專利名稱：折疊蓋板寬帶水聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是水聲換能器。
背景技術(shù)：
聲波是水下傳遞信息和能量的載體。水聲設(shè)備是依靠聲波來傳遞信息的，它利用 聲波這種信息載體來實現(xiàn)對水下目標(biāo)的探測、定位、識別和通信等，水聲設(shè)備至今仍然是水 下信息采集和信息處理最有效的設(shè)備。水聲換能器被用于水下發(fā)射和接收聲波，是水聲設(shè) 備的重要組成部分。當(dāng)處于發(fā)射狀態(tài)時，把電磁振蕩能轉(zhuǎn)換成機械振動能，從而推動水介 質(zhì)進行振動，輻射聲能，一般意義上的“換能器”均指此類發(fā)射器；當(dāng)處于接收狀態(tài)時，其機 械振動系統(tǒng)受到水中聲壓的作用而產(chǎn)生振動，換能器再把機械振動能轉(zhuǎn)換成電磁振動的能 量，一般稱為水聽器。隨著聲隱身技術(shù)的發(fā)展及其在潛艇的應(yīng)用，使得被動聲納的作用距離急劇減小， 水下目標(biāo)探測的難度大大提高，這就需要用主動聲納遠距離探測作為輔助手段，而低頻、大 功率是其最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。發(fā)射換能器在主動聲納設(shè)備中負責(zé)將電磁振蕩能轉(zhuǎn)化成 機械振動能，從而推動水介質(zhì)進行振動，向水中輻射聲能。為了提高對潛艇的遠程探測能 力，必須降低換能器的工作頻率，提高發(fā)射聲功率。由于小尺寸換能器在成陣、布陣方面的便利，在使用時也便于使用者操作和運輸， 迫切需要小尺寸換能器，但是由于在實踐中低頻、大功率等要求對換能器尺寸的制約，這就 對研究者提出了挑戰(zhàn)。寬帶換能器是近來國內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的主要內(nèi)容。相比較于窄帶換能器，寬帶換 能器有很多的優(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嚴重畸變；第二，寬帶換能器能夠提高信號的傳輸 速率、提高通訊的可靠性和保密性、降低誤碼率。寬帶換能器無論在軍事方面還是民用方面 都有著廣泛的應(yīng)用。如用寬帶合成孔徑聲吶，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(yīng)用于醫(yī)療超聲，受到醫(yī)學(xué)界普遍重視 和歡迎。因此，開發(fā)研制低頻、大功率、小尺寸、寬帶的水聲換能器是各種水聲應(yīng)用提出的 必然要求，是亟待解決的科學(xué)技術(shù)問題。低頻、大功率、小尺寸換能器設(shè)計的主要困難是一、為了提高發(fā)射效率和發(fā)射功 率，換能器必須工作在共振狀態(tài)，而縱振模式換能器尺寸通常與波長成正比，因此越低的工 作頻率，也就意味著較大的換能器尺寸，同時意味著較大的重量和成本，以及制造和布設(shè)的 難度；二、低頻換能器的輻射功率與頻率及輻射面積平方成正比，意味著頻率降低或面積減 小10倍，輻射功率將減少100倍，因此，如果在減小尺寸的同時，保持或增加低頻時換能器 的輻射功率，需要更大的振動位移，即更大的驅(qū)動功率來補償，而這往往是不可實現(xiàn)的。因此，降低工作頻率與減小尺寸是一對矛盾，增大輻射功率與減小尺寸也是一對 矛盾。
目前解決以上問題的主要方法有一是應(yīng)用具有更大順性和伸縮系數(shù)的新型材料 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓電陶瓷材料，提高效率和振動位移，典型的代表是超磁致伸縮材料、弛豫鐵電 單晶材料和壓電復(fù)合材料；二是探索新型結(jié)構(gòu)，其中具有代表性的結(jié)構(gòu)是彎張換能器、壓電 陶瓷環(huán)嵌套式縱振換能器和開縫圓管換能器。彎張換能器是彎曲伸張換能器的簡稱。彎張換能器的工作原理是利用驅(qū)動元件的 縱向伸縮振動激勵殼體作彎曲振動，耦合成彎曲伸張振動模式。彎張換能器的優(yōu)點是工作 頻率低、輻射功率大、轉(zhuǎn)換效率高、尺寸小等，彎張換能器共有七種類型?？v向振動換能器諧振發(fā)生在其振子長度等于λ/2時，因此要降低諧振頻率，只能 增大其長度。但是采用不同直徑的壓電陶瓷環(huán)嵌套技術(shù)，制作的縱向振動換能器諧振頻率 在1. 7kHz左右，有效長度僅為0. 3m，大大的減小了縱向振動換能器的尺寸(俞宏沛，唐義 政，林家旺.低頻縱振換能器減小尺寸的一種措施.聲學(xué)與電子工程.1999年第4期17-20 頁)。開縫圓管換能器是一種新型甚低頻大功率換能器，由一個沿高度方向開縫的壓電 圓管構(gòu)成，在壓電圓管外有一個外襯金屬殼體，圓管內(nèi)部為一空氣腔。利用鑲拼圓管加預(yù) 應(yīng)力技術(shù)，把有源材料由普通開縫圓管變?yōu)殍偲撮_縫圓管，這樣可以進一步的縮小體積、減 小質(zhì)量(Harryff. Kompanek. Electroacoustical Transducer[P]. U. S. Patent. 4,651,044, 1987)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種小尺寸、帶寬寬的折疊蓋板寬帶水聲換能器。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的包括壓電陶瓷晶片堆、上下兩端金屬蓋板和預(yù)應(yīng)力螺桿；壓電陶瓷晶片堆由壓電 陶瓷圓環(huán)和薄金屬片交替堆疊而成，壓電陶瓷圓環(huán)的極化方向沿厚度方向，薄金屬片上焊 電極引線；上端金屬蓋板由外蓋板和內(nèi)蓋板構(gòu)成折疊形狀。本發(fā)明還可以包括1、所述壓電陶瓷圓環(huán)由壓電陶瓷PZT制作而成，相鄰兩片壓電陶瓷圓環(huán)的極化方 向相反。2、所述薄金屬片是由黃銅或鋅、鉬、銅制成的易于焊接的圓環(huán)片，其外徑和內(nèi)徑與 壓電陶瓷圓環(huán)的尺寸相同。3、所述外蓋板和內(nèi)蓋板是由密度較小、質(zhì)量較輕的硬鋁或鋁鎂合金制成的外觀形 狀為圓形，同時外蓋板作為聲能輻射面。4、所述下端金屬蓋板由密度較大、質(zhì)量較重的鋼或黃銅制成的圓形。5、薄金屬片與壓電陶瓷圓環(huán)之間、薄金屬片與內(nèi)蓋板之間、薄金屬片與下端金屬 蓋板之間、外蓋板與內(nèi)蓋板接觸部分均由環(huán)氧樹脂膠合。6、還包括金屬套桶，換能器與金屬套桶之間設(shè)置軟木橡膠，外蓋板的表面灌封防
水透聲層。本發(fā)明的工作原理是單端激勵原理，通常，壓電換能器的壓電陶瓷堆之間是并聯(lián) 連接的，如果將其分為左右兩個部分，其振動是同相的，也就是同時擴張或收縮，因此稱這 種激勵方式為左右同相激勵。由于同相激勵只能激勵出位移對稱的奇數(shù)階縱向振動模態(tài)，
4無法激勵出偶數(shù)階模態(tài)。因此，在第2階縱向振動模態(tài)的諧振頻率處端面的位移很小，發(fā)射 電壓響應(yīng)曲線上出現(xiàn)了一個很深的凹谷。為了激勵出第2階縱向振動模態(tài)，須采用左右反 相激勵。如果將兩種激勵疊加在一起就變?yōu)閱味思睿藭r，前三階縱向振動模態(tài)全部被激 勵出來，發(fā)射電壓響應(yīng)比較平坦，有效地拓寬了換能器的帶寬。本發(fā)明換能器不工作的無源金屬和前蓋板部分設(shè)計成右圖的折疊蓋板的形式，從 而提供了一種單端激勵換能器減小尺寸的方法，最終實現(xiàn)了換能器的小尺寸、寬帶的工作 特性。本發(fā)明的主要優(yōu)點是(a)本發(fā)明的換能器采用了單端激勵的原理，其工作帶寬超過了一個倍頻程。(b)本發(fā)明的換能器將不工作的無源材料部分設(shè)計成折疊形式，從而提供了一種 單端激勵換能器減小尺寸的方法。(c)本發(fā)明的換能器由于體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，因此適合布陣需求。本發(fā)明的折疊蓋板寬帶水聲換能器可以應(yīng)用于水下通信、探測、目標(biāo)定位、跟蹤 等，是聲納使用的重要部件。


圖1是折疊蓋板寬帶水聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是折疊蓋板寬帶水聲換能器水密裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是折疊蓋板寬帶水聲換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細的描述本發(fā)明通過利用單端激勵原理來拓展縱向振動換能器的頻帶，同時將換能器不工 作的無源材料部分設(shè)計成折疊形式，這樣就減小了單端激勵換能器在長度方向的尺寸，最 終實現(xiàn)了換能器的小尺寸、寬帶的工作特性。結(jié)合圖1，折疊蓋板寬帶水聲換能器包括壓電陶瓷晶片堆、上下兩端金屬蓋板和預(yù) 應(yīng)力螺桿5。壓電陶瓷晶片堆由壓電陶瓷圓環(huán)3和薄金屬片4交替堆疊而成，壓電陶瓷圓 環(huán)3的極化方向沿厚度方向，薄金屬片4上焊電極引線；上端金屬蓋板呈折疊形狀，由外蓋 板1和內(nèi)蓋板2構(gòu)成。上述壓電陶瓷晶片堆的壓電陶瓷圓環(huán)3可用壓電陶瓷PZT制作，相鄰兩片壓電陶 瓷圓環(huán)的極化方向相反。上述薄金屬片4是用黃銅或鋅鉬銅等易于焊接的圓環(huán)片，其外徑和內(nèi)徑與壓電陶 瓷圓環(huán)的尺寸相同。上述上端金屬蓋板(包括外蓋板1和內(nèi)蓋板2)用密度較小、質(zhì)量較輕的金屬制 成，通常使用硬鋁或鋁鎂合金，其外觀形狀為圓形，同時外蓋板1作為換能器的聲能輻射上述下端金屬蓋板6用密度較大、質(zhì)量較重的金屬制成，通常使用鋼或黃銅，其外 觀形狀為圓形。上述預(yù)應(yīng)力螺桿5用抗拉強度較大的金屬制成，通常使用45#鋼。由于壓電陶瓷的抗壓應(yīng)力遠大于抗拉應(yīng)力，膠合層在大振幅的情況下通常也在拉伸階段遭到破壞，所以 用預(yù)應(yīng)力螺桿5給振子的壓電陶瓷圓環(huán)3和膠合部分加上預(yù)壓應(yīng)力。一般的，薄金屬片4與壓電陶瓷圓環(huán)3之間、薄金屬片4與內(nèi)蓋板2之間、薄金屬 片4與下端金屬蓋板6之間、外蓋板1和內(nèi)蓋板2接觸部分均用環(huán)氧樹脂膠合。結(jié)合圖2，本發(fā)明的折疊蓋板寬帶水聲換能器的水密安裝過程為先將制作好的 折疊蓋板寬帶水聲換能器放入金屬套桶9中，換能器與金屬套桶9之間用軟木橡膠8隔開， 然后在外蓋板1的表面灌封防水透聲層7，最后安裝電纜頭10。上述技術(shù)方案中，材料7為防水透聲層，一般采用聚氨酯。防水透聲層的主要作用 是防水、透聲，避免換能器內(nèi)部由于進水、短路而導(dǎo)致?lián)Q能器件的損壞。同時材料7的特性 阻抗需與水匹配，聲衰減系數(shù)低，并且保證換能器與水介質(zhì)之間良好的聲能傳遞。上述技術(shù)方案中，材料8為軟木橡膠，它是一種去耦材料，與相鄰兩邊介質(zhì)的特性 阻抗失配，它的衰減系數(shù)較大，起到了隔聲作用，插入損失很大，聲波不會通過。這樣保證了 聲波只能從上表面輻射到水介質(zhì)中。下面是本發(fā)明的一個具體實施例。折疊蓋板寬帶水聲換能器包括PZT4壓電陶瓷 圓環(huán)3、黃銅薄片4、硬鋁內(nèi)蓋板2、硬鋁外蓋板1、黃銅下蓋板6和45#鋼預(yù)應(yīng)力螺桿5等。 壓電陶瓷圓環(huán)3的外徑為34mm，相鄰陶瓷片的極化方向相反；黃銅薄片4的外徑為34mm，厚 度為0. 1mm，其作用是焊接引線；硬鋁外蓋板1的最大外徑為90mm ；黃銅下蓋板6的最大外 徑為40mm ；45#鋼預(yù)應(yīng)力螺桿5為MlO的螺桿。換能器裝配前要將所用元件清洗干凈、準備好，按如下順序進行裝配(1)用環(huán)氧樹脂將壓電陶瓷圓環(huán)3與黃銅薄片4交替粘結(jié)，并且相鄰壓電陶瓷圓環(huán) 3的極化方向相反，粘好的壓電陶瓷晶堆由PZT4壓電陶瓷圓環(huán)3和黃銅薄片4構(gòu)成。(2)用環(huán)氧樹脂將壓電陶瓷晶堆與硬鋁內(nèi)蓋板2和黃銅下蓋板6粘結(jié)。(3)用45#鋼預(yù)應(yīng)力螺桿5對壓電陶瓷晶堆施加5MPa的預(yù)應(yīng)力。(4)將上述組裝件放入烘箱加溫至70°C，并保溫4小時，然后升溫至90°C，并保溫 2小時，這時粘結(jié)用環(huán)氧樹脂完全固化。(5)用環(huán)氧樹脂將上述組裝件與硬鋁外蓋板1粘結(jié)，然后按照步驟(4)進行固化處理。(6)按照圖1所示焊接引線。(7)將裝配好的折疊蓋板寬帶水聲換能器按圖2所示裝入金屬套桶9中。(8)在硬鋁外蓋板1的上表面灌注3mm厚的聚氨酯層7。對本實施例提供的換能器進行性能測試，圖3給出了換能器的實測發(fā)送電壓響應(yīng) 曲線，工作頻帶為5kHz-16kHz，最大發(fā)送電壓響應(yīng)為148dB，起伏為12dB。
權(quán)利要求
一種折疊蓋板寬帶水聲換能器，包括壓電陶瓷晶片堆、上下兩端金屬蓋板和預(yù)應(yīng)力螺桿；其特征是壓電陶瓷晶片堆由壓電陶瓷圓環(huán)和薄金屬片交替堆疊而成，壓電陶瓷圓環(huán)的極化方向沿厚度方向，薄金屬片上焊電極引線；上端金屬蓋板由外蓋板和內(nèi)蓋板構(gòu)成折疊形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折疊蓋板寬帶水聲換能器，其特征是所述壓電陶瓷圓環(huán)由 壓電陶瓷PZT制作而成，相鄰兩片壓電陶瓷圓環(huán)的極化方向相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的折疊蓋板寬帶水聲換能器，其特征是所述薄金屬片是由黃 銅或鋅、鉬、銅制成的易于焊接的圓環(huán)片，其外徑和內(nèi)徑與壓電陶瓷圓環(huán)的尺寸相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的折疊蓋板寬帶水聲換能器，其特征是所述外蓋板和內(nèi)蓋板 是由密度較小、質(zhì)量較輕的硬鋁或鋁鎂合金制成的外觀形狀為圓形，同時外蓋板作為聲能 輻射面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的折疊蓋板寬帶水聲換能器，其特征是所述下端金屬蓋板由 密度較大、質(zhì)量較重的鋼或黃銅制成的圓形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的折疊蓋板寬帶水聲換能器，其特征是薄金屬片與壓電陶瓷 圓環(huán)之間、薄金屬片與內(nèi)蓋板之間、薄金屬片與下端金屬蓋板之間、外蓋板與內(nèi)蓋板接觸部 分均由環(huán)氧樹脂膠合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的折疊蓋板寬帶水聲換能器，其特征是還包括金屬套桶，換能 器與金屬套桶之間設(shè)置軟木橡膠，外蓋板的表面灌封防水透聲層。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種折疊蓋板寬帶水聲換能器。包括壓電陶瓷晶片堆、上下兩端金屬蓋板和預(yù)應(yīng)力螺桿；壓電陶瓷晶片堆由壓電陶瓷圓環(huán)和薄金屬片交替堆疊而成，壓電陶瓷圓環(huán)的極化方向沿厚度方向，薄金屬片上焊電極引線；上端金屬蓋板由外蓋板和內(nèi)蓋板構(gòu)成折疊形狀。本發(fā)明的換能器采用了單端激勵的原理，其工作帶寬超過了一個倍頻程；將不工作的無源材料部分設(shè)計成折疊形式，減小了尺寸；由于體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，因此適合布陣需求。本發(fā)明的折疊蓋板寬帶水聲換能器可以應(yīng)用于水下通信、探測、目標(biāo)定位、跟蹤等，是聲納使用的重要部件。
文檔編號H04R1/44GK101998201SQ20101055248
公開日2011年3月30日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者蘭宇 申請人:哈爾濱工程大學(xué)