一种用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件及其制备方法。该敏感元件包括至少两个敏感模块，各敏感模块自内向外依次套接，各敏感模块的厚度自内向外依次减小，各敏感模块之间设有柔性材料层；每个敏感模块包含带基底的压电小柱阵列，以及固定安装在压电小柱阵列的上表面的金属板，所述压电小柱阵列中压电小柱之间的缝隙内填充空气。利用该敏感元件，可进一步制作水声换能器。本发明专利技术将压电小柱中填充的聚合物更换为空气，可使换能材料获得高机电耦合系数和接收灵敏度，并通过多频叠加的方式展宽带宽。

【技术实现步骤摘要】
一种用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件及其制备方法
本专利技术属于压电材料、水声换能器
，具体涉及一种用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的压电材料和空气组成的敏感元件及其制备方法。
技术介绍
目前水声换能器的研究主要集中在以下几个方面：(1)进一步降低工作频率(这主要是针对低频换能器)，增大发射声功率，以增加换能器发、收声波的传播距离。(2)拓展换能器的工作带宽。(3)提高换能器的灵敏度，即提高换能器的机电转换性能，也就是提高发射电压响应和接收灵敏度。提高发射电压响应可以增加换能器发射声波的能力，提高接收灵敏度可以提高对微弱信号(如静音潜艇)的探测能力。下面针对换能器带宽和灵敏度两个方面进行说明。目前，国内外拓展换能器带宽主要有两个途径：(1)复合材料；(2)多模耦合技术(包括帖覆匹配层)。压电复合材料由压电材料与聚合物复合而成，它主要通过添加聚合物相来提高材料的综合性能。典型的压电复合材料采用切割陶瓷-浇注聚合物方法制备，即将压电陶瓷切割成小柱阵列，在小柱阵列间加入柔性聚合物(如环氧树脂、橡胶等)制成复合材料。压电复合材料有如下优点：①柔性大；②厚度机电耦合系数高；③带宽大；④振动模态纯净；⑤声阻抗小(易于和水介质匹配)。压电复合材料的研究目前在国际上异常活跃，高频声呐普遍采用它，如前视避碰声呐、成像声呐、浅海地形声呐等。换能器的多模耦合振动拓宽频带的基础是多模态耦合理论。对于一个换能器，其振动系统通常存在多个谐振频率(多个模态)，当系统中两种或两种以上的振动模态的频率相互靠近，其对应的谐振峰值下降3dB(或6dB)时能够相交而不产生明显的凹谷，则这两种模态将形成双模态振动耦合，频带可展宽。合理设计换能器振动元件的结构参数，使其产生两种或两种以上的振动模态并相互耦合，可以达到拓展带宽的目的。提高换能器的灵敏度，主要是通过提高换能器的机电转换效率，换能器发射电压响应和接收灵敏度都反映了机电转换效率的高低。机电转换效率正比于机电耦合系数的平方，提高机电转换效率最终落在提高机电耦合系数上。提高机电耦合系数是换能器研究方面永远追求的目标，也是国际上换能器研究领域所面临的难点。对所有压电材料来说，纵向伸缩振动模态的机电耦合系数k33都大于厚度振动模态的机电耦合系数kt。所以，如能将压电材料的厚度振动模态转化为纵向伸缩振动模态，其机电耦合系数将会得到提高。研究者们意识到，复合材料内部压电材料的振动模态是影响复合材料性能的主要因素。例如，1-3型压电复合材料就是通过将整块压电材料的厚度振动转化为许多压电小柱的纵向伸缩振动，来提高性能的。通过改变材料的振动模态，1-3型压电复合材料等效厚度机电耦合系数会比纯压电材料厚度机电耦合系数提升约20％。通过对各种复合材料的研究，大家基本倾向于使用1-3型和1-3-2型压电复合材料。因为它们具有制备工艺简单、压电性强、机电耦合系数大的特点。总之，通过复合材料，可以将压电材料的厚度振动模态转变为压电小柱的纵向伸缩振动模态，提高机电耦合系数，从而提高换能器的灵敏度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高频宽带高灵敏平面水声换能器，拓宽换能器的带宽、提高机电耦合系数、提高换能器的灵敏度是本专利技术研究的主要问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件，包括至少两个敏感模块，各敏感模块自内向外依次套接，各敏感模块的厚度自内向外依次减小，各敏感模块之间设有柔性材料层；每个敏感模块包含带基底的压电小柱阵列，以及固定安装在压电小柱阵列的上表面的金属板，所述压电小柱阵列中压电小柱之间的缝隙内填充空气。进一步地，所述柔性材料层为硅橡胶，通过硅橡胶将各敏感模块粘接在一起。进一步地，所述带基底的压电小柱阵列采用的压电材料为压电陶瓷或压电单晶。进一步地，所述敏感模块的外形为正方形、长方形、圆形、方环形和圆环形等。进一步地，所述基底的下表面镀有电极。一种制备所述用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件的方法，包括以下步骤：沿着X方向切割已在厚度方向极化的上下表面镀有电极的压电材料片；沿着Y方向切割压电材料片，形成带基底的压电小柱阵列；在压电小柱阵列的上表面粘接金属板，形成敏感模块；将至少两个敏感模块拼接在一起，各敏感模块自内向外依次套接，各敏感模块的厚度自内向外依次减小，各敏感模块之间设置柔性材料层。进一步地，所述柔性材料层为硅橡胶，通过硅橡胶将各敏感元件单元粘接在一起。一种水声换能器，其包括权所述用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件，所述敏感元件的上下表面引出电极引线，所述敏感元件的下表面粘接吸声层和金属后盖板，所述敏感元件、吸声层和金属后盖板外部设有防水透声层。进一步地，所述吸声层为硬质泡沫，所述金属后盖板的材质为不锈钢，所述防水透声层采用聚氨酯胶封并固化形成。本专利技术将压电小柱缝隙中填充的聚合物更换为空气，可使换能材料获得高机电耦合系数和接收灵敏度，其优点和有益效果为：(1)在宏观上，可以避免整块材料非厚度振动模态的存在，使厚度振动模态变得单纯，提高有效机电耦合系数。(2)由压电小柱构成的整块材料的厚度振动体现为压电小柱的纵振的集体行为，即压电材料的机电耦合系数由kt转变为k33，提高了机电耦合系数，从而可提高换能器的发射电压响应和接收灵敏度。(3)通过上表面的金属板，将声场中的声压传递到压电小柱上，起到应力放大作用，进一步提高换能器的接收灵敏度。(4)通过多频叠加(多模块信号叠加)的方式展宽带宽。本专利技术结构的换能器有助于提高我国高频声呐的探测精度，特别是接收声呐的接收灵敏度。附图说明图1是“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构示意图。图2是“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构的敏感元件制备过程示意图。图3是四个模块拼接构成的整体敏感元件示意图，其中(a)图是背面图，(b)图是正面图，(c)图是盖金属板(如薄铜板)后的示意图。图4是四个模块的频谱示意图。图5是四个模块叠加起来的频谱示意图。图6是厚度不同的四个模块拼接起来的三维爆炸图。图7是换能器的封装结构示意图。图8是制作完成后的换能器外形示意图。图9是制作完成后的换能器剖面图。图10是一个压电小柱单元1/4结构图。图11是带铜盖板的压电小柱阵列结构的电导曲线图。图12是带金属盖板的压电小柱阵列结构在谐振处的振动位移图，其中(a)图是振动相位角θ为0°的情况，(b)图是振动相位角θ为180°的情况。图13是“添加环氧树脂的PZT小柱阵列结构”换能器的发送电压响应和接收灵敏度图。其中(a)图是发送电压响应，(b)图是接收灵敏度。图14是“不添加聚合物的PZT小柱阵列结构”换能器的发送电压响应和接收灵敏度图，其中(a)图是发送电压响应，(b)图是接收灵敏度。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件，其特征在于，包括至少两个敏感模块，各敏感模块自内向外依次套接，各敏感模块的厚度自内向外依次减小，各敏感模块之间设有柔性材料层；每个敏感模块包含带基底的压电小柱阵列，以及固定安装在压电小柱阵列的上表面的金属板，所述压电小柱阵列中压电小柱之间的缝隙内填充空气。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件，其特征在于，包括至少两个敏感模块，各敏感模块自内向外依次套接，各敏感模块的厚度自内向外依次减小，各敏感模块之间设有柔性材料层；每个敏感模块包含带基底的压电小柱阵列，以及固定安装在压电小柱阵列的上表面的金属板，所述压电小柱阵列中压电小柱之间的缝隙内填充空气。


2.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述柔性材料层为硅橡胶，通过硅橡胶将各敏感模块粘接在一起。


3.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述带基底的压电小柱阵列采用的压电材料为压电陶瓷或压电单晶。


4.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述敏感模块的外形为下列中的一种：正方形、长方形、圆形、方环、圆环。


5.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述基底的下表面镀有电极。


6.一种制备权利要求1所述用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
沿着X方向切割已...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏伟，黄启国，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11