專利名稱：一種折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水聲換能器，特別是一種折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器。屬于 聲學傳感器領(lǐng)域，適用于水中的、用來實現(xiàn)電聲能量相互轉(zhuǎn)換的、收發(fā)合置的低頻水聲換能
O
背景技術(shù)：
迄今為止，利用聲波作為信息載體是最為有效的水下探測手段，而水聲換能器則 是其不可或缺的關(guān)鍵部件。伴隨著現(xiàn)代聲納技術(shù)的快速發(fā)展和應用要求的不斷提高，水聲 換能器的低頻、輕小型化已成為其發(fā)展的重要趨勢。目前應用較為廣泛的低頻換能器有超 磁致伸縮低頻水聲換能器、彎張換能器及其改型產(chǎn)品、彎曲換能器、溢流式嵌鑲圓管換能器 等幾種類別。M^ ^Jf ^iJCM (Steohen C. Butler, A 2. 5kHz magnetostrictive Tonpilz sonar transducer design, Amart Structures and Materials 2002 -Active Materials Behavior and Mechanics, Vol. 4669, 2002, P510-521.)中介紹了一種鋮鏑鐵稀土超磁致伸 縮材料制作的縱振復合棒式低頻水聲換能器，這種換能器利用了功能材料鋱鏑鐵的低聲速 特性使其諧振頻率顯著降低，然而換能器卻具有15kg的重量。在文獻(Kenneth D. Rolt, History of the flextensional electroacoustic transducer,The Journal of the Acoustical Society of America,March 1990, Vol. 87, No. 3，P1340-1349.)和美國專利US 492M70對基于這種發(fā)聲機理的水聲換能器進行了介 紹，它們將有源元件的某種伸縮振動模式，經(jīng)過合理的機械變換結(jié)構(gòu)，激勵產(chǎn)生頻率相對較 低的其它振動模式(如薄殼的彎曲振動)，從而實現(xiàn)低頻聲輻射。這類換能器可輕易實現(xiàn) 3kHz以下的低頻諧振，但絕大部分都具有3kg以上的質(zhì)量和相對較大的體積。美國專利US 4709361公開了一種彎曲圓盤水聲換能器，該換能器利用了結(jié)構(gòu)的 彎曲振動模態(tài)實現(xiàn)低頻諧振，但換能器受邊界支撐條件的影響很大，其應用受到了很大的 限制。在公開的文獻“溢流式嵌鑲圓管發(fā)射換能器的有限元分析”，(《魚雷技術(shù)》， Vol. 16，No. 6，2008，44-47.)文中介紹了溢流環(huán)利用赫姆霍茲共鳴液腔原理實現(xiàn)其低頻諧 振的發(fā)聲機理。所描述的溢流式嵌鑲圓管換能器實現(xiàn)了 2. 3kHz的低頻液腔諧振，但其重量 超過4kg。綜上所述，上述水聲換能器均可輕易實現(xiàn)1 3kHz的低頻電聲轉(zhuǎn)換，但它們在實 際應用中卻存在一些共同的缺點和不足(1).質(zhì)量重(一般要在幾千克甚至十幾千克)； (2).占空體積大；(3).應用受限(尤其不利于陣列布放)J4).造價高昂。因此嚴格來講， 雖然上述換能器均具有低頻的特點，但在輕小型方面卻都不具備絕對優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
為解決水聲換能器低頻率、輕小型特性共存的技術(shù)難題，本發(fā)明提供一種折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器。這種折回結(jié)構(gòu)的水聲換能器裝置，充分利用換能器的體積空間 及其結(jié)構(gòu)上的緊湊設(shè)計，合理結(jié)合不同構(gòu)件的縱向振動模態(tài)和彎曲振動模態(tài)，兼顧實現(xiàn)水 聲換能器的低頻率、輕小型特性。不僅適用范圍廣、電聲效率高、造價低廉，而且換能器收發(fā) 合置應用便捷、運行可靠。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供的折回式壓電陶瓷低頻水聲換 能器包括前輻射頭、尾質(zhì)量塊、彎曲梁、壓電晶堆、殼體和輸出電纜。所述的壓電晶堆有兩 個前壓電晶堆、兩個后壓電晶堆和一個中間反相壓電晶堆；所述的彎曲梁有前彎曲梁和后 彎曲梁；前、后彎曲梁連同前輻射頭和尾質(zhì)量塊按一定的方式分別粘接在壓電晶堆的兩端， 殼體結(jié)合密封圈實現(xiàn)水下密封，輸出電纜線通過尾質(zhì)量塊將壓電晶堆的引線連接至外激勵 源；整體結(jié)構(gòu)相互對稱。所述壓電晶堆均由偶數(shù)個壓電陶瓷薄片串聯(lián)粘接而成，相鄰兩個壓電陶瓷薄片的 極化方向是相反的，且其粘接面處有電極片引出電極，每個壓電晶堆的同性電極片電學并 聯(lián)連接，按極化方向的“正”、“負”共引出兩個抽頭，壓電晶堆兩端各有一個絕緣墊片，壓電 晶堆通過預應力螺栓施加合適的預應力。需要注意的是，為了時刻保證前、后兩個壓電晶堆 與中間反相壓電晶堆振動反相，需將前、后兩個壓電晶堆的“極化+”、“極化-”抽頭與中間 反相壓電晶堆的“極化-”、“極化+”抽頭對應連接在一起。同時為了保證結(jié)構(gòu)的可實現(xiàn)性， 需要中間反相壓電晶堆的壓電陶瓷薄片個數(shù)要適當少于前、后壓電晶堆；彎曲梁連同前輻 射頭和尾質(zhì)量塊按一定的方式分別粘接在上述壓電晶堆的兩端，前壓電晶堆、后壓電晶堆 和中間反相壓電晶堆與前彎曲梁和后彎曲梁構(gòu)成折尺狀“Z”字形折回結(jié)構(gòu)。采用的前壓電晶堆和后壓電晶堆各為兩個、一個中間反相壓電晶堆和兩個彎曲 梁；中間反相壓電晶堆粘接在前彎曲梁和后彎曲梁之間，且前彎曲梁和后彎曲梁相互垂直； 前壓電晶堆平行粘接在前輻射頭和后彎曲梁之間；后壓電晶堆平行粘接在尾質(zhì)量塊和前彎 曲梁之間；使整體結(jié)構(gòu)上具有對稱特性。為了增大輻射面積，前輻射頭制做成圓錐臺型結(jié)構(gòu)，材料為硬鋁、鋁鎂合金等輕 金屬；尾質(zhì)量塊為圓柱型結(jié)構(gòu)，材料為鋼、黃銅等重金屬；其設(shè)計的特點是為了獲得較大的 前、后端面振速比，從而增加前輻射面的聲輻射。本發(fā)明折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器，合理利用了壓電晶堆的縱向伸縮振動模 態(tài)和彎曲梁的彎曲振動模態(tài)，有效的解決了水聲換能器低頻、輕小型特性共存的問題。其有 益效果是，折回式結(jié)構(gòu)充分利用了體積空間，能有效的增加換能器的發(fā)聲功率容量，從而使 得換能器的發(fā)射能力和接收靈敏度得以提高；本發(fā)明折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器結(jié)構(gòu) 簡單、制作方便、造價低廉，尤其是前輻射面發(fā)聲的方式給換能器的應用帶來方便，使其應 用面更加的廣泛，特別適合于陣列排布。


下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明一種折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器作進一 步詳細描述。圖1為本發(fā)明折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明低頻水聲換能器中間反相壓電晶堆部分的結(jié)構(gòu)及其級聯(lián)關(guān)系示意 圖。
圖3為本發(fā)明低頻水聲換能器前壓電晶堆部分的結(jié)構(gòu)及其級聯(lián)關(guān)系示意圖。圖4為本發(fā)明低頻水聲換能器后壓電晶堆部分的結(jié)構(gòu)及其級聯(lián)關(guān)系示意圖。圖中1.前輻射頭 2.密封圈 3.前彎曲梁 4.前壓電晶堆5.中間反相壓 電晶堆 6.后壓電晶堆 7.殼體 8.后彎曲梁 9.尾質(zhì)量塊10.定位螺栓 11.殼體定位孔 12.尾質(zhì)量塊定位螺孔 13.輸出電纜線14.絕緣墊片 15.電極 片 16.電極連線 17.壓電陶瓷片18.絕緣套管 19.彈簧墊片 20.預應力螺 栓
具體實施例方式本實施例是一種折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器。包括前輻射頭1、尾質(zhì)量塊9、 彎曲梁、壓電晶堆、殼體7和輸出電纜13。其中壓電晶堆有兩個前壓電晶堆4、兩個后壓電 晶堆6和一個中間反相壓電晶堆5;彎曲梁有前彎曲梁3和后彎曲梁8 ；前、后彎曲梁連同前 輻射頭和尾質(zhì)量塊按一定的方式分別粘接在壓電晶堆的兩端，殼體結(jié)合密封圈實現(xiàn)水下密 封，輸出電纜線通過尾質(zhì)量塊將壓電晶堆的引線連接至外激勵源；整體結(jié)構(gòu)相互對稱。圖1所示是本發(fā)明折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器的結(jié)構(gòu)，前輻射頭1呈圓錐臺 型并裝有密封圈2 ；尾質(zhì)量塊9為圓柱型并裝有密封圈2 ；殼體7為圓筒型，結(jié)合兩個密封 圈2實現(xiàn)水下密封；殼體7上設(shè)置有殼體定位孔11，尾質(zhì)量塊9上設(shè)置有尾質(zhì)量塊定位螺 孔12，通過定位螺栓10實現(xiàn)殼體7的定位；輸出電纜線13通過尾質(zhì)量塊9將壓電晶堆的 引線連接至外激勵源；壓電晶堆共包含三種類型，即前壓電晶堆4、后壓電晶堆6和中間反 相壓電晶堆5，壓電晶堆結(jié)合前彎曲梁3和后彎曲梁8共同實現(xiàn)類似于折尺狀“Z”字形折回 結(jié)構(gòu)。其中前壓電晶堆4共兩個，平行粘接在前輻射頭1和后彎曲梁8之間；后壓電晶堆6 共兩個，平行粘接在尾質(zhì)量塊9和前彎曲梁3之間；中間反相壓電晶堆5僅有一個，粘接在 前彎曲梁3和后彎曲梁8之間，并保證前彎曲梁3和后彎曲梁8相互垂直。上述三種類型壓電晶堆均需要通過預應力螺栓20施以合適大小的預應力，預應 力螺栓20需與彈簧墊片19配合使用，其外套有絕緣套管18。前壓電晶堆4、后壓電晶堆6 和中間反相壓電晶堆5均由偶數(shù)個壓電陶瓷片17串聯(lián)粘接而成，壓電晶堆兩端各有一個絕 緣墊片14，相鄰的兩個壓電陶瓷片的極化方向是相反的且在其粘接面處有電極片15引出 電極，每個壓電晶堆的同性電極片通過電極連線16電學并聯(lián)連接在一起。需要注意的兩點是一、為了保證前壓電晶堆4、后壓電晶堆6每時每刻都與中間 反相壓電晶堆5的振動反相，需按壓電陶瓷片17的極化方向，將前、后兩個壓電晶堆的“極 化+”、“極化_”抽頭與中間反相壓電晶堆5的“極化_”、“極化+”抽頭對應連接在一起，然 后再共同連接到同一外激勵源上；二、為了保證結(jié)構(gòu)的可實現(xiàn)性，需要中間反相壓電晶堆5 的壓電陶瓷薄片個數(shù)要適當少于前、后壓電晶堆的壓電陶瓷薄片個數(shù)。本發(fā)明折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器的具體裝配過程如下(1).首先用環(huán)氧樹脂將壓電陶瓷片17和電極片15交叉串聯(lián)粘接在一起，并在兩 端分別粘接絕緣墊片14，形成中間反相壓電晶堆5，壓電陶瓷片的極化方向如圖2所示；(2).將中間反相壓電晶堆5和前彎曲梁3、后彎曲梁8粘接在一起，并通過預應力 螺栓20施以合適大小的預應力，預應力螺栓20需彈簧墊片19配合使用，其外套有絕緣套
5管18。粘接過程中需保證前彎曲梁3和后彎曲梁8相互垂直，如圖2所示；(3).用環(huán)氧樹脂將壓電陶瓷片17和電極片15交叉串聯(lián)粘接在一起，并在兩端分 別粘接絕緣墊片14，形成前壓電晶堆4，共粘接兩組。壓電陶瓷片的極化方向如圖3所示；(4).將兩組前壓電晶堆4平行粘接在前輻射頭1和后彎曲梁8之間，并通過預應 力螺栓20施以合適大小的預應力，預應力螺栓20需彈簧墊片19配合使用，其外套有絕緣 套管18。如圖3所示；(5).用環(huán)氧樹脂將壓電陶瓷片17和電極片15交叉串聯(lián)粘接在一起，并在兩端分 別粘接絕緣墊片14，形成后壓電晶堆6，共粘接兩組。壓電陶瓷片的極化方向如圖4所示；(6).將兩組后壓電晶堆6平行粘接在前彎曲梁3和尾質(zhì)量塊9之間，并通過預應 力螺栓20施以合適大小的預應力，預應力螺栓20需彈簧墊片19配合使用，其外套有絕緣 套管18。如圖4所示；(7).將上面的各壓電晶堆的電極片15進行并聯(lián)連線，并最終實現(xiàn)前、后兩個壓電 晶堆的“極化+”、“極化_”抽頭與中間反相壓電晶堆5的“極化_”、“極化+”抽頭對應連接 在一起，如圖2、圖3、圖4所示；(8).將上面壓電晶堆的引線通過輸出電纜線13從尾質(zhì)量塊9引出；(9).將密封圈2均勻涂抹潤滑劑后置于前輻射頭1和尾質(zhì)量塊9的對應密封槽 內(nèi)；(10).將殼體7從尾端套入，完成對換能器的水下密封。殼體7通過1個定位螺栓 10進行定位。本發(fā)明折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器的所實現(xiàn)的主要功能包括換能器兼顧水下聲波的發(fā)射與接收功能；折回式的結(jié)構(gòu)將顯著增加換能器的發(fā)聲 功率容量，充分利用了體積空間，將壓電晶堆的縱向伸縮振動模態(tài)和彎曲梁的彎曲振動模 態(tài)合理結(jié)合起來，實現(xiàn)了水聲換能器低頻率與輕小型特征的共存；活塞式的發(fā)聲方式使換 能器的應用面更加廣泛，特別適合于陣列排布；換能器殼體加密封圈式的防水設(shè)計使其在 曰常維護與檢修上更加便捷。
權(quán)利要求
1.一種折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器，包括前輻射頭、尾質(zhì)量塊、彎曲梁、壓電晶堆、 殼體和輸出電纜，其特征在于所述的壓電晶堆有兩個前壓電晶堆G)、兩個后壓電晶堆 (6)和一個中間反相壓電晶堆(5)；所述的彎曲梁有前彎曲梁(3)和后彎曲梁⑶；前、后彎 曲梁連同前輻射頭(1)和尾質(zhì)量塊(9)按一定的方式分別粘接在壓電晶堆的兩端，殼體(7) 結(jié)合密封圈(2)實現(xiàn)水下密封，輸出電纜線(13)通過尾質(zhì)量塊(9)將壓電晶堆的引線連接 至外激勵源；整體結(jié)構(gòu)相互對稱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器，其特征在于所述前壓電 晶堆G)、后壓電晶堆(6)和中間反相壓電晶堆(5)，與前彎曲梁(3)和后彎曲梁⑶構(gòu)成 折尺狀“Z”字形折回結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器，其特征在于所述壓電晶 堆均由偶數(shù)個壓電陶瓷片(17)串聯(lián)粘接而成，每個壓電晶堆的同性電極片通過電極連線 (16)電學并聯(lián)連接在一起；中間反相壓電晶堆(5)的壓電陶瓷薄片個數(shù)要適當少于前、后 壓電晶堆的壓電陶瓷薄片個數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器，其特征在于按壓電陶瓷 片(17)的極化方向，將前、后兩個壓電晶堆的“極化+”、“極化_”抽頭與中間反相壓電晶堆(5)的“極化_”、“極化+”抽頭對應連接在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器，其特征在于所述的中間 反相壓電晶堆(5)粘接在前彎曲梁(3)和后彎曲梁⑶之間，且前彎曲梁(3)和后彎曲梁 (8)相互垂直；前壓電晶堆(4)平行粘接在前輻射頭(1)和后彎曲梁(8)之間；后壓電晶堆(6)平行粘接在尾質(zhì)量塊(9)和前彎曲梁( 之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器，其特征在于所述壓電晶 堆均需要通過預應力螺栓00)施以合適大小的預應力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種折回式壓電陶瓷低頻水聲換能器，包括前輻射頭、尾質(zhì)量塊、前后彎曲梁、前后壓電晶堆、中間反相壓電晶堆、殼體和輸出電纜線；前、后彎曲梁連同前輻射頭和尾質(zhì)量塊按一定的方式分別粘接在上述壓電晶堆的兩端，使壓電晶堆實現(xiàn)折尺狀“Z”字形折回結(jié)構(gòu)。殼體結(jié)合密封圈實現(xiàn)水下密封。輸出電纜線通過尾質(zhì)量塊將壓電晶堆的引線連接至外激勵源。本發(fā)明充分利用換能器的體積空間，增加其發(fā)聲功率容量，通過壓電晶堆的縱向伸縮振動模態(tài)和彎曲梁的彎曲振動模態(tài)的合理結(jié)合，實現(xiàn)了水聲換能器低頻率與輕小型特征的共存，具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、造價低廉、拆裝便捷、應用廣泛的優(yōu)點。
文檔編號G10K9/12GK102136268SQ20111003017
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月27日
發(fā)明者揚虎, 朱寧, 滕舵, 陳航 申請人:西北工業(yè)大學