CN101998201B - 折叠盖板宽带水声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种折叠盖板宽带水声换能器。包括压电陶瓷晶片堆、上下两端金属盖板和预应力螺杆；压电陶瓷晶片堆由压电陶瓷圆环和薄金属片交替堆叠而成，压电陶瓷圆环的极化方向沿厚度方向，薄金属片上焊电极引线；上端金属盖板由外盖板和内盖板构成折叠形状。本发明的换能器采用了单端激励的原理，其工作带宽超过了一个倍频程；将不工作的无源材料部分设计成折叠形式，减小了尺寸；由于体积小，结构紧凑，因此适合布阵需求。本发明的折叠盖板宽带水声换能器可以应用于水下通信、探测、目标定位、跟踪等，是声纳使用的重要部件。

Description

折叠盖板宽带水声换能器

技术领域

本发明涉及的是水声换能器。

背景技术

声波是水下传递信息和能量的载体。水声设备是依靠声波来传递信息的，它利用声波这种信息载体来实现对水下目标的探测、定位、识别和通信等，水声设备至今仍然是水下信息采集和信息处理最有效的设备。水声换能器被用于水下发射和接收声波，是水声设备的重要组成部分。当处于发射状态时，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，辐射声能，一般意义上的“换能器”均指此类发射器；当处于接收状态时，其机械振动系统受到水中声压的作用而产生振动，换能器再把机械振动能转换成电磁振动的能量，一般称为水听器。

随着声隐身技术的发展及其在潜艇的应用，使得被动声纳的作用距离急剧减小，水下目标探测的难度大大提高，这就需要用主动声纳远距离探测作为辅助手段，而低频、大功率是其最重要的关键技术之一。发射换能器在主动声纳设备中负责将电磁振荡能转化成机械振动能，从而推动水介质进行振动，向水中辐射声能。为了提高对潜艇的远程探测能力，必须降低换能器的工作频率，提高发射声功率。

由于小尺寸换能器在成阵、布阵方面的便利，在使用时也便于使用者操作和运输，迫切需要小尺寸换能器，但是由于在实践中低频、大功率等要求对换能器尺寸的制约，这就对研究者提出了挑战。

宽带换能器是近来国内外学术界研究的主要内容。相比较于窄带换能器，宽带换能器有很多的优势。第一，宽带换能器在传输中更能保持信号的完整性和准确性，可以不失真的传输信号，而窄带换能器的信号波形严重畸变；第二，宽带换能器能够提高信号的传输速率、提高通讯的可靠性和保密性、降低误码率。宽带换能器无论在军事方面还是民用方面都有着广泛的应用。如用宽带合成孔径声呐，可以提高测绘速率，在一定程度上也可减少运动误差带来的影响。在民用领域，宽带换能器被广泛应用于医疗超声，受到医学界普遍重视和欢迎。

因此，开发研制低频、大功率、小尺寸、宽带的水声换能器是各种水声应用提出的必然要求，是亟待解决的科学技术问题。

低频、大功率、小尺寸换能器设计的主要困难是：一、为了提高发射效率和发射功率，换能器必须工作在共振状态，而纵振模式换能器尺寸通常与波长成正比，因此越低的工作频率，也就意味着较大的换能器尺寸，同时意味着较大的重量和成本，以及制造和布设的难度；二、低频换能器的辐射功率与频率及辐射面积平方成正比，意味着频率降低或面积减小10倍，辐射功率将减少100倍，因此，如果在减小尺寸的同时，保持或增加低频时换能器的辐射功率，需要更大的振动位移，即更大的驱动功率来补偿，而这往往是不可实现的。

因此，降低工作频率与减小尺寸是一对矛盾，增大辐射功率与减小尺寸也是一对矛盾。

目前解决以上问题的主要方法有：一是应用具有更大顺性和伸缩系数的新型材料代替传统的压电陶瓷材料，提高效率和振动位移，典型的代表是超磁致伸缩材料、弛豫铁电单晶材料和压电复合材料；二是探索新型结构，其中具有代表性的结构是弯张换能器、压电陶瓷环嵌套式纵振换能器和开缝圆管换能器。

弯张换能器是弯曲伸张换能器的简称。弯张换能器的工作原理是利用驱动元件的纵向伸缩振动激励壳体作弯曲振动，耦合成弯曲伸张振动模式。弯张换能器的优点是工作频率低、辐射功率大、转换效率高、尺寸小等，弯张换能器共有七种类型。

纵向振动换能器谐振发生在其振子长度等于λ/2时，因此要降低谐振频率，只能增大其长度。但是采用不同直径的压电陶瓷环嵌套技术，制作的纵向振动换能器谐振频率在1.7kHz左右，有效长度仅为0.3m，大大的减小了纵向振动换能器的尺寸(俞宏沛，唐义政，林家旺.低频纵振换能器减小尺寸的一种措施.声学与电子工程.1999年第4期：17-20页)。

开缝圆管换能器是一种新型甚低频大功率换能器，由一个沿高度方向开缝的压电圆管构成，在压电圆管外有一个外衬金属壳体，圆管内部为一空气腔。利用镶拼圆管加预应力技术，把有源材料由普通开缝圆管变为镶拼开缝圆管，这样可以进一步的缩小体积、减小质量(HarryW.Kompanek.Electroacoustical Transducer[P].U.S.Patent.4，651，044，1987)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小尺寸、带宽宽的折叠盖板宽带水声换能器。

本发明的目的是这样实现的：

包括压电陶瓷晶片堆、上下两端金属盖板和预应力螺杆；压电陶瓷晶片堆由压电陶瓷圆环和薄金属片交替堆叠而成，压电陶瓷圆环的极化方向沿厚度方向，薄金属片上焊电极引线；上端金属盖板由外盖板和内盖板构成折叠形状。

本发明还可以包括：

1、所述压电陶瓷圆环由压电陶瓷PZT制作而成，相邻两片压电陶瓷圆环的极化方向相反。

2、所述薄金属片是由黄铜或锌、铂、铜制成的易于焊接的圆环片，其外径和内径与压电陶瓷圆环的尺寸相同。

3、所述外盖板和内盖板是由密度较小、质量较轻的硬铝或铝镁合金制成的外观形状为圆形，同时外盖板作为声能辐射面。

4、所述下端金属盖板由密度较大、质量较重的钢或黄铜制成的圆形。

5、薄金属片与压电陶瓷圆环之间、薄金属片与内盖板之间、薄金属片与下端金属盖板之间、外盖板与内盖板接触部分均由环氧树脂胶合。

6、还包括金属套桶，换能器与金属套桶之间设置软木橡胶，外盖板的表面灌封防水透声层。

本发明的工作原理是单端激励原理，通常，压电换能器的压电陶瓷堆之间是并联连接的，如果将其分为左右两个部分，其振动是同相的，也就是同时扩张或收缩，因此称这种激励方式为左右同相激励。由于同相激励只能激励出位移对称的奇数阶纵向振动模态，无法激励出偶数阶模态。因此，在第2阶纵向振动模态的谐振频率处端面的位移很小，发射电压响应曲线上出现了一个很深的凹谷。为了激励出第2阶纵向振动模态，须采用左右反相激励。如果将两种激励叠加在一起就变为单端激励，此时，前三阶纵向振动模态全部被激励出来，发射电压响应比较平坦，有效地拓宽了换能器的带宽。

本发明换能器不工作的无源金属和前盖板部分设计成右图的折叠盖板的形式，从而提供了一种单端激励换能器减小尺寸的方法，最终实现了换能器的小尺寸、宽带的工作特性。

本发明的主要优点是：

(a)本发明的换能器采用了单端激励的原理，其工作带宽超过了一个倍频程。

(b)本发明的换能器将不工作的无源材料部分设计成折叠形式，从而提供了一种单端激励换能器减小尺寸的方法。

(c)本发明的换能器由于体积小，结构紧凑，因此适合布阵需求。

本发明的折叠盖板宽带水声换能器可以应用于水下通信、探测、目标定位、跟踪等，是声纳使用的重要部件。

附图说明

图1是折叠盖板宽带水声换能器结构示意图。

图2是折叠盖板宽带水声换能器水密装置结构示意图。

图3是折叠盖板宽带水声换能器的发送电压响应曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

本发明通过利用单端激励原理来拓展纵向振动换能器的频带，同时将换能器不工作的无源材料部分设计成折叠形式，这样就减小了单端激励换能器在长度方向的尺寸，最终实现了换能器的小尺寸、宽带的工作特性。

结合图1，折叠盖板宽带水声换能器包括压电陶瓷晶片堆、上下两端金属盖板和预应力螺杆5。压电陶瓷晶片堆由压电陶瓷圆环3和薄金属片4交替堆叠而成，压电陶瓷圆环3的极化方向沿厚度方向，薄金属片4上焊电极引线；上端金属盖板呈折叠形状，由外盖板1和内盖板2构成。

上述压电陶瓷晶片堆的压电陶瓷圆环3可用压电陶瓷PZT制作，相邻两片压电陶瓷圆环的极化方向相反。

上述薄金属片4是用黄铜或锌铂铜等易于焊接的圆环片，其外径和内径与压电陶瓷圆环的尺寸相同。

上述上端金属盖板(包括外盖板1和内盖板2)用密度较小、质量较轻的金属制成，通常使用硬铝或铝镁合金，其外观形状为圆形，同时外盖板1作为换能器的声能辐射面。

上述下端金属盖板6用密度较大、质量较重的金属制成，通常使用钢或黄铜，其外观形状为圆形。

上述预应力螺杆5用抗拉强度较大的金属制成，通常使用45#钢。由于压电陶瓷的抗压应力远大于抗拉应力，胶合层在大振幅的情况下通常也在拉伸阶段遭到破坏，所以用预应力螺杆5给振子的压电陶瓷圆环3和胶合部分加上预压应力。

一般的，薄金属片4与压电陶瓷圆环3之间、薄金属片4与内盖板2之间、薄金属片4与下端金属盖板6之间、外盖板1和内盖板2接触部分均用环氧树脂胶合。

结合图2，本发明的折叠盖板宽带水声换能器的水密安装过程为：先将制作好的折叠盖板宽带水声换能器放入金属套桶9中，换能器与金属套桶9之间用软木橡胶8隔开，然后在外盖板1的表面灌封防水透声层7，最后安装电缆头10。

上述技术方案中，材料7为防水透声层，一般采用聚氨酯。防水透声层的主要作用是防水、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。同时材料7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良好的声能传递。

上述技术方案中，材料8为软木橡胶，它是一种去耦材料，与相邻两边介质的特性阻抗失配，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。

下面是本发明的一个具体实施例。折叠盖板宽带水声换能器包括PZT4压电陶瓷圆环3、黄铜薄片4、硬铝内盖板2、硬铝外盖板1、黄铜下盖板6和45#钢预应力螺杆5等。压电陶瓷圆环3的外径为34mm，相邻陶瓷片的极化方向相反；黄铜薄片4的外径为34mm，厚度为0.1mm，其作用是焊接引线；硬铝外盖板1的最大外径为90mm；黄铜下盖板6的最大外径为40mm；45#钢预应力螺杆5为M10的螺杆。

换能器装配前要将所用元件清洗干净、准备好，按如下顺序进行装配：

(1)用环氧树脂将压电陶瓷圆环3与黄铜薄片4交替粘结，并且相邻压电陶瓷圆环3的极化方向相反，粘好的压电陶瓷晶堆由PZT4压电陶瓷圆环3和黄铜薄片4构成。

(2)用环氧树脂将压电陶瓷晶堆与硬铝内盖板2和黄铜下盖板6粘结。

(3)用45#钢预应力螺杆5对压电陶瓷晶堆施加5MPa的预应力。

(4)将上述组装件放入烘箱加温至70℃，并保温4小时，然后升温至90℃，并保温2小时，这时粘结用环氧树脂完全固化。

(5)用环氧树脂将上述组装件与硬铝外盖板1粘结，然后按照步骤(4)进行固化处理。

(6)按照图1所示焊接引线。

(7)将装配好的折叠盖板宽带水声换能器按图2所示装入金属套桶9中。

(8)在硬铝外盖板1的上表面灌注3mm厚的聚氨酯层7。

对本实施例提供的换能器进行性能测试，图3给出了换能器的实测发送电压响应曲线，工作频带为5kHz-16kHz，最大发送电压响应为148dB，起伏为12dB。

Claims (6)

1.一种折叠盖板宽带水声换能器，包括压电陶瓷晶片堆、上下两端金属盖板和预应力螺杆；其特征是：压电陶瓷晶片堆由压电陶瓷圆环和薄金属片交替堆叠而成，压电陶瓷圆环的极化方向沿厚度方向，薄金属片上焊电极引线；上端金属盖板由外盖板和内盖板构成折叠形状；所述压电陶瓷圆环由压电陶瓷PZT制作而成，相邻两片压电陶瓷圆环的极化方向相反，且外盖板作为声能辐射面。

2.根据权利要求1所述的折叠盖板宽带水声换能器，其特征是：所述薄金属片是由黄铜或锌、铂、铜制成的易于焊接的圆环片，其外径和内径与压电陶瓷圆环的尺寸相同。

3.根据权利要求2所述的折叠盖板宽带水声换能器，其特征是：所述外盖板和内盖板是由密度较小、质量较轻的硬铝或铝镁合金制成的外观形状为圆形。

4.根据权利要求3所述的折叠盖板宽带水声换能器，其特征是：所述下端金属盖板由密度较大、质量较重的钢或黄铜制成的圆形。

5.根据权利要求4所述的折叠盖板宽带水声换能器，其特征是：薄金属片与压电陶瓷圆环之间、薄金属片与内盖板之间、薄金属片与下端金属盖板之间、外盖板与内盖板接触部分均由环氧树脂胶合。

6.根据权利要求5所述的折叠盖板宽带水声换能器，其特征是：还包括金属套桶，换能器与金属套桶之间设置软木橡胶，外盖板的表面灌封防水透声层。

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