基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，包括背衬、有源材料层、均匀匹配层、梯度匹配层和防水透声层；背衬、有源材料层、均匀匹配层、梯度匹配层和防水透声层依次设置；背衬与有源材料层紧固连接；均匀匹配层与有源材料层紧固连接；梯度匹配层与均匀匹配层紧固连接；防水透声层与梯度匹配层紧固连接；梯度匹配层包括梯度匹配层框架和填充圆锥，梯度匹配层的特性阻抗值在声传播方向上呈指数衰减变化。本发明专利技术提供的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器解决了压电材料与水之间阻抗失配导致透射效率低而无法实现换能器在水中发射高频宽带信号的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器
本专利技术涉及水声换能器领域，具体地，涉及基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器。
技术介绍
随着声纳系统中水声信号处理技术的不断发展以及海洋开发的日益深入，高频声纳越来越受到重视。高频声纳常需要宽带工作，高频宽带声纳，一方面能获取目标更多的信息特征，提高对目标的探测效果；另一方面还可以选频工作，有效避免协同作战时的同频干扰。高频宽带水声换能器是高频宽带声纳信号产生和获取的基础。因此高频换能器的宽带特性是目前重要的研究方向之一。高频宽带水声换能器实现的主要困难在于压电材料(声阻抗35MRayls左右)与水(声阻抗1.5MRayls)之间的阻抗失配降低了换能器在水中的透射效率，传统的单层或双层均匀匹配层换能器不能很好的实现阻抗的过渡，因而无法实现换能器在水中的高频宽带信号发射。专利文献CN203787081U公开了一种水声换能器，包括压电复合材料片、背衬、电极引线、外壳、保护层、边条和金属板。其技术方案的不足之处在于压电复合材料片和水之间的阻抗失配，降低了换能器在水中的透射效率，无法实现换能器在水中的高频宽带信号发射。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器。根据本专利技术提供的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，包括背衬、有源材料层、均匀匹配层、梯度匹配层和防水透声层；背衬、有源材料层、均匀匹配层、梯度匹配层和防水透声层依次设置；背衬与有源材料层紧固连接；均匀匹配层与有源材料层紧固连接；梯度匹配层与均匀匹配层紧固连接；防水透声层与梯度匹配层紧固连接；梯度匹配层包括梯度匹配层框架和填充圆锥，梯度匹配层的特性阻抗值在声传播方向上呈指数衰减变化。优选地，梯度匹配层框架为设置有均布圆锥形空间的矩形结构；填充圆锥填充在梯度匹配层框架的圆锥形空间内。优选地，多个填充圆锥紧密排列在梯度匹配层框架内部且排列方向一致；填充圆锥底部设置在均匀匹配层一侧；填充圆锥顶部设置在防水透声层一侧；填充圆锥的材料声速与梯度匹配层框架的材料声速相同。优选地，有源材料层、均匀匹配层和梯度匹配层的特性阻抗值具有如下关系：其中，Z0为均匀匹配层的特性阻抗值；Zp为有源材料层的特性阻抗值；Z1为填充圆锥底面的特性阻抗值，即梯度匹配层(4)高阻抗端特性阻抗值。优选地，梯度匹配层采用声阻抗梯度匹配层材料，材料的特性阻抗值Z满足如下公式：Z＝ρc其中，ρ为密度；c为梯度匹配层的声速；声阻抗梯度匹配层材料在声传播方向保持声速c不变仅改变密度ρ实现特性阻抗值Z的变化。优选地，梯度匹配层的特性阻抗值Z(x)满足如下公式：Z(x)＝Z1e2αx其中，Z2为填充圆锥顶点面的特性阻抗值，即梯度匹配层(4)低阻抗端特性阻抗值；d为梯度匹配层的厚度，d大于等于波长λ的一半；x方向为声波传播方向，即从均匀匹配层到防水透声层的方向；α为衰减系数；梯度匹配层的特性阻抗值Z(x)按照Z(x)＝Z1e2αx在声波传播方向上指数衰减变化。优选地，梯度匹配层框架通过3D打印制成。优选地，背衬与有源材料层通过导电胶粘接。优选地，有源材料层、均匀匹配层和梯度匹配层通过压力机施加压力无缝粘接。优选地，背衬的材料为声阻抗值远低于有源材料层的特性阻抗值的反声或者吸声材料。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、通过设置特性阻抗值在声传播方向上呈指数衰减变化的梯度匹配层，实现了压电材料与水之间阻抗的过渡，解决了压电材料与水之间阻抗失配导致透射效率低而无法实现换能器在水中发射高频宽带信号的问题；2、通过在梯度匹配层框架内设置均布且紧密排列的填充圆锥，实现了梯度匹配层在声传播方向上呈指数衰减变化的特性阻抗值，解决了压电材料与水之间阻抗失配的问题；3、通过压力机施加压力对有源材料层、均匀匹配层和梯度匹配层进行无缝粘接，减少胶水带来的透射损失。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器的结构示意图；图2为梯度匹配层的结构示意图；图3为基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器的发送电压响应曲线图。图中：具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例图1～图3为本专利技术提供的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器的示意图。根据本专利技术提供的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，如图1所示，包括背衬1、有源材料层2、均匀匹配层3、梯度匹配层4和防水透声层5。背衬1、有源材料层2、均匀匹配层3、梯度匹配层4和防水透声层5依次设置。背衬1与有源材料层2通过导电胶紧固粘接。均匀匹配层3与有源材料层2紧固连接，梯度匹配层4与均匀匹配层3紧固连接，防水透声层5与梯度匹配层4紧固连接，有源材料层2、均匀匹配层3和梯度匹配层4通过压力机施加压力依次无缝粘接，这能够减少胶水带来的透射损失。背衬1的材料为声阻抗值远低于有源材料层2的特性阻抗值的反声或者吸声材料，优选地，背衬1采用硬质聚氨酯泡沫，其阻抗值为0.6MRayls，背衬1能够对来自高频宽带水声换能器背部方向的声波或者来自有源材料层2的声波进行反声或者吸声，防止产生背部信号干扰。有源材料层2是高频宽带水声换能器的核心部件，有源材料层2用于确定水声换能器的谐振频率，实现多种带宽的电压响应发射并形成所需的指向性等。优选地，根据谐振频率100kHz和发送电压响应带宽大于80％的设计指标，本实施例中的压电陶瓷晶片材料选用PZT-4，根据公式初步计算压电陶瓷晶片厚度为15mm，利用有限元软件仿真计算规格的压电陶瓷的切割间距为2.8mm，刀片厚为0.8mm，设计为1-3型压电复合材料，有源材料层2的特性阻抗值为17MRayls。均匀匹配层3用于对有源材料层2和梯度匹配层4之间的声阻抗过渡。均匀匹配层3的厚度为波长λ的四分之一，有源材料层2、均匀匹配层3和梯度匹配层4的特性阻抗值具有如下关系：其中，Z0为均匀匹配层3的特性阻抗值，Zp为有源材料层2的特性阻抗值，Z1为填充圆锥7底面的特性阻抗值，即梯度匹配层4高阻抗端特性阻抗值，优选地，本实施例中均匀匹配层3的特性阻抗值Z0为11.7MRayls，实现有源材料层2和梯度匹配层4之间的声阻抗过渡。梯度匹配层4用于进一步实现均匀匹配层3与水之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，包括背衬(1)、有源材料层(2)、均匀匹配层(3)、梯度匹配层(4)和防水透声层(5)；/n所述背衬(1)、有源材料层(2)、均匀匹配层(3)、梯度匹配层(4)和防水透声层(5)依次设置；/n所述背衬(1)与有源材料层(2)紧固连接；/n所述均匀匹配层(3)与有源材料层(2)紧固连接；/n所述梯度匹配层(4)与均匀匹配层(3)紧固连接；/n所述防水透声层(5)与梯度匹配层(4)紧固连接；/n所述梯度匹配层(4)包括梯度匹配层框架(6)和填充圆锥(7)，梯度匹配层(4)的特性阻抗值在声传播方向上呈指数衰减变化。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，包括背衬(1)、有源材料层(2)、均匀匹配层(3)、梯度匹配层(4)和防水透声层(5)；
所述背衬(1)、有源材料层(2)、均匀匹配层(3)、梯度匹配层(4)和防水透声层(5)依次设置；
所述背衬(1)与有源材料层(2)紧固连接；
所述均匀匹配层(3)与有源材料层(2)紧固连接；
所述梯度匹配层(4)与均匀匹配层(3)紧固连接；
所述防水透声层(5)与梯度匹配层(4)紧固连接；
所述梯度匹配层(4)包括梯度匹配层框架(6)和填充圆锥(7)，梯度匹配层(4)的特性阻抗值在声传播方向上呈指数衰减变化。


2.根据权利要求1所述的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，所述梯度匹配层框架(6)为设置有均布圆锥形空间的矩形结构；
所述填充圆锥(7)填充在梯度匹配层框架(6)的圆锥形空间内。


3.根据权利要求2所述的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，多个所述填充圆锥(7)紧密排列在梯度匹配层框架(6)内部且排列方向一致；
所述填充圆锥(7)底部设置在均匀匹配层(3)一侧；
所述填充圆锥(7)顶部设置在防水透声层(5)一侧；
所述填充圆锥(7)的材料声速与梯度匹配层框架(6)的材料声速相同。


4.根据权利要求1所述的基于声阻抗梯度匹配层的高频宽带水声换能器，其特征在于，所述有源材料层(2)、均匀匹配层(3)和梯度匹配层(4)的特性阻抗值具有如下关系：



其中，Zo为均匀匹配层(3)的特性阻抗值；
Zp为有源材料层(2)的特性阻抗值；
Z1为填充圆锥(7)底面的特性阻抗值，即梯度匹配层(4)高阻抗端特性阻抗值。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：卞加聪，王艳，沈明杰，赵慧，孙逸来，
申请(专利权)人：上海船舶电子设备研究所中国船舶重工集团公司第七二六研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31