一种高频双波束指向性换能器及其制作方法技术

本发明专利技术提供了一种高频双波束指向性换能器及其制作方法，所述的换能器包括压电复合材料(2)和两根电极线(4)；所述压电复合材料(2)呈球台形结构，所述的球台形结构为两端开口的空心状，由压电陶瓷圆环切割成的若干个压电陶瓷小柱(7)粘结而成，该球台形结构的内、外表面镀有正负电极；两根电极线(4)的一端分别焊接于正负电极上，并从换能器内引出两根电极线(4)的另一端。利用本发明专利技术中具有球台形结构的压电陶瓷复合材料制备得到的换能器，不但能够实现高频换能器的双波束指向性，同时波束开角内具有较小的起伏，而且能够满足大功率辐射的要求。

A high frequency dual beam directivity transducer and its making method

The present invention provides a high frequency dual beam directivity transducer and a method for making the transducer. The transducer includes a piezoelectric composite material (2) and two electrode lines (4). The piezoelectric composite material (2) is a spherical structure. The ball table structure is hollow at both ends, and several piezoelectricity is cut by a piezoelectric ceramic ring. The ceramic pillar (7) is bonded, and the inner and outer surface of the ball table structure is plated with positive and negative electrodes; one end of the two electrode lines (4) is respectively welded on the positive and negative electrodes, and the other end of the two electrode lines (4) is extracted from the transducer. The transducer produced by the piezoelectric ceramic composite with a spherical structure in this invention can not only realize the dual beam directivity of the high frequency transducer, but also have small fluctuation in the beam opening angle, and can meet the requirement of high power radiation.

【技术实现步骤摘要】
一种高频双波束指向性换能器及其制作方法
本专利技术涉及压电复合材料换能器领域，具体涉及一种高频双波束指向性换能器及其制作方法。
技术介绍
在空气声、水声探测成像设备中，换能器的性能往往影响着系统总体的性能。在对目标进行探测和成像时，往往不仅需要探测距离远、成像分辨率高，而且有时还需要特殊的指向性波束要求。有时需要换能器或基阵不仅要求能够产生球面波，而且要求具有双波束指向特性，满足特定的探测或成像需求。而对于高频高分辨成像声纳或高分辨率探测设备来说，往往需要具有大功率发射性能，而对于传统的平面基阵而言，其发射波束宽度与发射声源级是互相约束的，即发射波束越宽(成像观测范围越大)，基阵有效辐射面积越小，声源级越低(探测作用距离越近)，而球面类换能器或基阵是解决这一问题的有效途径。对于高频球面类换能器或基阵，除了设计时需要理论分析和数值计算，更重要的是在制作工艺上实现设计。球面类几百千赫兹高频率的换能器不能依靠整体压电陶瓷的振动频率来实现的，要想实现球面同相等幅振动，只能利用压电小振子的纵向振动模式形成整体球面基阵来实现。如果要实现高频压电振子的单一纵振模态必须满足一定的长宽比，根据半波长谐振理论，频率越高，振子谐振长度越小，而宽度又小于长度，所以频率越高，压电振子的体积越小。如果要形成小体积的压电振子球台，利用普通的制作工艺方式很难实现，必须采用特殊工艺来实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对上述高频球面类换能器及基阵实现工艺的特殊要求，根据高频换能器研制及压电复合工艺制备的经验，本专利技术提供了一种高频双波束指向性换能器及其制作方法，换能器的核心器件是球台形压电复合材料，并采用改进的压电复合材料制备方式形成球台，采用该球台形压电复合材料制备的高频换能器具有良好的空间双波束指向性。为了实现上述目的，本专利技术提供的一种高频双波束指向性换能器，包括：压电复合材料和两根电极线；所述压电复合材料呈球台形结构，所述的球台形结构为两端开口的空心状，由压电陶瓷圆环切割成的若干个压电陶瓷小柱粘结而成，该球台形结构的内、外表面镀有正负电极；两根电极线的一端分别焊接于正负电极上，并从换能器内引出两根电极线的另一端。作为上述技术方案的进一步改进，还包括聚氨酯硬质泡沫和背板；所述球台形结构的内表面贴附并固定于聚氨酯硬质泡沫的顶面，所述背板固定于聚氨酯硬质泡沫的底面；所述的聚氨酯硬质泡沫与球台形压电复合材料成拱形，可通过704硅胶粘接在泡沫上；所述的电极线贯穿聚氨酯硬质泡沫与背板，并从背板底部引出。作为上述技术方案的进一步改进，所述换能器的外表面涂覆有聚氨酯橡胶，可通过灌注模具把安装好的球台形压电复合材料、泡沫和背板包覆起来，形成换能器。作为上述技术方案的进一步改进，所述球台形结构的半径为80mm，其对应的两个圆心角分别为130°和50°；所述压电陶瓷小柱的外表面呈方形，其尺寸为2.5mm×2.5mm，该压电陶瓷小柱的厚度为3.6mm，任意相邻的两个压电陶瓷小柱的缝隙宽度为0.5mm。作为上述技术方案的进一步改进，所述球台形结构的表面及任意相邻的两个压电陶瓷小柱的缝隙内均涂覆有抽真空处理后的环氧胶。作为上述技术方案的进一步改进，所述的正负电极采用镀镍正电极和镀镍负电极。基于上述结构的高频双波束指向性换能器，本专利技术还同时提供了一种高频双波束指向性换能器的制作方法，所述的换能器制备工艺包括：压电陶瓷切割，黏敷软性粘膜形成球台形压电陶瓷材料，灌注硬性高分子材料，固化成型，打磨后镀电极；球台形压电复合材料安装在高强度的吸声泡沫中，最后在外层灌注透声聚氨酯橡胶。该制作方法具体包括以下步骤：步骤1)根据设计需求确定球台形结构的直径和高度，并以该直径和高度确定压电陶瓷圆环的内外径，以及根据工作频率确定压电陶瓷小柱的外表面尺寸和厚度；步骤2)将选定的压电陶瓷圆环按设定的规格切割压电陶瓷小柱后，在压电陶瓷圆环的上表面黏敷一层软性粘膜，使得所有压电陶瓷小柱粘结成一体结构；步骤3)通过球台模具将切割后的压电陶瓷圆环压制成球台形结构，并在球台形结构的表面及任意相邻的两个压电陶瓷小柱的缝隙内均涂覆抽真空处理后的环氧胶；步骤4)将涂覆有环氧胶的球台形结构进行高温固化处理，并将固化后的球台形结构从球台模具中取出，经打磨后露出压电陶瓷小柱的内外表面，在压电陶瓷小柱的内外表面上镀镍电极，并在两个电极上各焊接一根电极线；步骤5)将球台形结构的内表面贴附并固定于聚氨酯硬质泡沫的顶面，并在聚氨酯硬质泡沫的底面固定背板，将电极线从聚氨酯硬质泡沫与背板之间穿出后，在换能器的外表面涂覆聚氨酯橡胶。本专利技术的一种高频双波束指向性换能器及其制作方法优点在于：利用本专利技术中具有球台形结构的压电陶瓷复合材料制备得到的换能器，不但能够实现高频换能器的双波束指向性，同时波束开角内具有较小的起伏，而且能够满足大功率辐射的要求，这种球台形压电复合材料结构设计模式，采用小柱压电复合材料单一振动模式，能够实现所需要形状的等幅同相振动，以获得最大的能量输出。附图说明图1为本专利技术提供的一种高频双波束指向性换能器结构示意图。图2为本专利技术中利用压电陶瓷圆环切割成压电陶瓷小柱后的结构示意图。图3为本专利技术中的球台形结构的压电复合材料压制成形的结构示意图。图4为本专利技术中的球台形结构的压电复合材料经镀电极后的结构示意图。图5为本专利技术中球台形结构的压电复合材料制作的换能器指向性仿真曲线。附图标记1、聚氨酯橡胶2、压电复合材料3、聚氨酯硬质泡沫4、电极线5、背板6、软性粘膜7、压电陶瓷小柱8、球台凸形上模9、镀镍负电极10、环氧胶11、球台凹形下模12、镀镍正电极具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术所述的一种高频双波束指向性换能器及其制作方法进行详细说明。如图1所示，本专利技术提供的一种高频双波束指向性换能器，包括压电复合材料2和两根电极线4；所述压电复合材料2呈球台形结构，所述的球台形结构为两端开口的空心状，由压电陶瓷圆环切割成的若干个压电陶瓷小柱7粘结而成(如图2所示)，该球台形结构的内、外表面镀有正负电极；两根电极线4的一端分别焊接于正负电极上，并从换能器内引出两根电极线4的另一端。基于上述结构的换能器，如图1所示，该换能器还可包括聚氨酯硬质泡沫3和背板5；所述球台形结构的内表面贴附并固定于聚氨酯硬质泡沫3的顶面，所述背板5固定于聚氨酯硬质泡沫3的底面；所述的电极线4贯穿聚氨酯硬质泡沫3与背板5，并从背板5底部引出。另外，所述换能器的外表面涂覆有聚氨酯橡胶1。本专利技术研制的上述球台形结构的压电复合材料，可以由多个压电陶瓷小柱拼成中间带孔的平面基阵，然后再通过模具压制形成球台型，理论上模具能作多大，压电复合材料球台就能做多大，因而不受制作体积的限制，并且具有良好的压电性能，使该压电复合材料制作的高频球台形换能器及基阵的小振子都工作在单一纵振模态，机电转换效率高，能量输出大，能够实现大功率辐射输出；球台上的小振子的振动可以近似看作是点源振动，具有良好的等幅同相振动效果。由于球台是圆带形，所以能够形成圆带波束，也就是在过球心的平面内能够实现双波束性能。在实际应用中，根据需求，通过设计球台的直径和球台的高度实现大功率发射，同时能够实现辐射中心的平面内具有双波束指向性。本专利技术是通过研制球台形结构的压电复合材料，提供一种能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高频双波束指向性换能器，其特征在于，包括压电复合材料(2)和两根电极线(4)；所述压电复合材料(2)呈球台形结构，所述的球台形结构为两端开口的空心状，由压电陶瓷圆环切割成的若干个压电陶瓷小柱(7)粘结而成，该球台形结构的内、外表面镀有正负电极；两根电极线(4)的一端分别焊接于正负电极上，并从换能器内引出两根电极线(4)的另一端。

【技术特征摘要】
1.一种高频双波束指向性换能器，其特征在于，包括压电复合材料(2)和两根电极线(4)；所述压电复合材料(2)呈球台形结构，所述的球台形结构为两端开口的空心状，由压电陶瓷圆环切割成的若干个压电陶瓷小柱(7)粘结而成，该球台形结构的内、外表面镀有正负电极；两根电极线(4)的一端分别焊接于正负电极上，并从换能器内引出两根电极线(4)的另一端。2.根据权利要求1所述的高频双波束指向性换能器，其特征在于，还包括聚氨酯硬质泡沫(3)和背板(5)；所述球台形结构的内表面贴附并固定于聚氨酯硬质泡沫(3)的顶面，所述背板(5)固定于聚氨酯硬质泡沫(3)的底面；所述的电极线(4)贯穿聚氨酯硬质泡沫(3)与背板(5)，并从背板(5)底部引出。3.根据权利要求2所述的高频双波束指向性换能器，其特征在于，所述换能器的外表面涂覆有聚氨酯橡胶(1)。4.根据权利要求1所述的高频双波束指向性换能器，其特征在于，所述球台形结构的半径为80mm，其对应的两个圆心角分别为130°和50°，所述压电陶瓷小柱(7)的外表面呈方形，其尺寸为2.5mm×2.5mm，该压电陶瓷小柱(7)的厚度为3.6mm，任意相邻的两个压电陶瓷小柱(7)的缝隙宽度为0.5mm。5.根据权利要求1所述的高频双波束指向性换能器，其特征在于，所述球台形结构的表面及任意相邻的两个压电陶瓷小柱(7)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏金东，黄海宁，张春华，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11