疊堆不同內徑壓電圓管的圓柱形換能器的製作方法

2023-06-14 16:41:36

專利名稱：疊堆不同內徑壓電圓管的圓柱形換能器的製作方法
技術領域：
本發明屬於水聲探測技術領域，具體涉及一種採用內徑不同的壓電陶瓷圓管疊堆發射和接收水聲信號而實現水中探測的換能器，可廣泛應用於水下通信、探測、目標定位、跟蹤等，是聲納使用的重要部件。
背景技術：
水聲換能器是將聲能和電能進行相互轉換的器件，其地位類似於無線電設備中的天線，是在水下發射和接收聲波的關鍵器件。水下的探測、識別、通信，以及海洋環境監測和海洋資源的開發，都離不開水聲換能器。換能器可分為發射型、接收型和收發兩用型。將電信號轉換成水聲信號，並向水中輻射聲波的換能器，稱為發射換能器，發射換能器要求有比較大的輸出聲功率和比較高的電聲轉換效率。用來接收水中聲波信號，將其轉換成電信號的換能器為接收換能器，也常稱為水聽器，對接收換能器則要求寬頻帶和高靈敏度。既可以將聲信號轉換成電信號，又可以將電信號轉換成聲信號。用於接收或發射聲信號的換能器 稱為收發換能器。各種水聲換能器中，圓柱型壓電換能器由於沿半徑方向有均勻的指向性，靈敏度較高，且結構簡單，因而廣泛用於水聲技術、超聲技術、海洋開發和地質勘探中。現有的圓柱型壓電換能器主要有以下幾種I、圓柱型壓電陶瓷水聲換能器圓柱型壓電陶瓷水聲換能器的換能元件為壓電陶瓷圓管，其極化方向常沿著半徑方向。當換能器工作於發射狀態時，壓電陶瓷圓管在電場的作用下，藉助反向壓電效應，發生伸張或收縮，從而向媒質發射聲波。當換能器工作於接收狀態時，壓電陶瓷圓管在聲信號的作用下發生伸張或收縮，藉助正向壓電效應，轉換為電信號輸出。壓電陶瓷圓管水聽器(欒桂冬，張金鐸，王仁乾，壓電換能器和換能器陣，修訂版，北京大學出版社，2005)就是其中一種，其壓電振子由幾個壓電陶瓷圓管串接構成，各圓管之間用橡膠襯墊隔離，管內填充反射材料或吸聲材料，外部硫化一層透聲橡膠或澆注一層透聲聚氨酯。若需要增加水聽器的靈敏度，可在金屬套管內裝配前置放大器。該水聽器靈敏度高，工作頻率通常在IOOkHz以下。2、多層圓柱型換能器多層圓柱型換能器(曹承偉，多層有限高度圓柱型水聲換能器的研究，聲學學報，1988,vol. 13 (6),424-431.)是一種基於壓電陶瓷圓管的多層結構，主要由壓電陶瓷管、油層、金屬圓柱殼、端蓋板、低聲阻材料、橡膠等構成。換能器置於無限大水域中，其中低聲阻材料聲壓為零，壓電陶瓷圓管採用徑向極化。這種換能器的共振頻率低，可達十幾kHz，帶寬大，但靈敏度有限。3、複合管狀壓電超聲換能器複合管狀壓電超聲換能器(劉世清，姚譁，複合管功率超聲壓電換能器的徑向振動特性，機械工程學報，2008，vol. 44 (10) :239-244)是在壓電陶瓷管外部加金屬預應力管。文獻「劉世清，姚譁，複合管功率超聲壓電換能器的徑向振動特性，機械工程學報，2008，vol. 44(10) :239-244」中記載的徑向複合短圓管壓電超聲換能器內部為徑向極化壓電陶瓷薄壁短圓管，外部為金屬短圓管，兩者通過熱處理方式徑向緊密結合在一起，金屬圓管對壓電陶瓷管施加相當大徑向預應力，使之可工作於大功率徑向振動狀態。壓電陶瓷圓管的管壁厚度遠小於其直徑，換能器長度小於管的直徑，即換能器徑長比較大，或稱短圓管換能器。若對換能器施加的徑向激勵電壓頻率可使換能器的徑向振動達到機械諧振狀態，此時，換能器的厚度及長度方向振動將很弱，可以忽略，而只考慮其半徑方向的伸縮振動。對加預應力管的複合管壓電換能器，存在最大有效預應力，它取決於金屬管內外半徑比及其材料性質。從金屬鋁材料下的換能器的共振頻率曲線看，換能器的共振頻率在二十幾kHz左右，如果金屬鋁圓管改為銅材料，換能器共振頻率能略有提高。上述幾種換能器均應用圓管的徑向振動模式工作(振動頻率與半徑成反比)，由於圓管的半徑通常較其壁厚大幾倍，故這些換能器的共振頻率都較低(IOOkHz以下)。4、高頻寬帶發射換能器
一種高頻寬帶發射換能器(王清池，高頻寬帶發射換能器，海洋科學，2000，Vol. 24
(8):27-29)是採用單個壓電陶瓷圓管的薄壁厚度振動模式獲得高頻振動(振動頻率與壁厚成反比)，通過合理設計圓管的半徑和厚度，使圓管的管壁厚度振動與徑向振動的諧波產生耦合，擴展陶瓷圓管振子的帶寬，實現高頻寬帶的目的。綜上，目前圓柱型換能器主要採用陶瓷圓管的徑向振動模式工作，雖然這類換能器的靈敏度較高，而且其波束具有水平全向的指向性，但由於小尺寸的壓電圓管(直徑小於IOmm)難於加工，因此徑向振動圓管換能器的工作頻率難於做到高頻。而圓管壁厚振動的換能器的工作頻率雖然可實現高頻，但其帶寬較窄。上述第4種換能器採用管壁厚度振動與徑向振動的諧波產生耦合，但帶寬擴展有限。

發明內容
本發明的目的在於針對上述問題，提供一種具有不同內徑的壓電圓管的圓柱型換能器，以實現高頻、寬帶、水平全向地收發聲波。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案一種圓柱型換能器，其特徵在於，包括疊堆的具有相同外徑、不同內徑的壓電圓管。所述壓電圓管的材質為壓電陶瓷或壓電單晶。所述壓電圓管內外壁被覆電極層，所述電極的材料為金、銀、導電膠等。所述疊堆的具有不同內徑的壓電圓管為一體鑄模成型或者由多個不同內徑的壓電圓管粘接而成。所述壓電圓管的不同內徑可以呈對稱分布，比如中間圓管內徑大，往兩邊圓管內徑依次減小；或者中間圓管內徑小，往兩邊圓管內徑依次增大。也可以不呈對稱分布。所述圓柱型換能器，還可包括吸聲層、端蓋、膠封層和輸出電纜；其中，吸聲層位於壓電振子兩端，用於吸收軸向聲輻射，並可以兼有定位壓電振子的功能(可通過定位槽等結構實現)；端蓋覆蓋吸聲層；膠封層包覆壓電振子和端蓋；輸出電纜一端連接壓電圓管的引線，另一端伸出膠封層外。
所述圓柱型換能器還可包括支架，位於壓電圓管內並支撐兩端的吸聲層；吸聲層可設置定位槽，用於定位該支架；支架、吸聲層和端蓋可通過螺絲固定連接。所述吸聲層的材質為硬脂泡沫等吸聲材料。所述膠封層為防水透聲材料，如聚氨酯等。本發明的圓柱型換能器，由於各圓管的半徑不等，各管的諧振頻率不同，使得換能器振動系統存在多種模態(多個諧振頻率)。通過合理設計各圓管的半徑，使壓電振子各圓管的諧振頻率相互靠近並耦合，在較寬的頻率範圍內同時工作，可以使其組合頻率響應不產生間斷和過深的凹谷，在這一頻帶內將形成複合多模振動，即能有效地拓展換能器的工作帶寬，實現高頻、寬帶、水平全向地收發聲波。


圖I為實施例中圓柱型換能器的結構示意圖。

圖2為實施例中不同內徑壓電圓管對稱串接的示意圖。圖3為實施例中不同內徑壓電圓管非對稱串接的示意圖。圖4為實施例中一體加工成型的壓電圓管示意圖。圖5為實施例中含錐形內徑分布的壓電圓管示意圖。圖6為實施例中不同內徑壓電圓管的諧振頻率耦合示意圖。圖7為實施例中圓柱型換能器諧振頻率和帶覽性能不意圖。圖中符號說明1.壓電圓管；2.壓電圓管；3.橡膠粘接層；4.吸聲層；5.橡膠墊；
6.蓋板；7.支架；8.固定螺釘；9.膠封層；10.輸出電纜；11.壓電圓管；r為壓電圓管外徑，ti、t2、t3為壓電圓管壁厚。
具體實施例方式
下面通過具體實施例並配合附圖，對本發明做詳細的說明。圖I為本實施例的疊堆不同半徑圓管的圓柱型換能器結構示意圖。該換能器的部件包括壓電圓管振子(含I和2)、橡膠粘接層3、吸聲層4、橡膠墊5、蓋板6、支架7、固定螺釘8、膠封層9和輸出電纜10。其中，支架7為中空的金屬管，壓電圓管的內壁電極並聯引線，通過底端吸聲層上的線槽引出與輸出電纜的芯線連接，圓管的外壁電極並聯引線與電纜的屏蔽線連接。上下兩個吸聲層4用具有吸聲功能的硬脂泡沫製作，該層上可設置定位結構(比如定位槽)，用於定位壓電振子和金屬管支架。吸聲層4的上、下端面襯有軟木橡膠墊5，軟木橡膠墊也具有吸聲作用，硬脂泡沫和軟木橡膠墊兩層吸聲材料可有效地吸收換能器的軸向聲輻射。換能器部件裝配後通過上下蓋板6和螺釘8固連成一體，四周再膠封防水透聲材料9，如聚安脂，即形成換能器成品。壓電振子由內徑不等的多個壓電圓管1、2疊堆而成，即在結構上串接在一起。本實施例中壓電圓管1、2通過膠層3粘接而成，如圖2所示。圓管內外壁柱面被覆電極層，沿徑向極化，極化方向相同。電極可通過燒結銀、濺射金(或銀)或塗刷導電膠等製成。各圓管之間用橡膠類粘接劑3疊堆粘接，粘接層的厚度在O. 3 1_之間，控制粘接層的厚度可適當調節上下兩圓管的振動耦合。各圓管外徑相同，內半徑逐次由大到小、或由小到大分布。可以採用對稱分布，比如中間圓管內徑大，兩邊圓管內徑小(如圖2(a))，或中間圓管內徑小，兩邊圓管內徑大(如圖2(b)和(c))，疊堆圓管數目為3、5 (如圖2(c))、7、9等。也可以採用非對稱分布(如圖3)，此時圓管數目為2個以上。上述壓電振子也可以通過一體加工成型，如鑄模成型等，成型出一個包含不同內徑段的圓管(或成型出兩個半圓管，然後拼成一個完整的圓管)，如圖4所示；也可成型出管中為錐形通孔的圓管，如圖5所示；還可以是其它非等內徑的形式。壓電圓管結構尺寸分布範圍優選為外徑r為20mnTl00mm,管壁厚度t為ImnTlOmm,各管壁厚度差Δ t為OmnTlmm,高為lmnTlOmm。壓電圓管的材質可以選用(壓電陶瓷、壓電單晶等)。由於各圓管的半徑不等，各管的諧振頻率不同，即換能器振動系統存在多種模態(多個諧振頻率)。合理設計各圓管的半徑，通過橡膠粘接層，使壓電振子各圓管的諧振頻率相互靠近並耦合(見圖6)，在較寬的頻率範圍內同時工作，使它的組合頻率響應不產生間 斷和過深的凹谷，則在這一頻帶內將形成複合多模振動，即能有效地拓展換能器的工作帶寬。下面提供一個具體實例。本實例採用內半徑不等的兩圓管制作壓電振子，如圖3(a)所示，振子各部件的結構參數見表I。表I.壓電振子實施例部件的結構參數
振了·部件材料外徑(mm) 內徑(mm) 高(mm) Hf振頻率帶寬(kHz)_______(kHz)__
壓電M管 I25932032.55
_ PZT5 _____
壓電圓管 2251132202.59
粘接層3 矽橡膠2590.5//將表中的壓電圓管I和圓管2同軸疊堆串接，其間用矽橡膠通過專用工件粘接，保持粘接層厚度為O. 5mm,待矽橡膠固化後即製成壓電振子。用阻抗分析儀測量振子的諧振頻率和帶寬，結果如圖7所示，其中振子的諧振頻率為188. 8kHz，帶寬為4. 8kHz，由於兩圓管耦合為一體，負載質量增大，諧振頻率會顯著降低，但帶寬較單管有明顯增加，說明本發明結構可顯著提高振子的帶寬，取得了進步的技術效果。以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和範圍，本發明的保護範圍應以權利要求所述為準。
權利要求
1.一種圓柱型換能器，包括壓電振子，其特徵在於，所述壓電振子包括疊堆的具有相同外徑、不同內徑的壓電圓管。
2.如權利要求I所述的圓柱型換能器，其特徵在於還包括吸聲層、端蓋、膠封層和輸出電纜；其中，吸聲層位於壓電振子兩端，用於吸收軸向聲輻射；端蓋覆蓋吸聲層；膠封層包覆壓電振子和端蓋；輸出電纜一端連接壓電圓管的引線，另一端伸出膠封層外。
3.如權利要求I或2所述的圓柱型換能器，其特徵在於所述壓電圓管的材質為壓電陶瓷或壓電單晶。
4.如權利要求I或2所述的圓柱型換能器，其特徵在於所述壓電圓管內外壁被覆電極層，所述電極的材料為下列中的一種金、銀、導電膠。
5.如權利要求I或2所述的圓柱型換能器，其特徵在於所述疊堆的具有相同外徑、不同內徑的壓電圓管為一體鑄模成型或者由多個不同內徑的壓電圓管粘接而成。
6.如權利要求I或2所述的圓柱型換能器，其特徵在於，所述壓電圓管的不同內徑呈對稱分布，其分布形式包括中間圓管內徑大，往兩邊圓管內徑依次減小；中間圓管內徑小，往兩邊圓管內徑依次增大。
7.如權利要求I或2所述的圓柱型換能器，其特徵在於所述壓電圓管的外徑為20 100mm,管壁厚度為flOmm,高為flOmm ;不同內徑的壓電圓管的管壁厚度差為0 lmm。
8.如權利要求2所述的圓柱型換能器，其特徵在於還包括支架，位於壓電圓管內並支撐兩端的吸聲層；吸聲層上設有定位槽，用於定位壓電振子和支架；支架、吸聲層和端蓋通過螺絲固定連接。
9.如權利要求8所述的圓柱型換能器，其特徵在於所述吸聲層的材質為硬脂泡沫；所述支架為金屬管，壓電振子的兩極引線穿過該金屬管與所述輸出電纜連接。
10.如權利要求2所述的圓柱型換能器，其特徵在於所述膠封層為防水透聲材料，包括但不限於聚氨酯、硫化橡膠。
全文摘要
本發明提供一種圓柱型換能器，其特徵在於，包括疊堆的具有相同外徑、不同內徑的壓電圓管，以及吸聲層、端蓋、膠封層和輸出電纜、支架等。所述疊堆的具有不同內徑的壓電圓管可為一體鑄模成型或者由多個不同內徑的壓電圓管粘接而成。通過合理設計該圓柱型換能器壓電圓管的內徑，可以使壓電振子各圓管的諧振頻率相互靠近並耦合，使其組合頻率響應不產生間斷和過深的凹谷，並形成複合多模振動，從而能夠有效地拓展換能器的工作帶寬，實現高頻、寬帶、水平全向地收發聲波。
文檔編號H04R1/44GK102843637SQ20121032818
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月6日 優先權日2012年9月6日
發明者王麗坤, 秦雷, 路宇, 蔡大可 申請人:北京信息科技大學