能器的灵敏度。

Description

一种水声换能器

技术领域

本实用新型涉及水声换能器，具体涉及到一种利用压电复合材料器件作为换能部件的水声换能器。

背景技术

水声设备是重要的海洋观测设备，利用声波携带信息对水下目标进行探测和识别。换能器是水声设备的关键部件，水声设备依靠它实现电、声能量互换。依据工作状态不同，换能器分成两大类：将电磁能量转换成声能的发射换能器和将声能转换为电磁能量的接收换能器（或称为水听器）。发射换能器把电磁振荡能转换成机械振动能，从而推动水介质进行振动，把电信号转换成在海洋中传播的声信号，辐射声能；接收换能器把机械振动能转换成电磁振荡能量，把声波信号转换成电信号，经过放大和处理后，送到显示器中进行观察和识别。目前换能器中运用较为广泛的是压电换能器，利用压电效应和逆压电效应，进行机械能和电能之间能量转换。某些晶体因受外力作用而发生形变时，在它的某些表面上会出现电荷，出现压电效应，具有压电效应的晶体称为压电晶体。压电效应是可逆的，即晶体在外电场的作用下要发生形变，即反向压电效应或逆压电效应。

压电换能器中使用最多的是压电晶体器件，由压电复合材料组成。压电复合材料是由压电晶体和聚合物复合而成，使压电复合材料器件既具有压电晶体器件的强压电性，又具有一定的柔性，阻抗低，以及易于水介质匹配等特点，适宜应用于水声换能器中。

图1现示现有技术的一种应用压电晶体器件的水声换能器，包括：压电晶体骨架1、聚合物2、背衬3、电极引线4、导电圈5、下电极6、外壳7、保护层8和上电极9。压电晶体骨架1中填充聚合物，形成压电复合材料片。在压电复合材料片和外壳7之间，以及压电复合材料片表面浇注透声水密材料形成保护层8。为了便于焊接输入/输出电信号引线，在压电复合材料片和背衬3之间设有导电圈5，压电复合材料片固定在导电圈5上，在复合材料片的上电极9和导电圈5上分别引出两根电信号输入/输出引线4。

图2现示图1中压电复合材料片的结构。压电复合材料片包括压电晶体骨架1、聚合物2、上电极9、下电极6。压电晶体骨架1由并联排列的压电晶体柱和压电晶体基板组成，压电晶体柱固定在压电晶体基板上，压电晶体柱和底面的压电晶体板连接成一体，压电晶体柱的长度方向和压电晶体的极化方向相同。并联排列的压电晶体柱与压电晶体基板形成串联结构，压电复合材料片结构中在横向和纵向都有压电晶体骨架1支撑，使压电复合材料片具有较为稳定的结构特性。这种换能器的特点是在受热和外力冲击下不易变形，具有较为宽广的适用性。

但是，上述现有技术的换能器中压电复合材料器件作为换能器的压电部件，其电极制备和电信号引出线焊接存在某些问题：压电复合材料片的上电极是压电晶体制作过程中烧结形成的金属电极，可以直接焊接引出线；而压电复合材料片的下电极沿用涂覆银浆、溅射或沉积金属导电层的方法制备，涂覆银浆制备的电极无法直接焊接引线，通过溅射或沉积金属导电层方法制备的电极虽可以焊接，但是制作成本昂贵，影响其广泛使用。

发明内容

针对现有技术的应用压电晶体器件的水声换能器中压电复合材料器件存在电极制备和焊接引线不易的问题，本实用新型推出一种新型结构结构的水声换能器，在压电复合材料器件上覆盖金属板，解决电信号引出线直接焊接问题；而且，通过覆盖的金属板将外界作用于水声换能器的声压信号传递到压电复合材料片，使压电晶体骨架的压电柱所承受的端面压力增加，提高了水声换能器的灵敏度。

本实用新型所涉及的水声换能器，包括压电复合材料片、背衬、电极引线、外壳、保护层、边条和金属板。压电复合材料片由压电晶体骨架和填充其间的聚合物构成，压电复合材料片固定于背衬上，金属板覆盖于压电复合材料片上，金属板的上面设置保护层，换能器电信号的输入或输出引线从压电复合材料片的上电极和金属板可直接焊接引出。

压电复合材料片中压电晶体骨架由沿互相成一定角度的2个方向切割而成的并联排列压电晶体柱和未切透而形成的压电晶体基板组成。压电晶体是上下表面都烧结有金属电极、并且经过电极化的压电陶瓷或压电单晶。压电晶体柱固定在压电晶体基板上，压电晶体柱和底面的压电晶体板连接成一体，压电晶体柱的长度方向和压电晶体的极化方向相同。并联排列的压电晶体柱与压电晶体基板形成串联结构，压电复合材料在横向和纵向都有压电晶体骨架支撑，具有较为稳定的结构特性。

覆盖于压电复合材料片上的金属板是具有良好的导电性能且具有一定硬度的金属板，是铜片、铂片和钛片等

背衬置于压电复合材料片和外壳之间，是闭孔耐压发泡塑料。

边条置于压电复合材料片的四周，用来固定压电复合材料片在外壳中的位置，是环氧树脂板或聚氯乙烯板等具有绝缘性能的塑料板。边条内有导线槽。

保护层介于压电复合材料片和换能器外部的水媒介之间，是具有水密功能和透声性能的聚合物，由聚氨酯或氯丁橡胶制成。

压电复合材料片上覆盖有金属板，提高了水声换能器的灵敏度。

设压电复合材料片中有n个并行排列的压电晶体柱，S₁为压电晶体柱端面的面积，金属板的面积为S₂。

当水声换能器中压电复合材料片上表面处于某个声压p₁环境中时，

若没有覆盖金属板，则压电复合材料片中压电晶体柱端面承受的声压为p₁。复合材料片上表面所受到的作用力F₁为：

F₁=p₁·n·S₁

当覆盖有金属板的压电复合材料片上表面同样处于声压p₁时，金属板上表面受到的作用力F₂为：

F₂=p₁·S₂

声压p₁作用到金属板上，产生作用力F₂。F₂经金属板后，作用到n个压电晶体柱上，则，实际作用到覆盖有金属板的压电复合材料片中压电晶体柱端面上的声压p₂为：

p₂=F₂/(n·S₁)

p₂=F₂/(n·S₁)=(p₁·S₂)/(n·S₁)

因为S₂＞n·S₁，所以p₂＞p₁。

即，当水声换能器的上表面处于某一声压p₁环境时，压电复合材料片上覆盖有金属板时，水声换能器压电复合材料片中压电晶体柱承受的声压p₂大于压电复合材料片上没有覆盖金属板的换能器压电复合材料片中压电晶体柱承受的声压p₁。按照压电效应的原理，覆盖有金属板的水声换能器输出的电信号也较大，故压电复合材料片上覆盖金属板的水声换能器具有较高的换能器灵敏度。

本实用新型的主要优点是：

a)本实用新型换能器的压电部件为压电复合材料片，使得换能器具有压电复合材料片的优点，即在复合材料片的横向和纵向均有压电晶体骨架支撑，使得其性能相对较稳定，不易受到外界的环境温度变化和外部机械冲击的影响；

b)本实用新型针对压电复合材料片的特殊结构，在其上面覆盖金属板，水声换能器电信号的输入/输出可直接通过焊接金属电极引线实现，解决换能器中压电部件电极焊接问题，简化了换能器的制作工艺；

C)压电复合材料换能器结构中，由于在压电复合材料片中压电晶体柱的两端具有硬质的平板，使之在受到外界声压作用时，较没有覆盖金属板的现有技术复合材料换能器，承受同样的声压，输出的电信号强,使水声换能器具有较高的灵敏度。

附图说明

图1是现有技术的水声换能器的结构示意图；

图2是图1中压电复合材料片的结构示意图；

图3是本实用新型的水声换能器结构示意图；

图4是图3中压电复合材料片结构示意图。

图中标记说明:

1.压电晶体骨架    2.聚合物

3.背衬            4.电极引线

5.导电圈          6.下电极

7.外壳            8.保护层

9.上电极          10.边条

11.金属板

具体实施方式

结合附图对本实用新型的技术方案做进一步说明。图3和图4显示了本实用新型涉及的水声换能器及其压电复合材料片的基本结构。

如图所示，本实用新型发明涉及的水声换能器包括：压电复合材料片、背衬3、电极引线4、外壳7、保护层8、压电复合材料片的上电极9、边条10和金属板11。

压电复合材料片和外壳之间设置有背衬3，压电复合材料片固定于背衬3上。压电复合材料片上覆盖金属板11。金属板11的上面设置保护层8。换能器电信号的输入或输出引线4从压电复合材料片的上电极9和金属板11焊接引出。在外壳7和压电复合材料片四周设置边条10。

压电复合材料片包括压电晶体骨架1和聚合物2。压电晶体骨架1由压电基板和并行排列于其上的诸多压电晶体柱组成，它们相连为一个整体。聚合物2填充于压电晶体骨架1中，组成压电复合材料片。

金属板11承接透过保护层、具有一定声强的外界声波振动信号，并传递到其中压电复合材料片中的压电晶体柱上，压电晶体柱感知端面的压强信号，由压电效应输出相应的电信号，压电晶体感知输出的电信号通过电极引线输出水声换能器的信号。水声换能器的灵敏度随着压电晶体柱所受压强的增大而增大。本实用新型中压电复合材料换能器中压电晶体柱受到的声压作用比没有覆盖金属板的压电复合材料换能器受到作用的声压大，按照压电效应的原理，本实用新型换能器输出的电信号也较大，即换能器的接收灵敏度增加了。

用环氧树脂作为非压电相材料，压电陶瓷或压电单晶作为复合材料的压电相材料，利用切割-填充法制备压电复合材料。背衬材料为闭孔发泡塑料，由机械加工而成。金属板选用导电性良好且有一定硬度的金属材料，经机械加工而成。边条选用PVC塑料，经机械加工而成的。水密层选用具有水密、透声性能的材料，经过浇注而成。外壳选用防海水腐蚀的金属，经机械加工而成。

Claims (5)

1.一种水声换能器，其特征在于，包括压电复合材料片、背衬（3）、电极引线（4）、外壳（7）、保护层（8）、边条（10）和金属板（11），压电复合材料片由压电晶体骨架（1）和填充其间的聚合物（2）构成，压电复合材料片固定于背衬（3）上，金属板（11）覆盖于压电复合材料片上，金属板（11）的上面设置保护层（8），电极引线（4）从压电复合材料片的上电极和金属板（11）可直接焊接引出。

2.根据权利要求1所述水声换能器，其特征在于，所述覆盖于压电复合材料片上的金属板（11）是具有良好导电性能、易于焊接且具有一定硬度的金属板。

3.根据权利要求1所述水声换能器，其特征在于，所述背衬（3）处于压电复合材料片和外壳之间，为闭孔耐压发泡塑料。

4.根据权利要求1所述水声换能器，其特征在于，所述边条（10）处于压电复合材料片的四周，固定压电复合材料片在外壳中的位置，为环氧树脂板或PVC的具有绝缘性能的塑料板，边条（10）内有导线槽。

5.根据权利要求1所述水声换能器，其特征在于，所述保护层（8）介于压电复合材料片和换能器外部的水媒介之间，是具有水密功能和透声性能的聚合物。