CN101909230A - 金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器。包括复合材料、包于复合材料侧面及底面的去耦橡胶，位于复合材料上表面的密封透声橡胶、包于去耦橡胶外的金属外壳和防水电缆，所述的复合材料包括聚合物材料、均匀分布于聚合物材料中的金属与压电陶瓷复合柱、镀制在复合材料上下表面的电极。本发明可以应用于水声通信声纳、水声成像声纳等领域。具有易于共形、耐水压性能好、声阻抗低的特点，可以实现中高频、宽带、大功率的辐射性能。

Description

金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器

技术领域

本发明涉及的是一种水声换能器，特别是涉及一种中高频宽带水声换能器，该换能器可以应用于水声通信声纳、水声成像声纳等领域。

背景技术

在人们所熟知的各种辐射形式中，以声波在海水中的传播为最佳。因此，在利用和开发海洋事业中，人们广泛地利用水声。水声的应用构成了声纳的工程学科，而以这种或那种形式利用水声的***叫做声纳***。水声换能器是声纳***的重要组成部分。换能器一般都是指电声换能器，凡能实现电能和声能间相互转换的换能器都称为电声换能器，用来发射声波的换能器叫发射器。换能器处在发射状态时，将电能转换成机械能，再转换为声能。用来接收声波的换能器叫接收器。换能器处在接收状态时，将声能转化为机械能，再转换成电能。一般情况下，换能器既能用来发射，也能用来接收。

随着水声换能器的发展，不断地要求开发新型的换能材料，20世纪60年代人们开发出以锆钛酸铅(PZT)为代表的压电陶瓷，这类材料具有压电性能好，机电耦合系数高等特点。但其阻抗高，难于与空气和水匹配，密度大、易碎、加工困难。20世纪70年代，以聚偏氟乙烯(PVDF)为代表的高分子压电材料柔顺性好，可制成大而均匀的薄膜，阻抗与空气、皮肤和水匹配，但其压电常数和机电耦合系数较小。到20世纪80年代初，人们为了开发各种水声换能器，试图寻找一种兼有陶瓷和聚合物两者优点，并能抑制各自缺点的新材料，从而开始了陶瓷聚合物压电复合材料的研究。1978年，Newnham提出了复合材料中各组分之间的连通性的概念，在此基础上人们相继研究成功1-3型、3-1型、3-2型、3-3型、0-3型、2-2型以及月牙和帽状结构的复合材料，使得压电性能大幅度提高。

压电复合材料是指压电陶瓷和聚合物按一定的连通方式、一定的体积或质量比，以及一定的空间几何分布复合而成的材料。在压电复合材料中，压电陶瓷作为压电活性材料，一般选择具有高压电性能的压电陶瓷，提供强压电效应。聚合物一般选择环氧树脂等高分子材料，这类材料声学阻抗低、柔性好，与压电陶瓷进行复合可降低材料的声阻抗、密度和介电常数，增加材料的弹性柔顺性。

1-3型压电复合材料是由一维连通的压电陶瓷柱平行排列于三维连通的聚合物基体中而构成的两相压电复合材料，其极化方向与压电陶瓷柱高度方向相同，如图1所示，材料1和4为电极，材料2为压电陶瓷，材料3为聚合物。1-3型压电复合材料的工作机理如下：在入射声场作用下，基体产生应变并将应变传到陶瓷棒上，此应变通过压电陶瓷棒的压电效应，在1-3型压电复合材料的上下表面电极之间产生电压差；相反，通过反向压电效应，在两电极之间加一交变电压，即可产生声场。

利用1-3型压电复合材料制作的发射器具有很多优点：制作成本低；由于聚合物比较柔软，可以共形；由于聚合物具有弹性，因而可在高压下工作，耐冲击且抗张能力强；压力稳定性和温度稳定性好；声阻抗低，使其易于与媒质相匹配，从而使得带宽较宽。

宽带的换能器具有很多的优点。首先，换能器的带宽对信号传输有着非常重要的影响。在频域，影响传输声信号的频谱；在时域，影响信号的波形。宽带换能器的信号保持的很好，频谱很宽，而窄带的换能器信号的波形严重畸变，且频谱很窄，会损失信息，因此使用宽带换能器在信号的传输方面具有很大的优势。其次，换能器能够宽带发射，使发射信号不局限于单频脉冲，还可以发射调频信号。尤其对于通讯声纳和水下机器人，宽带换能器可以提高信号的传输速率、提高通讯的可靠性和保密性、降低误码率。在图像声纳中增加换能器的带宽也可以大幅度提高回波的信息量，提高分辨力和图像质量，有利于目标识别、参数估计。水声对抗中运用宽带换能器构成的宽带阵，在多个频率点进行收发，可以提高抗干扰能力，使命中率大大提高。此外，对于整个收发换能器***来说，换能器工作带宽的增加还可以提高阵的增益。

制作中高频宽带发射换能器是众多声纳***对换能器的要求之一。但对于高频发射换能器来说，将其制作成宽带换能器具有一定的难度，因为换能器的机械尺寸通常与换能器的共振频率成反比，也就是说换能器共振频率越高时，换能器的机械尺寸越小，这样很难将中低频换能器拓展带宽的方法应用于高频换能器。

1-3型压电复合材料适合应用于中高频换能器。拓宽1-3型压电复合材料换能器带宽的通常方法为在压电复合材料前加匹配层，这样可以产生两个谐振峰，从而达到拓宽带宽的目的(I.Ceren Elmash，Hayrettin Koymen，“A wideband and a wide-beamwidth acoustic transducer design for underwater acoustic communications”OCEANS 2006-Asia pacific，1-5，2006；S.Cochran，M.Parker，and P.Marin-Franch，“Ultrabroadband single crystal composite transducers for underwater ultrasound”Proc.IEEE Ultrason.Sym.231-234，2005)。然而，随着时间的推移，匹配层的性能会有变化，这样会造成换能器性能的不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种易于共形、耐水压性能好、声阻抗低，可以实现中高频、宽带、大功率的辐射性能的金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器。

本发明的目的是这样实现的：

金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器包括复合材料、包于复合材料侧面及底面的去耦橡胶，位于复合材料上表面的密封透声橡胶、包于去耦橡胶外的金属外壳和防水电缆，所述的复合材料包括聚合物材料、均匀分布于聚合物材料中的金属与压电陶瓷复合柱、镀制在复合材料上下表面的电极。

本发明还可以包括：

1、所述的金属与压电陶瓷复合柱是由一段金属柱与一段压电陶瓷柱由导电胶进行粘接连通组成。

2、所述的金属与压电陶瓷复合柱是由一段金属柱与两段压电陶瓷柱由导电胶进行粘接连通组成，一段金属柱夹在两段压电陶瓷柱之间。

3、所述的金属是铝、钢或黄铜。

4、所述的聚合物材料是环氧树脂、聚亚胺酯或聚氨酯。

5、所述的压电陶瓷柱在高度方向极化。

本发明的主要优点是：

(a)本发明将单端激励的原理引入到1-3型压电复合材料换能器中，提出了一种新型1-3型压电复合材料结构(即金属—压电陶瓷—聚合物复合材料)，将其制作成水声换能器，从而提供了一种中高频换能器的宽带发射方法，尤其是解决了高频换能器(频率大于100kHz)宽带发射的问题。

(b)本发明的换能器是金属、压电陶瓷和聚合物复合而成的，因此与传统换能器相比，声阻抗低，易于与水介质匹配。

(c)本发明的换能器由于填充物是柔软的聚合物材料，因此新型复合材料换能器方便制作成曲面，更易于共形。

(d)本发明的换能器由于是金属、压电陶瓷和聚合物复合而成的实心材料，因此该换能器的耐水压能力较强。

(e)本发明的换能器由于结构紧凑，重量较轻，因此适合布阵需求。

附图说明

图1是1-3型压电复合材料结构示意图。

图2是本发明的第一种实施方式的复合材料结构示意图。

图3是本发明的第一种实施方式的复合材料结构示意图。

图4是本发明的金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器结构示意图。

图5是本发明的金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器的发送电压响应曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图2和图4，本发明的第一种实施方式的复合材料9由材料6、材料7和材料8复合而成，材料5是在复合材料上下表面镀的电极。其中材料6、7和8构成了新型复合材料的基体，材料5附着在新型复合材料的上下表面。

其中，材料6为金属材料，例如：硬铝、钢、黄铜，其连通方式为一维连通。材料7为压电陶瓷，其连通方式为一维连通。材料8为聚合物材料，例如：环氧树脂、聚亚胺酯、聚氨酯，其连通方式为三维连通，材料5为均匀覆盖在材料6、8端面和材料7、8端面(即图2和图3中的上下表面)的电极材料，电极材料可以使用金、银、铜和镍。

上述技术方案中，振动小柱的材料7在材料6的下方，如图2所示。

上述技术方案中，所述的材料7在使用压电陶瓷时，压电陶瓷柱需在高度方向极化。

上述技术方案中，所述的材料6和7可以采用方柱的形式，也可以采用圆柱的形式。

上述技术方案中，所述的材料7除了使用压电陶瓷外，还可以使用各种具有压电效应的换能材料，例如：压电单晶体、弛豫铁电单晶(PZNT和PMNT)。

上述技术方案中，所述材料6和材料7需用导电胶进行粘接。

本发明所述的金属—压电陶瓷—聚合物复合材料制备方法，包括以下步骤：

(1)制备方柱状或圆柱状的材料6和材料7。

(2)将材料7进行电极化处理。

(3)利用导电胶粘结材料6和材料7。

(4)按一定的顺序排列材料6和材料7的复合小柱。

(5)在上述排列好的复合小柱阵中填充材料8。

(6)在材料6、8端面和材料7、8端面均匀铺设电极5。

其中，步骤(1)中材料6的制备方法为线切割，材料7的制备方法为切割或挤压成型。

步骤(5)中填充材料8的方法可以用灌注的方法。

步骤(6)铺设电极5的方法可以采用喷射、溅射、化学镀、电镀等。

金属—压电陶瓷—聚合物复合材料宽带换能器采取如下技术方案：

金属—压电陶瓷—聚合物复合材料宽带水声换能器，包括金属—压电陶瓷—聚合物复合材料(材料9)、密封透声橡胶(材料10)、去耦橡胶(材料12)、金属外壳(材料11)和防水电缆(材料13)，如图4所示。

上述技术方案中，需将材料6、8端面(金属—聚合物端面)作为声能辐射面，如图4所示。

上述技术方案中，材料10为防水透声层，可以采用聚氨酯、聚亚胺酯或环氧树脂。防水透声层的主要作用是防水、透声，避免换能器内部由于进水、短路而导致换能器件的损坏。同时材料10的特性阻抗需与水匹配，声衰减系数低，并且保证换能器与水介质之间良好的声能传递。

上述技术方案中，材料12为软木橡胶，它是一种去耦材料，与相邻两边介质(例如：压电陶瓷、金属、聚合物等)的特性阻抗失配，它的衰减系数较大，起到了隔声作用，***损失很大，声波不会通过。这样保证了声波只能从上表面辐射到水介质中。

结合图3，本发明的第二种实施方式是在第一种实施方式的基础上，振动小柱采用如下形式：材料7夹在材料6的中间，且材料7上方的材料6与材料7下方的材料6可以使用相同的金属材料，也可以使用不同的金属材料。

该技术方案中，将材料上表面(即材料6小柱较长的一面)作为声能辐射面。

本发明的工作原理是单端激励原理，通常，压电换能器的压电陶瓷堆之间是并联连接的，如果将其分为左右两个部分，其振动是同相的，也就是同时扩张或收缩，因此称这种激励方式为左右同相激励。由于同相激励只能激励出位移对称的奇数阶纵向振动模态，无法激励出偶数阶模态。因此，在第2阶纵向振动模态的谐振频率处端面的位移很小，发射电压响应曲线上出现了一个很深的凹谷。为了激励出第2阶纵向振动模态，须采用左右反相激励。如果将两种激励叠加在一起就变为单端激励，此时，前三阶纵向振动模态全部被激励出来，发射电压响应比较平坦，有效地拓宽了换能器的带宽。

单端激励的原理在复合棒换能器上已经得到了很好的应用。本发明首次将单端激励的原理引入到1-3型压电复合材料发射换能器中，提出了一种新型1-3型压电复合材料结构，即金属—压电陶瓷—聚合物复合材料(如图2和图3所示)，将其制作成水声换能器，提供了一种中高频换能器实现宽带的方法。

这种金属—压电陶瓷—聚合物复合材料宽带水声换能器的发送电压响应曲线如图5所示。该换能器的发送电压响应曲线一般包含三个谐振峰，第一个谐振峰为金属—压电陶瓷复合小柱的一阶纵向振动，频率为f₁；第二个谐振峰为金属—压电陶瓷复合小柱的二阶纵向振动，频率为f₂；第三个谐振峰为金属—压电陶瓷复合小柱的三阶纵向振动，频率为f₃。

上述实施方式中的复合材料为圆片形状，其直径为50mm，厚度为12mm。

制作金属—压电陶瓷—聚合物复合材料时，先极化待切割的压电陶瓷片；用金刚石刀切割长方体型压电陶瓷小柱7，利用线切割的方法切割黄铜小柱6；利用导电胶粘接压电陶瓷小柱7和黄铜小柱6；按顺序排列压电陶瓷、黄铜复合小柱阵；利用灌注法将环氧树脂8填充进复合小柱间隙；最后，在新型复合材料上下表面均匀铺设镍电极5。

将制作好的金属—压电陶瓷—聚合物复合材料9按图3所示方法装入金属外壳11之中，在黄铜—环氧树脂端面灌封2mm厚的环氧树脂层，构成防水透声层10，最终完成了金属—压电陶瓷—聚合物复合材料高频宽带换能器的制作。

Claims (10)

1.一种金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器，包括复合材料、包于复合材料侧面及底面的去耦橡胶，位于复合材料上表面的密封透声橡胶、包于去耦橡胶外的金属外壳和防水电缆，其特征是：所述的复合材料包括聚合物材料、均匀分布于聚合物材料中的金属与压电陶瓷复合柱、镀制在复合材料上下表面的电极。

2.根据权利要求1所述的金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器，其特征是：所述的金属与压电陶瓷复合柱是由一段金属柱与一段压电陶瓷柱由导电胶进行粘接连通组成。

3.根据权利要求1所述的金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器，其特征是：所述的金属与压电陶瓷复合柱是由一段金属柱与两段压电陶瓷柱由导电胶进行粘接连通组成，一段金属柱夹在两段压电陶瓷柱之间。

4.根据权利要求1、2或3所述的金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器，其特征是：所述的金属是铝、钢或黄铜。

5.根据权利要求1、2或3所述的金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器，其特征是：所述的聚合物材料是环氧树脂、聚亚胺酯或聚氨酯。

6.根据权利要求4所述的金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器，其特征是：所述的聚合物材料是环氧树脂、聚亚胺酯或聚氨酯。

7.根据权利要求1、2或3所述的金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器，其特征是：所述的压电陶瓷柱在高度方向极化。

8.根据权利要求4所述的金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器，其特征是：所述的压电陶瓷柱在高度方向极化。

9.根据权利要求5所述的金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器，其特征是：所述的压电陶瓷柱在高度方向极化。

10.根据权利要求6所述的金属与压电陶瓷和聚合物复合材料宽带水声换能器，其特征是：所述的压电陶瓷柱在高度方向极化。

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