一種施加預應力的疊堆壓電圓管換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種施加預應力的疊堆壓電圓管換能器，包括內襯管，套裝在所述內襯管外部的疊堆多層壓電圓管，以及對所述疊堆多層壓電圓管施加預應力的裝置。本發(fā)明采用多個疊堆壓電圓管疊堆，振子的振動為多個圓管徑向振動的迭加，以提高換能器的靈敏度；由于各圓管的半徑不等，各管的諧振頻率不同，使得換能器振動系統(tǒng)存在多種振動模態(tài)，可擴展換能器的工作頻帶；應用柱狀圓管的結構，使換能器可獲得水平全向的波束指向性；采用玻璃纖維纏繞疊堆壓電圓管，施加預應力提高壓電換能器可承載功率，進而提高換能器的可靠性。
【專利說明】一種施加預應力的疊堆壓電圓管換能器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于水聲探測【技術領域】，具體涉及一種采用多層壓電陶瓷圓管加預應力疊堆構成水中探測的換能器，以實現(xiàn)水聲信號的發(fā)射和接收。該換能器可廣泛應用于水下通信、探測、目標定位、跟蹤等，是聲納使用的重要部件。
【背景技術】
[0002]水聲換能器是將聲能和電能進行相互轉換的器件，其地位類似于無線電設備中的天線，是水下發(fā)射和接收聲波的關鍵器件。水下的探測、識別、通信，以及海洋環(huán)境監(jiān)測和海洋資源的開發(fā)，都離不開水聲換能器。換能器可分為發(fā)射型、接收型和收發(fā)兩用型。將電信號轉換成水聲信號，并向水中福射聲波的換能器，稱為發(fā)射換能器，發(fā)射換能器要求有比較大的輸出聲功率和比較高的電聲轉換效率。用來接收水中聲波信號，將其轉換成電信號的換能器為接收換能器，也常稱為水聽器，對接收換能器則要求寬頻帶和高靈敏度。既可以將聲信號轉換成電信號，又可以將電信號轉換成聲信號，用于接收或發(fā)射聲信號的換能器稱為收發(fā)換能器。
[0003]各種水聲換能器中，圓柱型壓電換能器由于沿半徑方向有均勻的指向性，靈敏度較高，且結構簡單，因而廣泛用于水聲技術、超聲技術、海洋開發(fā)和地質勘探中?，F(xiàn)有的圓柱型壓電換能器主要有以下幾種:
[0004](I)圓柱型壓電陶瓷水聲換能器
[0005]圓柱型壓電陶瓷水聲換能器的換能元件為壓電陶瓷圓管，其極化方向常沿著半徑方向。當換能器工作于發(fā)射狀態(tài)時，壓電陶瓷圓管在電場的作用下，借助反向壓電效應，發(fā)生伸張或收縮，從而向媒質發(fā)射聲波。當換能器工作于接收狀態(tài)時，壓電陶瓷圓管在聲信號的作用下發(fā)生伸張或收縮，借助正向壓電效應，轉換為電信號輸出。壓電陶瓷圓管水聽器(欒桂冬，張金鐸，王仁乾，壓電換能器和換能器陣，修訂版，北京大學出版社，2005)就是其中一種，其壓電振子由幾個壓電陶瓷圓管串接構成，各圓管之間用橡膠襯墊隔離，管內填充反射材料或吸聲材料，外部硫化一層透聲橡膠或澆注一層透聲聚氨酯。若需要增加水聽器的靈敏度，可在金屬套管內裝配前置放大器。該水聽器僅用于接收聲信號，工作頻率通常在IOOkHz 以下。
[0006](2)多層圓柱型換能器
[0007]多層圓柱型換能器(曹承偉，多層有限高度圓柱型水聲換能器的研究，聲學學報，1988,vol.13 (6),424-431.)是一種基于壓電陶瓷圓管的多層結構，主要由壓電陶瓷管、油層、金屬圓柱殼、端蓋板、低聲阻材料、橡膠等構成。換能器置于無限大水域中，其中低聲阻材料聲壓為零，壓電陶瓷圓管采用徑向極化。這種換能器的共振頻率低，可達十幾kHz，帶寬大，但靈敏度有限。
[0008](3)復合管狀壓電超聲換能器
[0009]復合管狀壓電超聲換能器(劉世清，姚嘩，復合管功率超聲壓電換能器的徑向振動特性，機械工程學報，2008，vol.44 (10):239-244)是在壓電陶瓷管外部加金屬預應力管。文獻“劉世清，姚嘩，復合管功率超聲壓電換能器的徑向振動特性，機械工程學報，2008，vol.44(10):239-244”中記載的徑向復合短圓管壓電超聲換能器內部為徑向極化壓電陶瓷薄壁短圓管，外部為金屬短圓管，兩者通過熱處理方式徑向緊密結合在一起，金屬圓管對壓電陶瓷管施加相當大徑向預應力，使之可工作于大功率徑向振動狀態(tài)。壓電陶瓷圓管的管壁厚度遠小于其直徑，換能器長度小于管的直徑，即換能器徑長比較大，或稱短圓管換能器。若對換能器施加的徑向激勵電壓頻率可使換能器的徑向振動達到機械諧振狀態(tài)，此時，換能器的厚度及長度方向振動將很弱，可以忽略，而只考慮其半徑方向的伸縮振動。對加預應力管的復合管壓電換能器，存在最大有效預應力，它取決于金屬管內外半徑比及其材料性質。從金屬鋁材料下的換能器的共振頻率曲線看，換能器的共振頻率在二十幾kHz左右，如果金屬鋁圓管改為銅材料，換能器共振頻率能略有提高。
[0010]另一類常用的水聲換能器是疊堆晶片換能器，它采用疊堆晶片制作，具有發(fā)射電壓響應(發(fā)射靈敏度)高，體積小，重量輕等特點，可產生大的聲能密度，常用作大功率水聲信號發(fā)射。目前，這類換能器主要有以下幾種。
[0011](I)復合棒壓電換能器
[0012]復合棒壓電換能器也稱為夾心式壓電換能器或喇叭形壓電換能器(Inoue，T.;Nadaj T.;Tsuchiyaj T.;Nakanishi,T.Tonpilz piezoelectricers with acousticmatching plates for underwater color image transmission, IEEE Trans.Ultrason.Ferroelect.，F(xiàn)req.Contr.，Vol.40.2，1993 ; Qingshan Yao;Lyngby.Broadband tonpilzunderwater acoustic transducers based on multimode optimization, IEEE VFFC.Vol.44.5，1997)。它是一種常用的大功率發(fā)射換能器，用作接收亦有較高的靈敏度。復合棒壓電換能器由多個相同的壓電陶瓷圓環(huán)，機械上串聯(lián)電路上并聯(lián)疊堆膠合構成壓電振子，當在振子上施加交變電壓時，振子將產生軸向伸縮振動(縱振模態(tài))，由于前蓋板較后蓋板輕，振子將推動前蓋板振動，從而向外輻射聲波。預應力螺釘用于固定前蓋板、晶片堆及后蓋板，同時在晶片堆上施加一定的預應力，以使晶片間及振子與前后蓋板之間有良好的振動傳遞。金屬節(jié)板將振子固定在外殼或支架上。
[0013]由于采用多個晶片疊堆，振子的振動為各晶片振動的迭加，因而可產生較大的能量密度，即這種換能器的靈敏度較高。又由于壓電陶瓷縱振模態(tài)頻率較高，而且其發(fā)射頭為喇叭狀，因此這種換能器主要工作在中高頻率段(幾十kHz?幾百kHz)，其發(fā)射指向性圖的波束寬度(開角)較小。
[0014](2)雙端發(fā)射復合棒壓電換能器(Janus transducer)
[0015]Janus 換能器，即雙端縱振動換能器(Fitzgerald James ff.UnderwaterElectroacoustic Transducers,Proe Transducers Sonic Ultrason, Orlando, Bath, U.K, FL, 1991, J.N.Decarpigny; J.C.Debusl; B.Tocquet; D.Boucher.1n-air analysis ofPiezoelectric tonpilz transducers in a wide frequency band using a mixed finiteelement-plane wave method.J.Acoust.Soc, Amer., Vol.78, N0.5, 1985),是雙面對稱發(fā)射的復合棒壓電換能器。其兩端質量塊為同材質的輕金屬，振子的振動可通過兩端輻射聲波。其優(yōu)點是結構緊湊，設計簡單；功率重量比好，能發(fā)射中、高功率；與支撐結構有較好的去耦，尾質量位于結構的中心；裝配成陣比較容易，物理特性和制造技術比較成熟。
[0016]與復合棒壓電換能器相同，Janus換能器主要工作在中高頻率段，波束寬度(開角)較小，但改用磁致伸縮材料代替壓電陶瓷堆作為驅動可以降低工作頻率。
[0017]綜上，圓柱管結構可獲得水平全向的波束指向性，但由于換能器中僅通過單層壓電陶瓷殼振動，接收或輻射聲信號，顯然其振動能量遠不及疊堆晶片產生的能量大，即靈敏度不如疊堆晶片換能器的高。而復合棒壓電換能器由于采用多個壓電晶片疊堆，疊堆晶片產生較大的振動能量，使其發(fā)射靈敏度較高，但其輻射面為平面，造成發(fā)射指向性的波束寬度(開角)較小。

【發(fā)明內容】

[0018]本發(fā)明的目的在于針對上述問題，提供一種施加預應力疊堆壓電圓管換能器以提高換能器靈敏度，并擴展其帶寬，實現(xiàn)水平全向的波束指向性。
[0019]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0020]一種施加預應力的疊堆壓電圓管換能器，其包括內襯管，套裝在所述內襯管外部的疊堆多層壓電圓管，以及對所述疊堆多層壓電圓管施加預應力的裝置。
[0021]進一步地，所述壓電圓管的材質為壓電陶瓷或壓電單晶。
[0022]進一步地，所述疊堆多層壓電圓管，相鄰壓電圓管的極化方向相反，各壓電圓管在電學上并聯(lián)，內外壁被覆電極層，所述電極層的材料為金、銀、導電膠等。
[0023]進一步地，所述疊堆多層壓電圓管由多層壓電管殼同軸粘扣在所述內襯管外壁構成，內層內襯管為一個完整圓管，其余各層壓電陶瓷圓管由兩個半圓管對接而成，各層壓電圓管的厚度相同，半徑由內向外依次增加，相鄰層的壓電圓管中內層圓管的外徑與外層圓管的內徑近似相同，內襯管與壓電圓管的高度相同。整個管層由內向外逐個用環(huán)氧樹脂粘接疊堆，相鄰兩殼層的極化方向相反。
[0024]進一步地，所述內襯管為冷脹熱縮材料制成，如形狀記憶合金，是薄壁的，其厚度范圍優(yōu)選為0.3mm?3mm ;所述壓電圓管的每層的厚度范圍優(yōu)選為Imm?5mm,層數(shù)為2?6層，所述內襯管與壓電圓管厚度的比例優(yōu)選為1:2?3。
[0025]進一步地，所述施加預應力的裝置為玻璃纖維，緊密纏在所述疊堆多層壓電圓管的外側，通過內襯管受熱收縮，冷卻后回復原狀特性(熱縮冷脹)，對疊堆多層壓電圓管加壓而產生預應力，從而提高換能器的功率重量比，提高換能器性能的可靠性。
[0026]進一步地，所述換能器還可包括墊圈、端蓋、膠封層和輸出電纜。其中，墊圈位于疊堆圓管的兩端，用于吸收軸向聲輻射；端蓋用于定位疊堆圓管。膠封層包覆疊堆圓管和端蓋；輸出電纜一端連接壓電管的引線，另一端輸出信號。
[0027]進一步地，所述換能器還可包括支架，位于所述內襯管內，端蓋旋扣在支架上，以固定圓管堆；支架、墊圈和端蓋可通過螺絲固定連接。所述墊圈的材質為橡膠、硬脂泡沫等吸聲材料。所述膠封層為防水透聲材料，如聚氨酯等。
[0028]本發(fā)明的施加預應力疊堆多層圓管換能器，采用多個疊堆壓電圓管套接，振子的振動為多個圓管徑向振動的迭加，使換能器可產生大的能量密度，進而提高換能器的靈敏度；由于各圓管的半徑不等，各管的諧振頻率不同，使得換能器振動系統(tǒng)存在多種模態(tài)(多個諧振頻率)。通過合理設計各圓管的半徑，使壓電振子各圓管的諧振頻率相互靠近并耦合，在較寬的頻率范圍內同時工作，可以使其組合頻率響應不產生間斷和過深的凹谷，在這一頻帶內將形成圓管殼堆的徑向復合多模振動，即能有效地拓展換能器的工作帶寬，實現(xiàn)寬帶、水平全向地收發(fā)聲波；對疊堆圓管外側施加應力可提高結構本身剛性，減少彈性形變，提高壓電陶瓷的抗張強度，可提高換能器的承載功率及可靠性和穩(wěn)定性。
[0029]本發(fā)明的優(yōu)點:采用多個疊堆壓電圓管疊堆，以提高換能器的靈敏度，并擴展換能器的工作頻帶；應用柱狀圓管的結構，使換能器可獲得水平全向的波束指向性；采用玻璃纖維纏繞疊堆壓電圓管，施加預應力提高壓電換能器可承載功率，進而提高換能器的可靠性，穩(wěn)定性和一致性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明施加預應力疊堆多層圓管壓電換能器結構圖；
[0031]圖2是本發(fā)明施加預應力疊堆多層圓管結構圖；
[0032]圖3是本發(fā)明施加預應力疊堆多層圓管橫截面圖；
[0033]圖4是本發(fā)明施加預應力疊堆多層半圓管結構圖；
[0034]圖5是本發(fā)明施加預應力疊堆多層扇形管圓弧結構圖；
[0035]圖6是實施例中疊堆圓管的發(fā)射電壓響應圖；
[0036]圖7是實施例中單層圓管的發(fā)射電壓響應圖。
[0037]圖中符號說明:1 一壓電圓管；2—支架；3—電極引線；4一電纜；5—防水透聲層；6一端蓋；7—墊圈；8—玻璃纖維；9一內襯管。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。
[0039]圖1給出了本發(fā)明實施例的施加預應力疊堆多層圓管壓電換能器結構示意圖，該壓電換能器包括疊堆的壓電圓管1、支架2、電極引線3、電纜4、防水透聲層5、端蓋6、墊圈
7、玻璃纖維8和內襯管9。
[0040]其中，疊堆的壓電圓管I和內襯管9構成該器件的疊堆層，如圖2所示，為同軸圓管形殼體，圖3為疊堆多層圓管的橫截面圖。最內層的內襯管9為一個完整的熱縮冷脹材質的薄壁管，外三層的壓電圓管I均為兩個形狀完全相同的半圓管對扣粘接而成。各層高度相同，三層壓電圓的管厚相同，相鄰兩層中直徑較大圓管的內徑與直徑較小圓管的外徑近似相同，各圓管可按直徑大小由內向外逐個用環(huán)氧樹脂粘接堆疊。各層半圓壓電管對扣粘接，對扣處留有l(wèi)_2mm左右的縫隙，各壓電層的電極引線3從縫隙中引出。各壓電圓管均沿半徑方向極化，但相鄰兩圓管的極化方向相反，壓電圓管之間電學上并聯(lián)連接。疊堆的壓電圓管I的內壁并聯(lián)電極并引線3，與輸出電纜4的芯線連接，疊堆的壓電圓管I的外壁并聯(lián)電極引線與電纜4的屏蔽線連接(參見圖1)。
[0041]如圖2所示，疊堆圓管外側用玻璃纖維8緊緊纏繞，對疊堆圓管施加壓力以產生預應力。端蓋6上可設置定位結構(比如定位槽)，用于定位疊堆圓管I和金屬支架2。
[0042]上述器件在裝配時，將疊堆圓管同軸套裝在軸支架2上，晶片堆上下墊有橡膠墊圈7，橡膠墊具有吸聲作用，旋緊端蓋6即將疊堆圓管固定。然后將裝配件放入定制的模具內，澆灌聚氨酯橡膠，構成防水透聲層5，完成換能器的制作。該結構換能器的指向性為水平全向。
[0043]本發(fā)明的疊堆多層圓管壓電換能器的第二個實施例為疊堆壓電半圓管結構，如圖4所示，其它結構均與實施方案I相同，其指向性為水平半空間全向。
[0044]本發(fā)明的疊堆多層圓管壓電換能器的第三個實施例為疊堆壓電扇形殼結構，如圖5所示，其它結構均與實施方案I相同，其指向性為水平空間扇形分布圖。
[0045]本發(fā)明的疊堆多層圓管壓電換能器中，壓電圓管I和內襯管9的高度應相同，否則上下蓋板不便安裝。各層壓電圓管的厚度可以不同，但由于每個圓管的頻率主要由其半徑決定，與厚度關聯(lián)不大，即厚度變化對圓管頻率的改變貢獻不大，即厚度變化對擴展壓電振子帶寬的作用較小，且增加了加工難度。
[0046]本發(fā)明的疊堆多層圓管壓電換能器中，壓電圓管I的優(yōu)選疊堆層數(shù)為2-6層。
[0047]下面提供具體仿真數(shù)據(jù)實例。本實例采用兩層壓電圓管疊堆，對其進行仿真并比較疊堆后振子與單個振子的諧振頻率與帶寬。
[0048]該有限元仿真實例采用兩層壓電圓管疊堆，實體各層的內外半徑為:內襯管:19-20mm，內層壓電陶瓷:20-22mm，聚氨酯粘接層:22-22.4臟，外層壓電圓管:22.4-24.4mm。仿真計算的疊堆圓管的發(fā)射電壓響應見圖6。實驗同時仿真計算了單層圓管(半徑20-22mm)的發(fā)射電壓響應見圖7，比較兩圖可看出疊堆圓管的發(fā)射電壓響應的帶寬達14kHz (最大發(fā)射電壓響應下降3dB)，在該頻段內發(fā)射電壓響應大于135dB ;單層圓管發(fā)射電壓響應的帶寬為7.46kHz (最大發(fā)射電壓響應下降3dB)，在該頻段內發(fā)射電壓響應大于133.8dB。通過比較可看出疊堆圓管的發(fā)射電壓響應(靈敏度)和帶寬均較單層圓管有所增大，尤其是帶寬有大幅度提聞。
[0049]以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護范圍應以權利要求所述為準。
【權利要求】
1.一種施加預應力的疊堆壓電圓管換能器，其特征在于，包括內襯管，套裝在所述內襯管外部的疊堆多層壓電圓管，以及對所述疊堆多層壓電圓管施加預應力的裝置。
2.如權利要求1所述的施加預應力的疊堆壓電圓管換能器，其特征在于:所述壓電圓管為壓電陶瓷或壓電單晶。
3.如權利要求1所述的施加預應力的疊堆壓電圓管換能器，其特征在于:所述疊堆多層壓電圓管中相鄰壓電圓管的極化方向相反，各壓電圓管在電學上并聯(lián)，內外壁被覆電極層。
4.如權利要求1所述的施加預應力的疊堆壓電圓管換能器，其特征在于:所述疊堆多層壓電圓管由多層壓電管殼同軸粘扣在所述內襯管外壁構成，內層內襯管為一個完整圓管，其余各層壓電陶瓷圓管由兩個半圓管對接而成，各層壓電圓管的厚度相同，半徑由內向外依次增加，相鄰層的壓電圓管中內層圓管的外徑與外層圓管的內徑近似相同，內襯管與壓電圓管的高度相同，整個管層由內向外逐個粘接疊堆。
5.如權利要求1所述的施加預應力的疊堆壓電圓管換能器，其特征在于:所述內襯管采用冷脹熱縮材料制成，其厚度為0.3mm?3mm ;所述疊堆多層壓電圓管的厚度為Imm?5mm，層數(shù)為2?6層。
6.如權利要求5所述的施加預應力的疊堆壓電圓管換能器，其特征在于:所述內襯管的材料為形狀記憶合金。
7.如權利要求1所述的施加預應力的疊堆壓電圓管換能器，其特征在于:所述施加預應力的裝置為玻璃纖維，緊密纏在所述疊堆多層壓電圓管的外側，通過內襯管受熱收縮，冷卻后回復原狀特性，對疊堆多層壓電圓管加壓而產生預應力。
8.如權利要求1所述的施加預應力的疊堆壓電圓管換能器，其特征在于:還可包括墊圈、端蓋、膠封層和輸出電纜，其中，墊圈位于疊堆圓管的兩端，用于吸收軸向聲輻射；端蓋用于定位疊堆圓管，膠封層包覆疊堆圓管和端蓋；輸出電纜一端連接壓電管的引線，另一端輸出信號。
9.如權利要求8所述的施加預應力的疊堆壓電圓管換能器，其特征在于:還包括支架，位于所述內襯管內，端蓋旋扣在支架上，以固定圓管堆；支架、墊圈和端蓋通過螺絲固定連接。
10.如權利要求8所述的施加預應力的疊堆壓電圓管換能器，其特征在于:所述墊圈采用吸聲材料，所述膠封層采用防水透聲材料。
【文檔編號】H04R1/32GK103841499SQ201410062293
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權日:2014年2月24日
【發(fā)明者】王麗坤, 秦雷, 張彬, 仲超 申請人:北京信息科技大學