[發明專利]一種基于壓電單晶材料的低頻大功率發射換能器實現方法

有效

• 申請號: 201611189097.0
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106954120B
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發明（設計）人: 胡青;閆國棟;陳揚威;彭康宜;梅小龍
• 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: H04R1/44
• 分類號: H04R1/44
• 代理公司: 杭州九洲專利事務所有限公司 33101
• 代理人: 陳繼亮

本發明屬于換能器技術領域，具體涉及一種基于壓電單晶材料的低頻大功率發射換能器實現方法，本發明采用單晶材料作為換能器的有源材料，采用聚碳酸酯加工成“田”字形的定位框架，用4塊小單晶片按同一極性嵌入定位框架中，組成一塊大的壓電單晶片，用多塊大壓電單晶片的按傳統方式串接電極片組裝成單晶堆，所有正極用一根導線引出，負極用另一根導線引出，通過小塊拼裝的方式得到大塊的壓電單晶材料。本發明有益的效果：考慮晶堆的負載平衡和最佳工作點的選取，在低頻有效的提高了換能器的發送電壓響應，該換能器具有體積小、頻率低、功率大的優點。

技術領域

本發明屬于換能器技術領域，尤其涉及一種基于壓電單晶材料的低頻大功率發射換能器實現方法。

背景技術

目前聲納技術仍是進行水下目標(潛艇、魚雷和水雷等)遠距離探測的主要手段。隨著潛艇聲隱身技術的發展，傳統的被動聲納探測方法遇到了很大的困難，低頻主動聲納日益成為水下遠程目標探測的主要手段之一。為了提高聲納的作用距離，就需要降低聲納的工作頻率，提高輻射聲功率。

換能器在諧振頻率下輻射的聲功率可寫為其中η_ea為電聲轉化效率，ω_r為機械角頻率，Q_m為機械品質因數，k_e為換能器有效耦合系數，C_f為自由電容量，V為激勵電壓。從公式中看出頻率越低，功率容量越小，但提高換能器的有效耦合系數和自由電容量，可以增加換能器的輻射聲功率。因此有必要采用新型有源材料來設計低頻大功率換能器。與PZT相比，單晶材料具有高的壓電系數、高的介電系數、高的柔順系數、導致其具有高的耦合系數，低的聲速、大的相對形變，因此非常適合用來做寬帶大功率發射換能器。

盡管單晶材料具有一系列優勢，但并不能簡單的用單晶材料直接替換陶瓷材料就能取得好的效果，而必須根據單晶材料的特點進行優化設計，比如最佳工作點的選取、晶堆的負載平衡等都需要仔細考慮。另外，低頻換能器尺寸一般較大，因此有源部分的壓電材料尺寸也較大。目前由于無法生產大片的壓電單晶材料，因此必須采用小塊拼裝的方式得到大塊的壓電單晶材料。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術存在的不足，而提供一種基于壓電單晶材料的低頻大功率發射換能器實現方法，利用單晶材料進一步提高發射換能器的功率，提供一種新的低頻大功率換能器的實現方法，具有體積小、頻率低、功率大的優點。

本發明的目的是通過如下技術方案來完成的。這種基于壓電單晶材料的低頻大功率發射換能器實現方法，所述的換能器主要由單晶堆、端塊、彎張殼體、上蓋板和下蓋板組成，具體包括以下步驟：

步驟一：采用聚碳酸酯加工成“田”字形的定位框架，用4塊小單晶片按同一極性嵌入定位框架中，組成一塊大的壓電單晶片，用多塊大壓電單晶片的按傳統方式串接電極片組裝成單晶堆，所有正極用一根導線引出，負極用另一根導線引出，按同樣的方式完成第2個單晶堆的制作；

步驟二：通過兩個端塊把兩個單晶堆并聯裝配在一起，并通過每個端塊上兩個與壓電單晶片面積相等的凹槽來定位這兩個單晶堆，使兩個單晶堆保持平行；

步驟三：對彎張殼體的短軸施加一定壓力，使殼體產生變形，直至長軸內徑大于兩個端塊之間的距離，把兩個單晶堆與兩個端塊一同裝入彎張殼體內，然后卸去施加在彎張殼體短軸上的壓力，使彎張殼體夾緊兩個端塊及兩個單晶堆；

步驟四：將兩個單晶堆的正極與正極相聯，負極與負極相聯，最后連接在水密接插件的正負極上；

步驟五：采用上蓋板和下蓋板對彎張殼體進行密封，上蓋板、下蓋板與彎張殼體之間均采用軟木橡膠去耦；上蓋板中心位置處裝有水密接插件，用來引出換能器的正負極，上蓋板和下蓋板之間采用4個固定螺桿固定，使換能器成為一個整體。

步驟六：采用整體灌注聚氨酯的方式對換能器進行水密處理，在彎張殼體外形成聚氨酯水密層。