一种级联式压电陶瓷水声换能器制造技术

本发明专利技术公开了一种级联式压电陶瓷水声换能器，由前辐射头、级联单元、配重壳体、预应力螺栓和输出电缆线组成，前辐射头和配重壳体位于换能器两端，中间为多个级联单元串接在一起，级联单元由两组压电晶堆并排放置并通过预应力螺栓与弯曲圆盘紧密连接接成一体。配重壳体具有水密和换能器尾部配重的作用。输出电缆线通过配重壳体将压电晶堆的引线连接至外激励源。换能器横向小尺寸的前提下，充分利用了纵向空间，结合压电晶堆的纵向振动和弯曲圆盘的弯曲振动的合理耦合，实现换能器的低频率、小尺寸和轻质量特征。换能器具有结构简单、性能稳定的特点，可广泛应用于水下探测、水声通信领域，适用于搭载各类水下运载体进行水中作业。

【技术实现步骤摘要】
一种级联式压电陶瓷水声换能器
本专利技术涉及电声传感器技术，具体地说，涉及一种级联式压电陶瓷水声换能器，用来实现电声能量的相互转换，适用于水下探测、通信水声领域。
技术介绍
水声换能器作为水声设备必不可少的关键器件，在水下武器、装备以及各种民用探测方面承担着极为重要的角色，其性能的优劣直接影响到整体系统的功能。伴随着现代水声应用需求的不断提高，水声换能器的低频率、小尺寸和轻质量的特征已成为其发展的重要趋势。目前应用较为广泛的低频换能器有各型弯张换能器、弯曲换能器、各类赫姆霍兹共鸣器以及超磁致伸缩低频水声换能器等几种类别。在公开的文献“Basicproblemscausedbydepthandsizeconstraintsinlow-frequencyunderwatertransducers”(JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,UnitedStates,Volume68,Issue4,1980,1031-1037)中，详细讨论了水声换能器尺寸与其声学性能之间的限制关系。在文献“Thedesignoflowfrequencyunderwateracousticprojectors:presentstatusandfuturetrends”(IEEEJournalofOceanicEngineering,UnitedStates,Volume16,Issue1,1991,107-122)中，总结了几种常用的低频水声发射换能器类型，主要包括各种利用了弯曲振动模态的弯张型换能器和利用了液腔谐振模态的赫姆霍兹共鸣器。在文献“Thin,lightweightelectroacousticprojectorforlowfrequencyunderwaterapplications”(JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,UnitedStates,Volume116,Issue3,2004,1536-1543)中，介绍了一种轻质量的钹式低频水声换能器，换能器尺寸为(381×280×64)mm，水下重量为26N，可在3-15kHz频率范围内有效发声。国内近几年在低频小型换能器方面也取得了较大的进展。在文献“一种小尺寸低频宽带声源换能器的设计”(声学技术，第32卷第6期，2013，285-286)中，提出了一种对称双叠片弯曲圆盘换能器，尺寸为φ200mm×30mm，质量不超过3kg，可在260Hz-2450Hz频率范围内工作。专利CN107509149A“一种小尺寸大振幅螺旋弹簧低频换能器”介绍了一种螺旋弹簧换能器，实现了低频、小尺寸、大位移的特性。专利CN102136268A“一种折回式压电陶瓷低频水声换能器”公开了一种折回结构的压电换能器，实现了低频、轻小型的特性。在专利CN109935223A“一种超小尺寸低频发射换能器”介绍了一种由若干条形振动单元排布而成的低频发射换能器，具有小尺寸和高发射源级的特性，可实现500Hz的低频谐振，大于185dB的发射源级，质量约10kg。现有的小型低频换能器的研究成果，多数采用了换能器整体结构或部件的弯曲振动模态，均在一定程度上实现了低频换能器的轻小型化。然而从具体实际应用的角度来看，还需要更小体积、更轻质量的低频换能器。
技术实现思路
为了避免现有技术存在的不足，本专利技术提出一种级联式压电陶瓷水声换能器。该换能器合理耦合了结构体的纵向振动和弯曲圆盘的弯曲振动，充分利用体积空间，通过灵活的级联式连接，实现水声换能器的低频和轻小型化特征。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:包括前辐射头、级联单元、配重壳体和输出电缆线，其特征在于配重壳体包括防水罩、尾质量块和紧固螺栓；级联单元包括弯曲圆盘、压电晶堆、弹簧垫片和预应力螺栓；压电晶堆包括绝缘垫片、电极片、压电陶瓷片、绝缘套管和电极连线；所述前辐射头和配重壳体分别位于换能器两端，所述前辐射头为喇叭型结构，前辐射头口端向外有利于声能量向外辐射，前辐射头喉部有周向沟槽用以安装密封圈，密封圈与防水罩紧密配合形成水密结构，前辐射头的喉部通过预应力螺栓与级联单元连接；所述级联单元为多个，级联单元串接成一体位于前辐射头与配重壳体中间，每个级联单元由两组压电晶堆并排设置，并通过预应力螺栓与弯曲圆盘紧密连接,每组压电晶堆由偶数个压电陶瓷片按正、反极化方向电学并联、机械串联粘接而成，防水罩与尾质量块通过紧固螺栓连接，输出电缆穿过配重壳体与压电晶堆的电极连线相连至外激励源；所述压电晶堆由中间带孔的压电陶瓷片粘接而成，相邻压电陶瓷片极化方向相反，中间夹有电极片，压电晶堆的两端各有绝缘垫片，压电晶堆通过导电胶粘接，并通过套有绝缘套管的预应力螺栓分别连接在弯曲圆盘、前辐射头或尾质量块上，压电晶堆则通过预应力螺栓沿正交的直径方向固定，各级联单元的交错串接，压电晶堆按压电陶瓷片的极化方向引出两个电极连线与输出电缆相连。所述弯曲圆盘为圆盘型弯曲梁，弯曲圆盘在其相互正交的两个直径方向与压电晶堆相接，其中一侧与一个级联单元的两组压电晶堆相连，另一侧与相邻级联单元的两组压电晶堆相连，多个级联单元串接。有益效果本专利技术提出的一种级联式压电陶瓷水声换能器，该换能器合理耦合了结构体的纵向振动和弯曲圆盘的弯曲振动，充分利用体积空间，通过灵活的级联式连接，实现水声换能器的低频和轻小型化特征。换能器结构简单、性能稳定，可广泛应用于水下探测、水声通信领域，适用于搭载各类水下运载体进行水中作业，适用于各类声纳装备中的密布式低频阵列排放，实现特殊的声学性能。本专利技术级联式压电陶瓷水声换能器具有显著的低频率、小尺寸和轻质量特征，可在200Hz～50kHz的频带范围内有效工作，并且属于一种强功率辐射器。换能器的全部压电陶瓷片均采用并联的方式进行电学连接，根据压电陶瓷片的极化方向，正极连接成一路，负极连接成一路，通过引线连接至外激励源。水声换能器结构简单、制作方便、性能稳定，是性能优异的轻小型水下声源，同时为各类声纳装备中的密布式低频阵列的实现提供可能。级联式压电陶瓷水声换能器，通过结构设计，得以在保持换能器低频特性的前提下，大幅降低换能器的尺寸和重量，并优化其电声性能，从而满足实际应用中的特殊需求。附图说明下面结合附图和实施方式对本专利技术一种级联式压电陶瓷水声换能器作进一步详细说明。图1为本专利技术级联式压电陶瓷水声换能器示意图。图2为本专利技术级联式压电陶瓷水声换能器的级联单元结构示意图。图3为本专利技术压电陶瓷水声换能器的前辐射头和压电晶堆连接关系示意图。图4为本专利技术压电陶瓷水声换能器的配重壳体结构示意图。图中1.前辐射头2.密封圈3.级联单元4.弯曲圆盘5.绝缘垫片6.电极片7.压电陶瓷片8.防水罩9.尾质量块10.输出电缆线11.配重壳体12.预应力螺栓13.弹簧垫片14.绝缘套管15.压电晶堆16.紧固螺栓17.电极连线具体实施方式本实施例是一种级联式压电陶瓷水声换能器。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种级联式压电陶瓷水声换能器，包括前辐射头、级联单元、配重壳体和输出电缆线，其特征在于:配重壳体包括防水罩、尾质量块和紧固螺栓；级联单元包括弯曲圆盘、压电晶堆、弹簧垫片和预应力螺栓；压电晶堆包括绝缘垫片、电极片、压电陶瓷片、绝缘套管和电极连线；所述前辐射头和配重壳体分别位于换能器两端，所述前辐射头为喇叭型结构，前辐射头口端向外有利于声能量向外辐射，前辐射头喉部有周向沟槽用以安装密封圈，密封圈与防水罩紧密配合形成水密结构，前辐射头的喉部通过预应力螺栓与级联单元连接；/n所述级联单元为多个，级联单元串接成一体位于前辐射头与配重壳体中间，每个级联单元由两组压电晶堆并排设置，并通过预应力螺栓与弯曲圆盘紧密连接,每组压电晶堆由偶数个压电陶瓷片按正、反极化方向电学并联、机械串联粘接而成，防水罩与尾质量块通过紧固螺栓连接，输出电缆穿过配重壳体与压电晶堆的电极连线相连至外激励源；/n所述压电晶堆由中间带孔的压电陶瓷片粘接而成，相邻压电陶瓷片极化方向相反，中间夹有电极片，压电晶堆的两端各有绝缘垫片，压电晶堆通过导电胶粘接，并通过套有绝缘套管的预应力螺栓分别连接在弯曲圆盘、前辐射头或尾质量块上，压电晶堆则通过预应力螺栓沿正交的直径方向固定，各级联单元的交错串接，压电晶堆按压电陶瓷片的极化方向引出两个电极连线与输出电缆相连。/n...

【技术特征摘要】
1.一种级联式压电陶瓷水声换能器，包括前辐射头、级联单元、配重壳体和输出电缆线，其特征在于:配重壳体包括防水罩、尾质量块和紧固螺栓；级联单元包括弯曲圆盘、压电晶堆、弹簧垫片和预应力螺栓；压电晶堆包括绝缘垫片、电极片、压电陶瓷片、绝缘套管和电极连线；所述前辐射头和配重壳体分别位于换能器两端，所述前辐射头为喇叭型结构，前辐射头口端向外有利于声能量向外辐射，前辐射头喉部有周向沟槽用以安装密封圈，密封圈与防水罩紧密配合形成水密结构，前辐射头的喉部通过预应力螺栓与级联单元连接；
所述级联单元为多个，级联单元串接成一体位于前辐射头与配重壳体中间，每个级联单元由两组压电晶堆并排设置，并通过预应力螺栓与弯曲圆盘紧密连接,每组压电晶堆由偶数个压电陶瓷片按正、反极化方向电学并联、机械串联粘接而成，防水罩...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕舵，李亚天，朱宁，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61