一种复合结构声阻抗梯度匹配层材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及声阻抗材料技术领域，具体涉及一种复合结构声阻抗梯度匹配层材料的制备方法，包括如下：通过在均匀布设有圆锥形通孔的聚合物基体中嵌入有圆锥形高声阻抗材料嵌块的方式，得到声阻抗沿着声学匹配层厚度方向呈连续变化的声阻抗梯度匹配层材料；通过上述方法制备的复合结构声阻抗梯度匹配层材料的声阻抗即为该复合结构材料的密度与声速的乘积，本发明专利技术与现有制备声阻抗梯度匹配层材料技术相比，声阻抗沿着匹配层厚度方向呈连续变化，是严格意义上的声阻抗梯度匹配层材料；制作方法简单可靠，一致性好；声阻抗可以方便的进行精确控制，且声阻抗上限远大于现有技术制备的声阻抗梯度匹配层材料。声阻抗梯度匹配层材料。声阻抗梯度匹配层材料。

【技术实现步骤摘要】
一种复合结构声阻抗梯度匹配层材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及声阻抗材料
，具体涉及一种复合结构声阻抗梯度匹配层材料的制备方法。

技术介绍

[0002]海洋占有地球面积的71％，面积广大的海底蕴藏着丰富的金属、非金属、石油和天然气等矿藏，等待勘探与开采，在广阔的海洋中通过养殖与捕捞还可以获取丰富的动植物资源，这些对海洋的开发与利用行为都离不开海洋探测技术手段的支持。在陆地与水面上进行探测和通讯时，一般是通过电磁波来传递信息。但在水下，电磁波衰减的很快，水下的通讯和探测主要是通过声波。利用声波在水下进行探测和通讯的设备称为声呐，水声换能器是声呐系统最前端的设备，是在水介质中实现声与其他形式能量或信息转换的一类传感器。
[0003]换能器能够在水中发出声波，是利用了压电陶瓷的压电效应，简单来说即在压电陶瓷上施加电场能使其形变，从而发生振动，产生了声波。压电陶瓷的特性阻抗与水介质的特性阻抗相差较大，使得声波由压电陶瓷进入水介质时会发生较大的能量损失，所以在很多应用场景中，需要在压电陶瓷表面外加一种叫做匹配层的声学材料，其功能在于作为压电陶瓷和水介质之间的声阻抗的匹配和过渡，起到增大声波透射能量的作用。匹配层还有另外一项很重要的作用是增加换能器的频带宽度，换能器的带宽是用来衡量有效信号的最大频带宽度。换能器的带宽决定了换能器的收发信息量，带宽越宽，则发射/接收的信息量就越多。带宽窄，会导致换能器传输和接收的信息较少，在应用中会直接影响到信号的处理、图像的合成和缺陷的定位等方面，而声学匹配层可以提高换能器的带宽。所以声学匹配层作为解决阻抗失配问题和增加换能器的频带宽度的关键部件，对换能器的性能会产生直接影响。
[0004]理论上，多层声学匹配层(匹配层的声阻抗值在陶瓷和水之间逐渐过渡)相对单层匹配层可以在更大程度上提高换能器的带宽，并且可以使换能器的声波透射效率进一步提高。但实际上，每增加一层声学匹配层，都带来了工艺上的很多问题，例如粘合难度加大、存在气泡的概率提高等，这些影响因素会导致相对带宽无法达到理论值。现在多层匹配的设计仍是以双层为主，少有超过三层的。所以有人提出了制作声阻抗梯度匹配层(低声阻抗一侧与水匹配，高声阻抗一侧和压电陶瓷匹配)的思路，用以解决上述问题。理想的声阻抗梯度应为介质声阻抗沿着声学匹配层厚度方向呈连续变化，内部没有明显的界面。
[0005]目前关于声阻抗梯度匹配层的研究非常少见，仅见的关于声阻抗梯度匹配层的文献报道中对于声阻抗梯度匹配层的制备方法是采用离心处理的方法。匹配层一般为聚合物基底加粉末填料组成的复合材料，聚合物基底为环氧树脂、硅橡胶、聚氨酯橡胶等低声阻抗值材料，粉末填料为高声阻抗值材料如钨粉、铁粉等金属以及氧化铝、氧化铁、氧化钨、二氧化钛、二氧化硅等氧化物。通过选用声阻抗值不同的填料以及调节填料在匹配层中的体积分数可以达到调节匹配层声阻抗值的目的。理论上通过离心处理，使填料粒子在聚合物基
底中的浓度在垂直方向上呈梯度分布，再经过固化就可以得到声阻抗梯度匹配层材料。但是实际上，通过离心的方法制备声阻抗梯度匹配层的操作难度极大：1、填料粒子在聚合物基底中的运动和粒子密度及粒径、聚合物材料的粘度、离心速度及时间等多种因素有关，填料粒子在聚合物中浓度在垂直方向上呈梯度分布的结果受多种复杂因素影响，难以控制；2、就算得到了填料粒子在聚合物中浓度在垂直方向上呈梯度分布的结果，也难以避免填料粒子在固化过程中的重力沉降从而破坏梯度分布；3、假设上面两个问题都能解决，通过这种方法得到的声阻抗梯度匹配层材料也无法做到声阻抗沿着声学匹配层厚度方向呈连续变化，且无法对声阻抗进行方便、灵活的调节。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种复合结构声阻抗梯度匹配层材料的制备方法，本专利技术与现有制备声阻抗梯度匹配层材料技术相比，声阻抗沿着匹配层厚度方向呈连续变化，是严格意义上的声阻抗梯度匹配层材料；制作方法简单可靠，一致性好；声阻抗可以方便的进行精确控制，且声阻抗上限远大于现有技术制备的声阻抗梯度匹配层材料。
[0007]本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0008]一种复合结构声阻抗梯度匹配层材料的制备方法，包括如下：
[0009]通过在均匀布设有圆锥形通孔的聚合物基体中嵌入有圆锥形高声阻抗材料嵌块的方式，得到声阻抗沿着声学匹配层厚度方向呈连续变化的声阻抗梯度匹配层材料；
[0010]通过上述方法制备的复合结构声阻抗梯度匹配层材料的声阻抗即为该复合结构材料的密度与声速的乘积。
[0011]优选的，假设把该复合结构声阻抗梯度匹配层材料平行于水平方向剖分无数个剖面，则无数个剖面沿厚度方向堆叠起来组成了该复合结构声阻抗梯度匹配层材料。
[0012]优选的，每个剖面的密度和声速是由聚合物基体和高声阻抗嵌块的比例决定的。
[0013]优选的，因此从厚度方向上看，从最底部剖面到最顶部剖面的无数个剖面中，低声阻抗聚合物基体和高声阻抗嵌块的比例是连续变化的，因为聚合物中通孔的形状和高声阻抗嵌块的形状均采用圆锥形结构；
[0014]所以剖面的声阻抗也是连续变化的，所以该方法制备的匹配层材料声阻抗沿着匹配层厚度方向呈连续变化。
[0015]优选的，因为声阻抗是由嵌块和基体组成的复合材料的密度和声速决定的，所以根据选用的高声阻抗嵌块和基体材料的声阻抗，通过计算确定厚度方向上两个端面的聚合物基体和高声阻抗嵌块的比例，达到精确控制材料的声阻抗梯度。
[0016]优选的，由于所述复合结构声阻抗梯度匹配层材料的底面的声阻抗为2.5MRayl，顶面的声阻抗为20MRayl，则该声阻抗梯度匹配层的声阻抗梯度变化范围为2.5MRayl～20MRayl。
[0017]本专利技术的有益效果为：
[0018]本专利技术与现有制备声阻抗梯度匹配层材料技术相比，声阻抗沿着匹配层厚度方向呈连续变化，是严格意义上的声阻抗梯度匹配层材料；制作方法简单可靠，一致性好；声阻抗可以方便的进行精确控制，且声阻抗上限远大于现有技术制备的声阻抗梯度匹配层材料。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为本专利技术聚合物基体的底面正视图；
[0021]图2为本专利技术聚合物基体的顶面正视图；
[0022]图3为本专利技术聚合物基体的立体结构图；
[0023]图4为本专利技术中单个圆锥形高声阻抗材料嵌块的立体结构图；
[0024]图5为本专利技术中装配无数个圆锥形高声阻抗材料嵌块的立体结构图。
[0025]图中：1
‑
聚合物基体、2
‑
圆锥形通孔、3
‑
圆锥形高声阻抗材料嵌块。
具体实施方式
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合结构声阻抗梯度匹配层材料的制备方法，其特征在于：包括如下：通过在均匀布设有圆锥形通孔的聚合物基体中嵌入有圆锥形高声阻抗材料嵌块的方式，得到声阻抗沿着声学匹配层厚度方向呈连续变化的声阻抗梯度匹配层材料；通过上述方法制备的复合结构声阻抗梯度匹配层材料的声阻抗即为该复合结构材料的密度与声速的乘积。2.根据权利要求1所述的一种复合结构声阻抗梯度匹配层材料的制备方法，其特征在于：假设把该复合结构声阻抗梯度匹配层材料平行于水平方向剖分无数个剖面，则无数个剖面沿厚度方向堆叠起来组成了该复合结构声阻抗梯度匹配层材料。3.根据权利要求2所述的一种复合结构声阻抗梯度匹配层材料的制备方法，其特征在于：每个剖面的密度和声速是由低声阻抗聚合物基体和高声阻抗嵌块的比例决定的，因为聚合物中通孔的形状和高声阻抗嵌块的形状均采用圆锥形结构。4.根据权利要求3所述的一种复合结构声阻抗梯度匹配层...

【专利技术属性】
技术研发人员：高远，林金虎，李珺杰，顾晓红，
申请(专利权)人：海鹰企业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：