[發明專利]一種基于球冠形壓電復合材料的換能器及其制作方法

在審

• 申請號: 201710049617.6
• 申請日: 2017-01-23
• 公開（公告）號: CN108339728A
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發明（設計）人: 夏金東;黃海寧;張春華
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 王宇楊;楊青

本發明提供了一種基于球冠形壓電復合材料的換能器及其制作方法，所述的換能器包括壓電復合材料(2)和兩根電極線(4)；所述壓電復合材料(2)呈球冠形結構，所述的球冠形結構由壓電陶瓷圓片切割成的若干個壓電陶瓷小柱(7)粘結而成，該球冠形結構的內、外表面鍍有正負電極；兩根電極線(4)的一端分別焊接于正負電極上，并從換能器內引出兩根電極線(4)的另一端。利用本發明中具有球冠形結構的壓電陶瓷復合材料制備得到的換能器，能夠滿足大功率輻射的要求，這種球冠形壓電復合材料結構設計模式，克服了整體球冠振動模態復雜、指向性混亂、能量輸出小的缺點，而采用小柱壓電復合材料單一振動模式，能夠實現所需要形狀的等幅同相振動。

技術領域

本發明涉及球錐形波束壓電復合材料換能器，具體涉及一種基于球冠形壓電復合材料的換能器及其制作方法。

背景技術

目前，換能器或基陣是空氣聲、水聲探測領域設備中的重要部件。換能器的性能往往影響著系統總體的性能。在空氣聲中，往往需要對聲源進行定位和目標探測，球形或球冠形的換能器或基陣不僅定位準確而且具有探測距離長、搜索范圍廣的優點；在水聲探測領域，尤其是在水下成像聲納中，因為球形或球冠形的換能器或基陣在海底測繪、水下工程勘測、水下目標探測以及水下設施檢測等方面具有廣泛而重要的應用前景，所以備受關注。對于高頻高分辨成像聲納來說，換能器或基陣約束了聲納的基本性能，對于發射基陣，發射波束寬度與發射聲源級是互相約束的，發射波束越寬(成像觀測范圍越大)，基陣有效輻射面積越小，聲源級越低(探測作用距離越近)，而球冠形換能器或基陣是解決這一問題的有效途徑之一。

對于高頻球冠形換能器或基陣，不僅在設計上需要理論分析和數值計算，而且在制作上也需要特殊工藝。對于幾百千赫茲高頻率換能器往往是利用壓電陶瓷本身的振動頻率來實現的，而球冠形換能器如果采用整體球冠來實現，只能利用其厚度振動模式，但是球冠的厚度振動模式復雜，無法實現球面同相等幅振動，所以也就無法實現預期的目標。為了實現球冠高頻等幅同相振動，利用壓電小振子的縱向振動模式形成整體球冠是一種有效的方式。實現高頻壓電振子的單一縱振模態必須滿足一定的長寬比，而且對于高頻來講，根據半波長諧振理論，頻率越高，振子諧振長度越小，而寬度又小于長度，所以頻率越高，壓電振子的體積越小。小體積的壓電振子如果要形成球冠，采用普通的設計方式很難實現。

發明內容

本發明的目的在于，針對上述高頻球冠換能器及基陣實現工藝的特殊要求，在總結以往高頻換能器研制及壓電復合工藝制備的基礎上，本發明提供了一種基于球冠形壓電復合材料的換能器及其制作方法，該換能器的核心器件是球冠形壓電復合材料，采用改進的壓電復合材料制備方式形成球冠，采用該球冠形壓電復合材料制備的高頻換能器具有良好的空間球錐形指向性。

為了實現上述目的，本發明提供的一種高頻球冠形壓電復合材料的換能器包括：壓電復合材料和兩根電極線；所述壓電復合材料呈球冠形結構，所述的球冠形結構由壓電陶瓷圓片切割成的若干個壓電陶瓷小柱粘結而成，該球冠形結構的內、外表面鍍有正負電極；兩根電極線的一端分別焊接于正負電極上，并從換能器內引出兩根電極線的另一端。

作為上述技術方案的進一步改進，還包括聚氨酯硬質泡沫和背板；所述球冠形結構的內表面貼附并固定于聚氨酯硬質泡沫的頂面，所述背板固定于聚氨酯硬質泡沫的底面；所述的球冠形壓電復合材料可通過704硅膠粘接在泡沫上；所述的電極線貫穿聚氨酯硬質泡沫與背板，并從背板底部引出。

作為上述技術方案的進一步改進，所述換能器的外表面涂覆有聚氨酯橡膠，可通過灌注模具把安裝好的球冠形壓電復合材料、泡沫和背板包覆起來，形成換能器。

作為上述技術方案的進一步改進，所述球冠形結構的半徑為100mm，其對應的圓心角為60°，所述壓電陶瓷小柱的外表面呈方形，其尺寸為2.5mm×2.5mm，該壓電陶瓷小柱的厚度為4.8mm，任意相鄰的兩個壓電陶瓷小柱的縫隙寬度為0.5mm。

作為上述技術方案的進一步改進，所述球冠形結構的表面及任意相鄰的兩個壓電陶瓷小柱的縫隙內均涂覆有抽真空處理后的環氧膠。