[發明專利]一種收發共用型寬帶拼鑲圓環換能器及其制備方法

有效

• 申請號: 201310320206.8
• 申請日: 2013-07-26
• 公開（公告）號: CN103400574A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 劉繼伍;夏鐵堅;熊省軍;徐余;孫好廣;羅瀧;姚紀元
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七一五研究所
• 主分類號: G10K9/122
• 分類號: G10K9/122;H04B13/02
• 代理公司: 杭州九洲專利事務所有限公司 33101
• 代理人: 陳健

技術領域

本發明涉及水聲換能器技術領域，具體涉及一種用于水聲MODEM的收發共用型寬帶換能器及其制備方法。

背景技術

水聲通信帶寬資源十分有限，其中水下發射換能器的工作帶寬為主要制約因素之一。努力拓寬發射換能器的帶寬，有利于提高通信速率。對于水聲網絡通信而言，水平方向通信比水深方向更普遍，水平指向性均勻、具有一定垂直波束寬度的寬帶換能器，有利于抑制來自海底海面反射的多途信號，提高通信效率。水下通信機靠電池供電，能量利用率是通信機性能高低的指標之一，水聲MODEM系統必須考慮低功耗設計，可通過提高換能器電聲轉換效率的措施來降低發射功耗。小阻抗相角的換能器有利于降低發射機元器件大小，使水聲MODEM小型化。因此，需要研制出一種更寬帶寬、更高電聲轉換效率、更小阻抗相角的用于水聲MODEM的換能器。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的缺點和不足，充分利用壓電陶瓷環徑向模態與彎曲模態的耦合，來獲得良好的寬帶收發性能；并可進一步延伸為利用不同內徑、不同高度的陶瓷環進行同軸組合，水密封裝成更寬帶寬、更窄垂直波束寬度的換能器；利用了直徑相同、高度不同的兩個拼鑲陶瓷圓環同軸組合，研制出一種空氣背襯式收發共用型寬帶高效率拼鑲圓環換能器。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種收發共用型寬帶拼鑲圓環換能器，其特征在于：主要包括短壓電陶瓷圓環、長壓電陶瓷圓環、襯環、下去耦圈、上去耦圈、金屬基座、蓋板、螺桿、水密透聲層、引出電纜、空氣腔、壓電元件、金屬電極、絕緣材料、預應力絲；沿切向極化的壓電元件和金屬電極用粘結劑拼裝成長短兩個陶瓷整圓環，陶瓷整圓環內部為空氣腔，金屬電極設置在陶瓷圓環的內部，并以正、負極性間隔排布，在電路上并聯；兩個陶瓷整圓環外表面用絕緣材料纏繞包覆，并在絕緣材料外再纏繞預應力絲，在烘箱中固化為短壓電陶瓷圓環和長壓電陶瓷圓環；襯環起定位與去耦作用，下去耦圈將短壓電陶瓷圓環的振動與蓋板隔離開，上去耦圈將短壓電陶瓷圓環的振動與金屬基座隔離開，螺桿將金屬基座與蓋板緊固在一起，換能器外部包覆有水密透聲層，防止水介質進入換能器內部。

作為優選，所述的壓電陶瓷圓環由50件梯形壓電元件和50件厚度為0.2mm的矩形銅電極組成，長壓電陶瓷圓環尺寸為外徑130mm、內徑110mm、高度70mm，短壓電陶瓷圓環尺寸為外徑130mm、內徑110mm、高度60mm。

作為優選，所述的陶瓷整圓環外表面纏繞包覆的絕緣材料選用環氧玻璃布帶，絕緣材料外纏繞的預應力絲選用碳纖維絲。

如上所述的一種收發共用型寬帶拼鑲圓環換能器的制備方法，其特征在于：具體包括如下步驟：

步驟一：壓電陶瓷圓環尺寸的選定：直徑相同、高度不同壓電陶瓷環，其徑向諧振頻率基本相同，彎曲諧振頻率隨高度的變化較大，使工作頻帶內從低頻到高頻分別為壓電陶瓷圓環的徑向諧振頻率、長壓電陶瓷圓環的彎曲諧振頻率和短壓電陶瓷圓環的彎曲諧振頻率，并根據工作頻率內的響應起伏要求，確定雙諧振壓電陶瓷圓環的具體尺寸；

步驟二：陶瓷環的拼裝：將壓電陶瓷元件和金屬電極粗化處理、清潔后，在裝配夾具的輔助下，用粘結劑粘接到一起，拼裝成一個壓電陶瓷整圓環，所有壓電元件在電路上并聯聯接，然后在陶瓷圓環外表面用絕緣材料包覆，并在絕緣材料外再纏繞預應力絲等，最后將壓電陶瓷圓環放入烘箱中固化；

步驟三：水密：按順序將下去耦圈、短壓電圓環、襯環、長壓電圓環和上去耦圈裝入金屬基座上，兩壓電圓環電路上并聯后與水密電纜焊接在一起，然后水密成型；

步驟四：根據具體使用要求，在垂直高度允許的范圍內，可采用2個以上不同高度的壓電陶瓷圓環，形成帶寬更寬、垂直波束更窄的收發共用型換能器。

本發明的優點在于：

一、本發明結構簡單、工藝可靠、電聲轉換效率高、接收靈敏度高、垂直波束寬度和帶寬可根據需要調整。

二、本發明通過基元在垂直方向的高度擴展設計，可以得到帶寬更寬、垂直波束寬度更窄的收發共用型換能器。

附圖說明：

圖1收發共用型寬帶高效率拼鑲圓環換能器結構示意圖；

圖2單個拼鑲圓環的結構示意圖；

附圖標記說明：短壓電陶瓷圓環1、長壓電陶瓷圓環2、襯環3、下去耦圈4、上去耦圈5、金屬基座6、蓋板7、螺桿8、水密透聲層9、引出電纜10、空氣腔11、壓電元件12、銅電極13、環氧玻璃布帶14、碳纖維絲15。

具體實施方式

下面結合具體實施例子和附圖對本發明做進一步的描述：