[發(fā)明專利]一種非等厚匹配層壓電振子及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711317542.1
• 申請日: 2017-12-12
• 公開（公告）號: CN108054275B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王麗坤;秦雷;張彥軍;仲超
• 申請（專利權(quán)）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: H01L41/083
• 分類號: H01L41/083;H01L41/33
• 代理公司: 北京君尚知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11200
• 代理人: 邱曉鋒

本發(fā)明涉及一種非等厚匹配層壓電振子及其制備方法。該非等厚匹配層壓電振子包括壓電材料以及覆在所述壓電材料表面的非等厚匹配層。壓電材料表面為平面或曲面，壓電材料表面的不同位置處的匹配層厚度呈連續(xù)變化。非等厚匹配層的厚度優(yōu)選為0.8λ/4～1.2λ/4。該制備方法包括：將壓電材料置于非等厚灌注模具內(nèi)；在非等厚灌注模具內(nèi)灌注匹配層材料；灌注的匹配層材料固化成型并脫模，得到非等厚匹配層壓電振子。本發(fā)明彌補了現(xiàn)有等厚度匹配層的換能器發(fā)射電壓響應起伏較大的缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)換能器帶寬的擴展及減小發(fā)射電壓響應起伏。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水聲探測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非等厚匹配層壓電振子及其制備方法，將其應用于換能器中實現(xiàn)發(fā)射和接收水聲信號從而實現(xiàn)水中探測。

背景技術(shù)

眾所周知聲波是開發(fā)利用海洋資源的重要手段，這是因為聲波在水中的傳播距離較光、電磁波等遠得多。人們利用聲波這種信息載體研制了對水下目標實現(xiàn)探測、定位、識別和通信的電子設(shè)備—聲納。按規(guī)定的信號形式激發(fā)產(chǎn)生聲波和不失真地感知與接收水中聲波信號的重要器件被稱為聲納換能器，也叫水聲換能器，它是將電信號與水聲信號進行相互轉(zhuǎn)換的器件，是水下通信導航、水產(chǎn)漁業(yè)、海洋資源開發(fā)、海洋地質(zhì)地貌探測等領(lǐng)域應用的重要器件。換能器通常由壓電振子及其支撐結(jié)構(gòu)、防水透聲殼層、電纜等組成。其中壓電振子的性能決定了換能器的總體性能，因此壓電振子的設(shè)計結(jié)構(gòu)在換能器的研制中致關(guān)重要。

在換能器的發(fā)展進程中，寬帶換能器近年來成為了國內(nèi)外研究的重要方向。相對于窄帶換能器，寬帶換能器有諸多優(yōu)勢。第一，寬帶換能器在傳輸中更能保持信號的完整性和準確性，可以不失真的傳輸信號，而窄帶換能器的信號波形容易畸變；第二，寬帶換能器能夠提高通訊的可靠性和保密性、降低誤碼率。例如，在軍事領(lǐng)域多頻聲制導魚雷與單頻聲制導魚雷相比，不僅提高了抗干擾能力,也大大提高了命中率。用寬帶合成孔徑聲納，可以提高測繪速率，在一定程度上也可減少運動誤差帶來的影響。在民用領(lǐng)域，寬帶換能器被廣泛應用于醫(yī)療超聲，受到醫(yī)學界普遍重視和歡迎。

針對這些迫切需求，國內(nèi)外都大力加強了新型寬帶換能器的研究，并取得了顯著成效，形成了兩種拓展帶寬方法：一種是降低敏感材料本身的機械品質(zhì)因數(shù)(Q_m值)來拓展帶寬；另一種是利用多模態(tài)耦合來拓展帶寬。但是，降低材料本身的機械品質(zhì)因數(shù)會導致?lián)Q能器的靈敏度降低，因此通過降低Q_m值來拓展帶寬的能力有限。多模耦合是進一步擴展帶寬的有效方法，一種具體的實現(xiàn)方法是添加匹配層。匹配層技術(shù)是在換能器壓電材料的聲輻射面與水介質(zhì)之間增加一層特性阻抗介于壓電材料和水之間的材料，使得壓電元件產(chǎn)生的振動波通過匹配層最大限度的傳送到水中，此外匹配層還應兼有拓展換能器帶寬，以及抑制換能器發(fā)送電壓響應在工作頻帶和波束開角內(nèi)的起伏的功效。匹配層有兩方面的作用：其一是提高聲能透過率，其二是用它被覆在壓電材料表面以產(chǎn)生雙模振動，通過雙頻諧振的耦合來拓寬換能器工作頻帶。

1、高頻匹配層陶瓷換能器。中國科學院聲學所東海研究站的童暉等人(童暉,周益明,王佳麟,等.高頻寬帶換能器研究[J].聲學技術(shù),2013(6):524-527.)利用等效電路法分析高頻匹配層換能器，其次通過Matlab仿真分析了匹配層材料的密度、聲速、厚度變化對換能器電聲參數(shù)性能的影響，進而對其電聲性能進行優(yōu)化設(shè)計，最終制作出一個直徑55mm、總厚度為 7.72mm的高頻寬帶換能器。通過實驗測得結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，實驗測得換能器的最大發(fā)送電壓響應為178dB，工作頻帶為260～370kHz，帶內(nèi)發(fā)送電壓響應起伏為3dB，300kHz 時換能器指向性-3dB開角為6.5°。

2、高頻寬帶圓柱換能器。第七一五研究所的鐘琴琴等人(鐘琴琴,唐義政,唐軍,仲林建. 一種高頻寬帶大尺寸的圓柱換能器的設(shè)計方法[J].聲學與電子工程,2012,(02):19-21.)利用拼接陶瓷顆粒并采用匹配層的技術(shù)方法，制備了收發(fā)共用型高頻寬帶大尺寸圓柱換能器。其工作頻率范圍在100kHz±30kHz，發(fā)射響應值大于145dB，80kHz水平指向性起伏小于3dB，但90kHz水平指向性起伏超出3dB。