一种基于球冠形压电复合材料的换能器及其制作方法技术

本发明专利技术提供了一种基于球冠形压电复合材料的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)呈球冠形结构，所述的球冠形结构由压电陶瓷圆片切割成的若干个压电陶瓷小柱(7)粘结而成，该球冠形结构的内、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冠形结构的压电陶瓷复合材料制备得到的换能器，能够满足大功率辐射的要求，这种球冠形压电复合材料结构设计模式，克服了整体球冠振动模态复杂、指向性混乱、能量输出小的缺点，而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。

A transducer based on spherical crown piezoelectric composite and its manufacturing method

The invention provides a transducer based on a spherical cap piezoelectric composite and a method for making a piezoelectric composite material (2) and two electrode lines (4); the piezoelectric composite material (2) is a spherical crown shaped structure, and the spherical crown shaped structure is bonded to a number of piezoelectric ceramic columns (7) cut by a piezoelectric ceramic wafer. The inner and outer surfaces of the coronal structure are plated with positive and negative electrodes, and 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 prepared by the piezoelectric ceramic composite with a spherical crown structure in the invention can meet the requirement of high power radiation. The structure design mode of the spherical crown type piezoelectric composite material overcomes the shortcomings of the complex vibration mode, the confusion of the directivity, the small energy output of the whole ball crown, and the small column piezoelectric complex. The single vibration mode of the composite material can realize equal amplitude and in-phase vibration of the required shape.

【技术实现步骤摘要】
一种基于球冠形压电复合材料的换能器及其制作方法
本专利技术涉及球锥形波束压电复合材料换能器，具体涉及一种基于球冠形压电复合材料的换能器及其制作方法。
技术介绍
目前，换能器或基阵是空气声、水声探测领域设备中的重要部件。换能器的性能往往影响着系统总体的性能。在空气声中，往往需要对声源进行定位和目标探测，球形或球冠形的换能器或基阵不仅定位准确而且具有探测距离长、搜索范围广的优点；在水声探测领域，尤其是在水下成像声纳中，因为球形或球冠形的换能器或基阵在海底测绘、水下工程勘测、水下目标探测以及水下设施检测等方面具有广泛而重要的应用前景，所以备受关注。对于高频高分辨成像声纳来说，换能器或基阵约束了声纳的基本性能，对于发射基阵，发射波束宽度与发射声源级是互相约束的，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)，而球冠形换能器或基阵是解决这一问题的有效途径之一。对于高频球冠形换能器或基阵，不仅在设计上需要理论分析和数值计算，而且在制作上也需要特殊工艺。对于几百千赫兹高频率换能器往往是利用压电陶瓷本身的振动频率来实现的，而球冠形换能器如果采用整体球冠来实现，只能利用其厚度振动模式，但是球冠的厚度振动模式复杂，无法实现球面同相等幅振动，所以也就无法实现预期的目标。为了实现球冠高频等幅同相振动，利用压电小振子的纵向振动模式形成整体球冠是一种有效的方式。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，而且对于高频来讲，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。小体积的压电振子如果要形成球冠，采用普通的设计方式很难实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对上述高频球冠换能器及基阵实现工艺的特殊要求，在总结以往高频换能器研制及压电复合工艺制备的基础上，本专利技术提供了一种基于球冠形压电复合材料的换能器及其制作方法，该换能器的核心器件是球冠形压电复合材料，采用改进的压电复合材料制备方式形成球冠，采用该球冠形压电复合材料制备的高频换能器具有良好的空间球锥形指向性。为了实现上述目的，本专利技术提供的一种高频球冠形压电复合材料的换能器包括：压电复合材料和两根电极线；所述压电复合材料呈球冠形结构，所述的球冠形结构由压电陶瓷圆片切割成的若干个压电陶瓷小柱粘结而成，该球冠形结构的内、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；所述球冠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；所述的球冠形压电复合材料可通过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冠形压电复合材料、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，所述球冠形结构的半径为100mm，其对应的圆心角为60°，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4.8mm，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，所述球冠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。基于上述结构的换能器，本专利技术还同时提供了一种基于球冠形压电复合材料的换能器的制作方法，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冠形压电陶瓷材料，灌注硬性高分子材料，固化成型，打磨后镀电极；球冠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冠形结构的半径和圆心角，并以该半径和圆心角确定压电陶瓷圆片的直径，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片按设定的规格切割压电陶瓷小柱后，在压电陶瓷圆片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)通过球冠模具将切割后的压电陶瓷圆片压制成球冠形结构，并在球冠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冠形结构进行高温固化处理，并将固化后的球冠形结构从球冠模具中取出，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)将球冠形结构的内表面贴附并固定于硬质泡沫的顶面，并在硬质泡沫的底面固定背板，将电极线从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。本专利技术的一种基于球冠型压电复合材料的换能器及其制作方法优点在于：利用本专利技术中具有球冠形结构的压电陶瓷复合材料制备得到的换能器，能够满足大功率辐射的要求，这种球冠形压电复合材料结构设计模式，克服了整体球冠振动模态复杂、指向性混乱、能量输出小的缺点，而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，同时产生良好的球锥形指向性。附图说明图1为本专利技术提供的一种基于球冠形压电复合材料的换能器结构示意图。图2为本专利技术中利用压电圆片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冠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冠形结构的压电复合材料经镀电极后的结构示意图。图5为本专利技术中的球冠形结构的压电复合材料制备的换能器指向性测试曲线。图6为本专利技术中的换能器发射电压灵敏度测试曲线。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、球冠凸形上模9、镀镍负电极10、环氧胶11、球冠凹形下模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基于球冠形压电复合材料的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基于球冠形压电复合材料的换能器，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呈球冠形结构，所述的球冠形结构由压电陶瓷圆片切割成的若干个压电陶瓷小柱7粘结而成(如图2所示)，该球冠形结构的内、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；所述球冠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冠形结构的压电复合材料，可以由多个压电陶瓷小柱拼成压电小柱平面基阵，然后再通过模具形成球型，理论上模具能作多大，压电复合材料球冠就能做多大，因而不受制作体积的限制，并且具有良好的压电性能，使用该压电复合材料制备的高频换能器及基阵具有良好的等幅同相振动效果，由于压电复合材料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，并且可以看作是球冠上的点源振动，所以能够实现球冠辐射指向性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于球冠形压电复合材料的换能器，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)呈球冠形结构，所述的球冠形结构由压电陶瓷圆片切割成的若干个压电陶瓷小柱(7)粘结而成，该球冠形结构的内、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】
1.一种基于球冠形压电复合材料的换能器，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)呈球冠形结构，所述的球冠形结构由压电陶瓷圆片切割成的若干个压电陶瓷小柱(7)粘结而成，该球冠形结构的内、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所述的基于球冠形压电复合材料的换能器，其特征在于，还包括聚氨酯硬质泡沫(3)和背板(5)；所述球冠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所述的基于球冠形压电复合材料的换能器，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所述的基于球冠形压电复合材料的换能器，其特征在于，所述球冠形结构的半径为100mm，其对应的圆心角为60°，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4.8mm，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所述的基于球冠形压电复合材料的换能器，其特征在于，所述球冠形结构的表面及任意相邻的两个压电陶瓷小柱(7)的缝隙内...

【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