CN1621163A - 新型宽带超声压电复合换能器 - Google Patents

Abstract

本发明属于压电学及敏感技术领域。用于舰船、潜艇的水下声学宽带接收或发射换能器。本发明的新型宽带超声压电复合换能器包括压电陶瓷片和粘接在压电陶瓷片上、下两端帽电极。在不改变该换能器基本结构的前提下，采用两端帽电极的不同材料厚度实现新型宽带超声压电复合换能器。优点是充分利用了结构不对称现象，实现了特定工作带宽的要求，使设计简化。

Description

新型宽带超声压电复合换能器

所属技术领域

本发明属于压电学及敏感技术领域。利用压电器件进行力学量、声学信号测量的领域，其主要用于舰船、潜艇的水下声学宽带接收或发射换能器。

背景技术

现有技术的超声压电复合换能器是在压电陶瓷片两侧各粘接一片厚度相同的拱形圆帽电极，构成金属——陶瓷压电复合换能器。它是利用金属端帽的这种特殊形状，将压电陶瓷片的横向压电效应转换并放大成纵向压电效应，使得换能器的等效压电常数增大。这种器件文献记载很多，例如欧洲专利EP-238187『钹式接触微音器』、德国专利DE3508719『钹式拾音器』、世界专利WO200119136『电声换能器』，它们都涉及到了该种形式的压电复合换能器。由于上、下两电极粘接和元件的几何尺寸的不对称性，可引起换能器产生多谐振，这是使用者所不期望的。

发明内容

本发明的目的利用金属——陶瓷压电复合换能器上、下两电极结构的不对称特性，设计一种既能保持该种结构换能器的较高的压电性，又能制作出实用、工艺简单的宽带超声压电复合换能器，用于宽带窄脉冲接收或发射换能器。

为达到上述目的，本发明的宽带超声压电复合换能器，包括压电陶瓷片(1)和粘接在压电陶瓷片(1)上的上端帽电极(2)、下端帽电极(3)，其特征是：上端帽电极(2)厚度t_b1与下端帽电极(3)厚度t_b2不相同，其中t_b1和t_b2的取值范围分别为0.15mm～0.59mm。

本发明的技术方案进一步包括上端帽电极(2)厚度t_b1小于下端帽电极(3)厚度t_b2，或上端帽电极(2)厚度t_b1大于下端帽电极(3)厚度t_b2的情况。

本发明的新型宽带超声压电复合换能器的优点是：

1)充分利用了结构不对称现象，实现了特定工作带宽的要求，在不改变该换能器基本结构的前提下，仅仅改变上、下端帽电极的材料厚度，使上、下端帽电极在工作时产生两个不同的谐振频率。

2)本方案使得新型宽带超声压电复合换能器的设计简单化，在实际设计时，只要测出两个不同端帽电极材料厚度的换能器的谐振频率，就可确定相关公式中的系数B，从而设计出所需要的宽带换能器。

3)由于本方案没有改变换能器的基本结构，因此，换能器本身的压电系数没有改变，制作方法没有改变，制作工艺仍保持原来的方法，简单易行。

附图说明

图1为新型宽带超声压电复合换能器变端帽电极厚度结构截面图。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明新型宽带超声压电复合换能器做进一步详细描述。

本发明新型宽带超声压电复合换能器第一个实施例是采用两端帽电极的不同材料厚度，上、下端帽内腔深度相同，其特征是：上端帽电极2厚度t_b1小于下端帽电极3厚度t_b2，其中t_b1和t_b2的差值范围分别为0.15mm～0.59mm。

当本发明新型宽带超声压电复合换能器的第一工作谐振频率f_B1和工作带宽(即f_B2-f_B1)确定后，端帽电极材料厚度差Δt_b可根据下式

         f_B2＝B·Δt_b+f_B1                    (1)

计算出Δt_b，从而可以根据已知的一个端帽电极厚度得到另外一个端帽电极厚度。

式中B为实验常数，它是这样得到的：上下电极厚度均为a1时，测得一个谐振频率f1，上下电极厚度均为a2时，测得一个谐振频率f2，则B为|f1-f2|与|a1-a2|之间的比值，这是由于谐振频率的大小与上、下端帽电极的材料厚度成线性关系，故该比值是一个常数，f_B1为上端帽电极2、下端帽电极3材料厚度相同时的第一工作谐振频率。

给定如下参数：

压电陶瓷片1的厚度t_p＝1mm、压电陶瓷片1的直径d_p＝12mm、端帽电极2和3的内腔直径d_e2＝9mm、端帽电极2和3的顶端直径d_e1＝3mm、端帽电极2和3的内腔深度t_e1＝t_e2＝0.5mm时，f_B1＝33KHz(上、下端帽电极材料厚度都为t_b1＝0.15mm)，B＝52KHz/mm时，如果设计带宽Δf_B＝7KHz，即f_B2＝40KHz，根据式(1)可得到Δt_b＝0.1mm，即t_b2＝t_b1+Δt_b＝0.25mm，这样可以得到下端帽电极3的厚度t_b2。

本发明新型宽带超声压电复合换能器第二个实施例是当其它条件与第一实施例相同时，如果设计带宽Δf_B＝13KHz，即f_B2＝46KHz，根据式(1)可得到Δt_b＝0.25mm，即t_b2＝t_b1+Δt_b＝0.4mm，这样可以得到下端帽电极3的厚度t_b2。

本发明新型宽带超声压电复合换能器第三个实施例是当其它条件与第一实施例相同时，如果设计带宽Δf_B＝23KHz，即f_B2＝56KHz，根据式(1)可得到Δt_b＝0.44mm，即t_b2＝t_b1+Δt_b＝0.59mm，这样可以得到下端帽电极3的厚度t_b2。

本发明新型宽带超声压电复合换能器第四个实施也是采用两端帽电极材料厚度不同的方案，与以上三个实施例不同之处在于上端帽电极2材料厚度大于下端帽电极3材料厚度，其它与第一个实施例相同。因此，不再赘述。

上述四种实施例都是在给定带宽Δf_B，从而计算出另一个端帽电极t_b2的厚度。也可以先设定端帽电极t_b2的厚度，从而计算出相应的带宽Δf_B。

上述几种实施例都是在给定特定的压电陶瓷片的厚度、压电陶瓷片的直径、端帽电极的内腔直径、端帽电极的顶端直径情况下获得的。在实际应用中上述参数也是可以改变的，当有的参数改变时，其计算方法也是应用公式(1)，只是系数B不同而已。

Claims (3)

1、一种宽带超声压电复合换能器，包括压电陶瓷片(1)和粘接在压电陶瓷片(1)上的上端帽电极(2)、下端帽电极(3)，其特征是：上端帽电极(2)厚度t_b1与下端帽电极(3)厚度t_b2不相同，其中t_b1和t_b2的取值范围分别为0.15mm～0.59mm。

2、如权利要求1所述的宽带超声压电复合换能器，其中上端帽电极(2)厚度t_b1小于下端帽电极(3)厚度t_b2。

3、如权利要求1所述的宽带超声压电复合换能器，其中上端帽电极(2)厚度t_b1大于下端帽电极(3)厚度t_b2。