CN210781302U

CN210781302U - 水声换能器

Info

Publication number: CN210781302U
Application number: CN202020181357.5U
Authority: CN
Inventors: 倪鹏飞; 徐根甫; 张吴天; 徐俊; 翁晓雷; 俞根明
Original assignee: Zhejiang Jiakang Electronics Co ltd
Current assignee: Zhejiang Jiakang Electronics Co ltd
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2030-02-18

Abstract

一种水声换能器，包括壳体及位于壳体内的阻抗变换器、压电陶瓷片、声阻匹配块、背衬吸音组件、水密胶层，以及穿过壳体并与压电陶瓷片连接的信号线缆；壳体的一端具有开口，阻抗变换器设置于壳体的中部，声阻匹配块设置于壳体的开口处；压电陶瓷片设置于声阻匹配块朝向阻抗变换器的一侧；背衬吸音组件设置于压电陶瓷片与阻抗变换器之间；水密胶层包覆于阻抗变换器的外部。如此高频带宽较宽，提高了定向发送或定向接收的性能，减少干扰。

Description

水声换能器

技术领域

本实用新型涉及换能器技术领域，特别是一种水声换能器。

背景技术

水声换能器是将声能和电能进行相互转换的器件，其地位类似于无线电设备中的天线，是在水下发射和接收声波的关键器件。水下的探测、识别、通信，以及海洋环境监测和海洋资源的开发，都离不开水声换能器。现有的水声换能器的高频带宽较窄。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种高频带宽较宽的水声换能器，以解决上述问题。

一种包括壳体及位于壳体内的阻抗变换器、压电陶瓷片、声阻匹配块、背衬吸音组件、水密胶层，以及穿过壳体并与压电陶瓷片连接的信号线缆；壳体的一端具有开口，阻抗变换器设置于壳体的中部，声阻匹配块设置于壳体的开口处；压电陶瓷片设置于声阻匹配块朝向阻抗变换器的一侧；背衬吸音组件设置于压电陶瓷片与阻抗变换器之间；水密胶层包覆于阻抗变换器的外部。

进一步地，所述声阻匹配块包括第一匹配层及第二匹配层，压电陶瓷片通过粘胶固定于第一匹配层朝向阻抗变换器的一侧，第二匹配层通过粘胶与第一匹配层远离阻抗变换器的一侧连接；第一匹配层的声阻抗率为10×10⁶Pa·S/m～19×10⁶Pa·S/m，厚度为对应频率的λ/4波长的168％；第二匹配层的声阻抗率2.8×10⁶Pa·S/m～5.2×10⁶Pa·S/m，厚度为对应频率的λ/4波长的120％。

进一步地，所述背衬吸音组件从靠近阻抗变换器的一侧至靠近压电陶瓷片的一侧依次包括阻尼层、声波吸收层及声波衰减层。

进一步地，所述壳体的形状为中空的圆柱形，阻尼层、声波吸收层、声波衰减层、压电陶瓷片及第一匹配层的形状均为圆柱形，压电陶瓷片的直径小于第一匹配层的直径，第一匹配层的直径小于声波衰减层的直径，声波衰减层沿径向包覆于压电陶瓷片及第一匹配层的外部。

进一步地，所述壳体的周向外侧设置有外螺纹，外螺纹螺纹连接有固定螺帽。

进一步地，所述水密胶层至少部分地位于背衬吸音组件与阻抗变换器之间。

与现有技术相比，本实用新型的水声换能器包括壳体及位于壳体内的阻抗变换器、压电陶瓷片、声阻匹配块、背衬吸音组件、水密胶层，以及穿过壳体并与压电陶瓷片连接的信号线缆；壳体的一端具有开口，阻抗变换器设置于壳体的中部，声阻匹配块设置于壳体的开口处；压电陶瓷片设置于声阻匹配块朝向阻抗变换器的一侧；背衬吸音组件设置于压电陶瓷片与阻抗变换器20之间；水密胶层包覆于阻抗变换器的外部。如此高频带宽较宽，还提高了定向发送或定向接收的性能，减少干扰。

附图说明

以下结合附图描述本实用新型的实施例，其中：

图1为本实用新型提供的水声换能器的剖面示意图。

图2为图1中的局部放大示意图。

图3为声阻抗率与声透射系数的关系曲线图。

图4为本实用新型提供的水声换能器的半功率带宽的示意图。

具体实施方式

以下基于附图对本实用新型的具体实施例进行进一步详细说明。应当理解的是，此处对本实用新型实施例的说明并不用于限定本实用新型的保护范围。

请参考图1，本实用新型提供的水声换能器包括壳体10及位于壳体内的阻抗变换器20、压电陶瓷片30、声阻匹配块40、背衬吸音组件50、水密胶层60，以及穿过壳体10并与压电陶瓷片30连接的信号线缆70、套设于壳体10上的固定螺帽80。

声阻匹配块40远离阻抗变换器20的外部为目标介质。

壳体10的形状为中空的圆柱形，且底部设置有开口。

阻抗变换器20设置于壳体10的中部，声阻匹配块40设置于壳体10一端的开口处。

压电陶瓷片30设置于声阻匹配块40朝向阻抗变换器20的一侧。

背衬吸音组件50设置于压电陶瓷片30与阻抗变换器20之间。

水密胶层60包覆于阻抗变换器20的外部，且填充于阻抗变换器20与壳体10之间，及阻抗变换器20与背衬吸音组件50之间。具体地说，水密胶层60沿径向填充于阻抗变换器20与壳体10之间，于底部位置填充于阻抗变换器20与背衬吸音组件50之间。

壳体10的周向外侧设置有外螺纹11，至少一个固定螺帽80与外螺纹11螺纹连接，固定螺帽80用于与外部的船体或浮球等物体连接。

请参考图2，声阻匹配块40包括第一匹配层41及第二匹配层42，压电陶瓷片30通过粘胶固定于第一匹配层41朝向阻抗变换器20的一侧，第二匹配层42通过粘胶与第一匹配层41远离阻抗变换器20的一侧连接。

本实施方式中，第一匹配层41为玻璃陶瓷，声阻抗率为10×10⁶Pa·S/m～19×10⁶Pa·S/m，厚度为水声换能器的频率的λ/4波长的168％；第二匹配层42为聚偏氟乙烯(PVDF)，声阻抗率为2.8×10⁶Pa·S/m～5.2×10⁶Pa·S/m，厚度为水声换能器的频率的λ/4波长的120％。

声阻匹配块40的第一匹配层41及第二匹配层42采用了非对称厚度的多层复合阻抗匹配方法。声阻匹配块40采用了两种不同的声阻抗率材料进行配合，根据根据理想声阻率表达式

(Z₁、Z₂分别为不同匹配层的理想声阻抗率，Z₀、Z_L分别为压电陶瓷片30和目标辐射介质的声阻抗率)可以计算获得相应声阻匹配层的理想阻抗率。显然，在此结构中，我们可计算出这两层的理想阻抗率分别为14.14×106Pa·s/m和3.14×106Pa·s/m。

然而，现实中是无法获取与计算值完全一致的物质，或者说实际的声阻匹配层应该为一个区间的数值，根据此观点，在不考虑声吸收的条件下，我们使用双层板透射率的表达式

(Z_f、Z_m、Z_b分别为发射源介质、过渡介质和目标介质的声阻抗率，K_m为过渡介质的频率常数，l为板厚)，当K_m与l在一定的条件下，利用该表达式可以绘制出如图3所示的不同声阻抗率条件下的声透射率，图中Y轴R表示透射率，X轴Z表示声阻抗率。其中R1、R2表示与压电陶瓷片30相邻的第一匹配层41的透射率及与目标介质相邻的第二匹配层42的声透射率，我们可以发现，声阻抗率分别在10×10⁶Pa·S/m～19×10⁶Pa·S/m和2.8×10⁶Pa·S/m～5.2×10⁶Pa·S/m的区间内均可以获得大于0.9的声透射率。

根据上述的计算结论，我们拥有了较为宽泛的匹配层材质的选择范围，考虑到匹配层材料加工性能，可以使用铝、硬铝、铝镁合金、石英玻璃、玻璃陶瓷等声阻抗率介于10×10⁶Pa·S/m～19×10⁶Pa·S/m区间内的材料作为水声换能器中与压电陶瓷片30相邻的第一匹配层41的材料。特别是玻璃陶瓷的加工性能更优于石英玻璃，以及相较于金属而言，更低的线膨胀率更适应作为匹配层材料所使用。

而各种高分子材料，包括环氧树脂、酚醛树脂，丙烯酸树脂以及大量的热塑性材料和以上述材料作为基础的复合材料等声阻抗率介于2.8×10⁶Pa·S/m～5.2×10⁶Pa·S/m区间内的材料均可作为与目标介质相接触的第二匹配层42的材料。但是，实际选择时需要关注低表面能材料所引起的粘结强度的问题以及材料的耐候性和耐介质性。本实用新型中更推荐使用聚偏氟乙烯(PVDF)作为该匹配层的材料，其属于低表面能材料，但可以通过一些物理和化学方法改善其粘结能力。

根据声阻匹配层厚度的计算式

则可以获得相应的各声阻匹配层的厚度的理论计算值，但是我们通过实践发现，该计算值与最佳的实际应用厚度往往有着一些偏差，需要综合考虑匹配层对于水声换能器的带宽、频率以及回波信号强度等综合因素，本实用新型特别针对该结构总结后发现当第一匹配层41比理论计算值增加68％的厚度，第二匹配层42比理论计算值增加20％的厚度后，可以使得水声换能器的中心频率更接近于压电陶瓷片30的厚度振动模式的反谐振频率点，从而使得水声换能器获得较高的工作效率和灵敏度。

背衬吸音组件50能够使得水声换能器获得更佳的脉冲响应性能以及通频带宽。

水声换能器的通频带宽与背衬吸音组件50的声阻抗成正比，且与水声换能器的Q值成反比，当背衬吸音组件50的声阻抗为3×10⁶Pa·s/m，水声换能器的半功率带宽(3dB)仅为整个通带的9％，但当背衬吸音组件50的声阻抗提高至与压电陶瓷材料基本一致的33.7×10⁶Pa·s/m时，其半功率带宽可达到80％，Q值也同时下降到了背衬吸音组件50的10％。但是，高阻抗的背衬吸音组件50会引入发射效率低的问题，导致并不适合收发两用的水声换能器，因此，4～7×10⁶Pa·s/m的中等阻抗的背衬吸音组件50更适合收发两用的水声换能器。

本实施方式中，背衬吸音组件50从靠近阻抗变换器20的一侧至靠近压电陶瓷片30的一侧依次包括阻尼层51、声波吸收层52及声波衰减层53，其中声波衰减层53沿径向包覆于压电陶瓷片30及第一匹配层41的外部。

阻尼层51以热固性树脂为基础，添加微量的脂溶性化合物，特别是邻苯二甲酸类，例如邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻苯二甲酸二乙酯(DEP)等，推荐使用邻苯二甲酸二丁酯(DBP)，与热固性树脂均匀混合。

声波吸收层52以热固性树脂为基础，添加一定量的高粘滞性粉末材料作为改性添加物，特别是通过高温硫化后的橡胶材料，再通过研磨破碎形成实心粉末。推荐使用丁腈橡胶粉末作为该层的改性添加物，配制形成的混合物需要通过有效的搅拌混合使得橡胶颗粒物可以在基础材料中均匀分布，或通过高速离心沉降的方式形成声波吸收层52。

声波衰减层53以热固性树脂为基础，再添加一定量的球状氧化物、片状氧化物、碳化物等，如金属氧化物或非金属氧化物，可以使用氧化铅(Pb₃O₄)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化钨(WO₃)、碳化钨(WC)等材料，推荐使用具有较高堆积密度的球状碳化钨(WC)作为该层的改性添加物，并通过自由重力沉降的方式或高速离心沉降的方式形成致密的声波衰减层53。

背衬吸音组件50通过如下步骤制得：

步骤S1：称取50～70wt％的树脂，加热使其增加流动性；

步骤S2：称取18～42wt％的碳化钨、2～4wt％的邻苯二甲酸二丁酯、6～8wt％的丁腈橡胶，依次加入树脂中，搅拌混合；

步骤S3：将配制后的混合物放入一背衬模具内，并通过高速离心的方式形成自上而下的密度递增的复合材料背衬。

背衬吸音组件50还可通过如下步骤制得：

步骤S11：在安装有声阻匹配块40和压电陶瓷片30的外壳内，加入18～42wt％的碳化钨粉体；

步骤S12：称取16～23wt％的树脂、0.7～1.3wt％的邻苯二甲酸二丁酯，充分混合后再次加入外壳内，并将整个外壳加热至树脂具有较好的流动性，使得树脂渗透进入碳化钨粉体的间隙中；

步骤S13：待树脂及邻苯二甲酸二丁酯的混合物固化后，加入6～8wt％的丁腈橡胶至外壳内；

步骤S14：称取34～47wt％的树脂、1.3～2.7wt％的邻苯二甲酸二丁酯，充分混合后也加入外壳内，并将整个外壳加热至树脂具有较好的流动性，使得树脂与丁腈橡胶充分结合，树脂及邻苯二甲酸二丁酯的混合物固化后，即最终形成背衬吸音组件50。

请参考图4，本实用新型提供的水声换能器的半功率带宽达到1000KHz，Q值仅为3。图中Y轴dB值为使用反射法测试换能器的信号增益强度，而半功率带宽是指发射法测试所得的峰值增益(图中是-5dB左右)下降3dB后(Y＝-2dB)对应的图形峰宽为1000KHz(3.5MHz-2.5MHz＝1.0MHz)，由于Q值是通过仪表测量后的数值，在图4中没有体现。

通过上述的测试数据可见，在HF波段(HF波段定义为3MHz～30MHz，实例中选择了3MHz作为设计样本)，利用上述的设计方法，采用压电陶瓷材料也可以获得较低的Q值和较宽的半功率带宽，(Q值越低，相位越平坦，半功率带宽越大，越容易获得宽带通信的能力)，无需如他人所设计的利用其它材料(比如极化后的PVDF)作为接收换能器而获得较高的通带。特别是PVDF的压电系数D33非常微弱，所获得的信号强度低，需要高放大系数的电路进行放大处理，并容易导致引入噪声干扰，加大了电路设计的难度，而压电陶瓷材料的D33大，信号强度高，加之该结构通过内部阻抗变换，与电路特征阻抗一致，传输信号损失小。

与现有技术相比，本实用新型的水声换能器包括壳体10及位于壳体内的阻抗变换器20、压电陶瓷片30、声阻匹配块40、背衬吸音组件50、水密胶层60，以及穿过壳体10并与压电陶瓷片30连接的信号线缆70；壳体10的一端具有开口，阻抗变换器20设置于壳体10的中部，声阻匹配块40设置于壳体10的开口处；压电陶瓷片30设置于声阻匹配块40朝向阻抗变换器20的一侧；背衬吸音组件50设置于压电陶瓷片30与阻抗变换器20之间；水密胶层60包覆于阻抗变换器20的外部。如此高频带宽较宽。另外现有的水声换能器的定向性能较弱，容易受到非指定方向传来的声音信号的干扰。本实用新型的定向发送或定向接收能力强，抗干扰能力强。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，并不用于局限本实用新型的保护范围，任何在本实用新型精神内的修改、等同替换或改进等，都涵盖在本实用新型的权利要求范围内。

Claims

1.一种水声换能器，其特征在于：包括壳体及位于壳体内的阻抗变换器、压电陶瓷片、声阻匹配块、背衬吸音组件、水密胶层，以及穿过壳体并与压电陶瓷片连接的信号线缆；壳体的一端具有开口，阻抗变换器设置于壳体的中部，声阻匹配块设置于壳体的开口处；压电陶瓷片设置于声阻匹配块朝向阻抗变换器的一侧；背衬吸音组件设置于压电陶瓷片与阻抗变换器之间；水密胶层包覆于阻抗变换器的外部。

2.如权利要求1所述的水声换能器，其特征在于：所述声阻匹配块包括第一匹配层及第二匹配层，压电陶瓷片通过粘胶固定于第一匹配层朝向阻抗变换器的一侧，第二匹配层通过粘胶与第一匹配层远离阻抗变换器的一侧连接；第一匹配层的声阻抗率为10×10⁶Pa·S/m～19×10⁶Pa·S/m，厚度为对应频率的λ/4波长的168％；第二匹配层的声阻抗率2.8×10⁶Pa·S/m～5.2×10⁶Pa·S/m，厚度为对应频率的λ/4波长的120％。

3.如权利要求2所述的水声换能器，其特征在于：所述背衬吸音组件从靠近阻抗变换器的一侧至靠近压电陶瓷片的一侧依次包括阻尼层、声波吸收层及声波衰减层。

4.如权利要求3所述的水声换能器，其特征在于：所述壳体的形状为中空的圆柱形，阻尼层、声波吸收层、声波衰减层、压电陶瓷片及第一匹配层的形状均为圆柱形，压电陶瓷片的直径小于第一匹配层的直径，第一匹配层的直径小于声波衰减层的直径，声波衰减层沿径向包覆于压电陶瓷片及第一匹配层的外部。

5.如权利要求1所述的水声换能器，其特征在于：所述壳体的周向外侧设置有外螺纹，外螺纹螺纹连接有固定螺帽。

6.如权利要求1所述的水声换能器，其特征在于：所述水密胶层至少部分地位于背衬吸音组件与阻抗变换器之间。