一種水聲換能器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種水聲換能器，包括壓電復(fù)合材料片、背襯、電極引線、外殼、保護(hù)層、邊條和金屬板。壓電復(fù)合材料片由壓電晶體骨架和填充其間的聚合物構(gòu)成，壓電復(fù)合材料片固定于背襯上，金屬板覆蓋于壓電復(fù)合材料片上，金屬板的上面設(shè)置保護(hù)層，換能器電信號的輸入或輸出引線從壓電復(fù)合材料片的上電極和金屬板可直接焊接引出。在壓電復(fù)合材料器件上覆蓋金屬板，解決電信號引出線直接焊接問題，簡化了換能器的制作工藝。而且，通過覆蓋的金屬板將外界作用于水聲換能器的聲壓信號傳遞到壓電復(fù)合材料片，使壓電晶體骨架的壓電柱所承受的端面壓力增加，提高了水聲換能器的靈敏度。
【專利說明】一種水聲換能器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及水聲換能器，具體涉及到一種利用壓電復(fù)合材料器件作為換能部件的水聲換能器。
【背景技術(shù)】
[0002]水聲設(shè)備是重要的海洋觀測設(shè)備，利用聲波攜帶信息對水下目標(biāo)進(jìn)行探測和識另O。換能器是水聲設(shè)備的關(guān)鍵部件，水聲設(shè)備依靠它實現(xiàn)電、聲能量互換。依據(jù)工作狀態(tài)不同，換能器分成兩大類:將電磁能量轉(zhuǎn)換成聲能的發(fā)射換能器和將聲能轉(zhuǎn)換為電磁能量的接收換能器(或稱為水聽器)。發(fā)射換能器把電磁振蕩能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動能，從而推動水介質(zhì)進(jìn)行振動，把電信號轉(zhuǎn)換成在海洋中傳播的聲信號，輻射聲能；接收換能器把機(jī)械振動能轉(zhuǎn)換成電磁振蕩能量，把聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大和處理后，送到顯示器中進(jìn)行觀察和識別。目前換能器中運(yùn)用較為廣泛的是壓電換能器，利用壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，進(jìn)行機(jī)械能和電能之間能量轉(zhuǎn)換。某些晶體因受外力作用而發(fā)生形變時，在它的某些表面上會出現(xiàn)電荷，出現(xiàn)壓電效應(yīng)，具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體。壓電效應(yīng)是可逆的，即晶體在外電場的作用下要發(fā)生形變，即反向壓電效應(yīng)或逆壓電效應(yīng)。
[0003]壓電換能器中使用最多的是壓電晶體器件，由壓電復(fù)合材料組成。壓電復(fù)合材料是由壓電晶體和聚合物復(fù)合而成，使壓電復(fù)合材料器件既具有壓電晶體器件的強(qiáng)壓電性，又具有一定的柔性，阻抗低，以及易于水介質(zhì)匹配等特點，適宜應(yīng)用于水聲換能器中。
[0004]圖1現(xiàn)示現(xiàn)有技術(shù)的一種應(yīng)用壓電晶體器件的水聲換能器，包括:壓電晶體骨架
1、聚合物2、背襯3、電極引線4、導(dǎo)電圈5、下電極6、外殼7、保護(hù)層8和上電極9。壓電晶體骨架I中填充聚合物，形成壓電復(fù)合材料片。在壓電復(fù)合材料片和外殼7之間，以及壓電復(fù)合材料片表面澆注透聲水密材料形成保護(hù)層8。為了便于焊接輸入/輸出電信號引線，在壓電復(fù)合材料片和背襯3之間設(shè)有導(dǎo)電圈5,壓電復(fù)合材料片固定在導(dǎo)電圈5上,在復(fù)合材料片的上電極9和導(dǎo)電圈5上分別引出兩根電信號輸入/輸出引線4。
[0005]圖2現(xiàn)示圖1中壓電復(fù)合材料片的結(jié)構(gòu)。壓電復(fù)合材料片包括壓電晶體骨架1、聚合物2、上電極9、下電極6。壓電晶體骨架I由并聯(lián)排列的壓電晶體柱和壓電晶體基板組成，壓電晶體柱固定在壓電晶體基板上，壓電晶體柱和底面的壓電晶體板連接成一體，壓電晶體柱的長度方向和壓電晶體的極化方向相同。并聯(lián)排列的壓電晶體柱與壓電晶體基板形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，壓電復(fù)合材料片結(jié)構(gòu)中在橫向和縱向都有壓電晶體骨架I支撐，使壓電復(fù)合材料片具有較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特性。這種換能器的特點是在受熱和外力沖擊下不易變形，具有較為寬廣的適用性。
[0006]但是，上述現(xiàn)有技術(shù)的換能器中壓電復(fù)合材料器件作為換能器的壓電部件，其電極制備和電信號引出線焊接存在某些問題:壓電復(fù)合材料片的上電極是壓電晶體制作過程中燒結(jié)形成的金屬電極，可以直接焊接引出線；而壓電復(fù)合材料片的下電極沿用涂覆銀漿、濺射或沉積金屬導(dǎo)電層的方法制備，涂覆銀漿制備的電極無法直接焊接引線，通過濺射或沉積金屬導(dǎo)電層方法制備的電極雖可以焊接，但是制作成本昂貴，影響其廣泛使用。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用壓電晶體器件的水聲換能器中壓電復(fù)合材料器件存在電極制備和焊接引線不易的問題，本實用新型推出一種新型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的水聲換能器，在壓電復(fù)合材料器件上覆蓋金屬板，解決電信號引出線直接焊接問題；而且，通過覆蓋的金屬板將外界作用于水聲換能器的聲壓信號傳遞到壓電復(fù)合材料片，使壓電晶體骨架的壓電柱所承受的端面壓力增加，提高了水聲換能器的靈敏度。
[0008]本實用新型所涉及的水聲換能器，包括壓電復(fù)合材料片、背襯、電極引線、外殼、保護(hù)層、邊條和金屬板。壓電復(fù)合材料片由壓電晶體骨架和填充其間的聚合物構(gòu)成，壓電復(fù)合材料片固定于背襯上，金屬板覆蓋于壓電復(fù)合材料片上，金屬板的上面設(shè)置保護(hù)層，換能器電信號的輸入或輸出弓I線從壓電復(fù)合材料片的上電極和金屬板可直接焊接引出。
[0009]壓電復(fù)合材料片中壓電晶體骨架由沿互相成一定角度的2個方向切割而成的并聯(lián)排列壓電晶體柱和未切透而形成的壓電晶體基板組成。壓電晶體是上下表面都燒結(jié)有金屬電極、并且經(jīng)過電極化的壓電陶瓷或壓電單晶。壓電晶體柱固定在壓電晶體基板上，壓電晶體柱和底面的壓電晶體板連接成一體，壓電晶體柱的長度方向和壓電晶體的極化方向相同。并聯(lián)排列的壓電晶體柱與壓電晶體基板形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，壓電復(fù)合材料在橫向和縱向都有壓電晶體骨架支撐，具有較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特性。
[0010]覆蓋于壓電復(fù)合材料片上的金屬板是具有良好的導(dǎo)電性能且具有一定硬度的金屬板，是銅片、鉬片和鈦片等
[0011]背襯置于壓電復(fù)合材料片和外殼之間，是閉孔耐壓發(fā)泡塑料。
[0012]邊條置于壓電復(fù)合材料片的四周，用來固定壓電復(fù)合材料片在外殼中的位置，是環(huán)氧樹脂板或聚氯乙烯板等具有絕緣性能的塑料板。邊條內(nèi)有導(dǎo)線槽。
[0013]保護(hù)層介于壓電復(fù)合材料片和換能器外部的水媒介之間，是具有水密功能和透聲性能的聚合物，由聚氨酯或氯丁橡膠制成。
[0014]壓電復(fù)合材料片上覆蓋有金屬板，提高了水聲換能器的靈敏度。
[0015]設(shè)壓電復(fù)合材料片中有η個并行排列的壓電晶體柱，S1為壓電晶體柱端面的面積，金屬板的面積為S2。
[0016]當(dāng)水聲換能器中壓電復(fù)合材料片上表面處于某個聲壓P1環(huán)境中時，
[0017]若沒有覆蓋金屬板，則壓電復(fù)合材料片中壓電晶體柱端面承受的聲壓為Pl。復(fù)合材料片上表面所受到的作用力F1為:
[0018]F1=P1.η.S1
[0019]當(dāng)覆蓋有金屬板的壓電復(fù)合材料片上表面同樣處于聲壓P1時，金屬板上表面受到的作用力F2為:
[0020]F2=P1.S2
[0021]聲壓Pl作用到金屬板上，產(chǎn)生作用力F2。F2經(jīng)金屬板后，作用到η個壓電晶體柱上，則，實際作用到覆蓋有金屬板的壓電復(fù)合材料片中壓電晶體柱端面上的聲壓P2為:
[0022]P2=F2/ (η.S1)
[0023]P2=F2/ (η.S1) = (P1.S2) / (η.S1)
[0024]因為S2 > η.S1，所以 ρ2 > Pl。[0025]即，當(dāng)水聲換能器的上表面處于某一聲壓P1環(huán)境時，壓電復(fù)合材料片上覆蓋有金屬板時，水聲換能器壓電復(fù)合材料片中壓電晶體柱承受的聲壓P2大于壓電復(fù)合材料片上沒有覆蓋金屬板的換能器壓電復(fù)合材料片中壓電晶體柱承受的聲壓Pl。按照壓電效應(yīng)的原理，覆蓋有金屬板的水聲換能器輸出的電信號也較大，故壓電復(fù)合材料片上覆蓋金屬板的水聲換能器具有較高的換能器靈敏度。
[0026]本實用新型的主要優(yōu)點是:
[0027]a)本實用新型換能器的壓電部件為壓電復(fù)合材料片，使得換能器具有壓電復(fù)合材料片的優(yōu)點，即在復(fù)合材料片的橫向和縱向均有壓電晶體骨架支撐，使得其性能相對較穩(wěn)定，不易受到外界的環(huán)境溫度變化和外部機(jī)械沖擊的影響；
[0028]b)本實用新型針對壓電復(fù)合材料片的特殊結(jié)構(gòu)，在其上面覆蓋金屬板，水聲換能器電信號的輸入/輸出可直接通過焊接金屬電極引線實現(xiàn)，解決換能器中壓電部件電極焊接問題，簡化了換能器的制作工藝；
[0029]C)壓電復(fù)合材料換能器結(jié)構(gòu)中，由于在壓電復(fù)合材料片中壓電晶體柱的兩端具有硬質(zhì)的平板，使之在受到外界聲壓作用時，較沒有覆蓋金屬板的現(xiàn)有技術(shù)復(fù)合材料換能器，承受同樣的聲壓，輸出的電信號強(qiáng)，使水聲換能器具有較高的靈敏度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的水聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖； [0031]圖2是圖1中壓電復(fù)合材料片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3是本實用新型的水聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖4是圖3中壓電復(fù)合材料片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖中標(biāo)記說明:
[0035]1.壓電晶體骨架 2.聚合物
[0036]3.背襯4.電極引線
[0037]5.導(dǎo)電圈6.下電極
[0038]7.外殼8.保護(hù)層
[0039]9.上電極10.邊條
[0040]11.金屬板
【具體實施方式】
[0041]結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。圖3和圖4顯示了本實用新型涉及的水聲換能器及其壓電復(fù)合材料片的基本結(jié)構(gòu)。
[0042]如圖所示，本實用新型發(fā)明涉及的水聲換能器包括:壓電復(fù)合材料片、背襯3、電極引線4、外殼7、保護(hù)層8、壓電復(fù)合材料片的上電極9、邊條10和金屬板11。
[0043]壓電復(fù)合材料片和外殼之間設(shè)置有背襯3,壓電復(fù)合材料片固定于背襯3上。壓電復(fù)合材料片上覆蓋金屬板11。金屬板11的上面設(shè)置保護(hù)層8。換能器電信號的輸入或輸出引線4從壓電復(fù)合材料片的上電極9和金屬板11焊接引出。在外殼7和壓電復(fù)合材料片四周設(shè)置邊條10。
[0044]壓電復(fù)合材料片包括壓電晶體骨架I和聚合物2。壓電晶體骨架I由壓電基板和并行排列于其上的諸多壓電晶體柱組成，它們相連為一個整體。聚合物2填充于壓電晶體骨架I中，組成壓電復(fù)合材料片。
[0045]金屬板11承接透過保護(hù)層、具有一定聲強(qiáng)的外界聲波振動信號，并傳遞到其中壓電復(fù)合材料片中的壓電晶體柱上，壓電晶體柱感知端面的壓強(qiáng)信號，由壓電效應(yīng)輸出相應(yīng)的電信號，壓電晶體感知輸出的電信號通過電極引線輸出水聲換能器的信號。水聲換能器的靈敏度隨著壓電晶體柱所受壓強(qiáng)的增大而增大。本實用新型中壓電復(fù)合材料換能器中壓電晶體柱受到的聲壓作用比沒有覆蓋金屬板的壓電復(fù)合材料換能器受到作用的聲壓大，按照壓電效應(yīng)的原理，本實用新型換能器輸出的電信號也較大，即換能器的接收靈敏度增加了。
[0046]用環(huán)氧樹脂作為非壓電相材料，壓電陶瓷或壓電單晶作為復(fù)合材料的壓電相材料，利用切割-填充法制備壓電復(fù)合材料。背襯材料為閉孔發(fā)泡塑料，由機(jī)械加工而成。金屬板選用導(dǎo)電性良好且有一定硬度的金屬材料，經(jīng)機(jī)械加工而成。邊條選用PVC塑料，經(jīng)機(jī)械加工而成的。水密層選用具有水密、透聲性能的材料，經(jīng)過澆注而成。外殼選用防海水腐蝕的金屬，經(jīng)機(jī)械加工而成。
【權(quán)利要求】
1.一種水聲換能器,其特征在于，包括壓電復(fù)合材料片、背襯(3)、電極引線(4)、外殼(7)、保護(hù)層(8)、邊條(10)和金屬板(11)，壓電復(fù)合材料片由壓電晶體骨架(I)和填充其間的聚合物(2)構(gòu)成，壓電復(fù)合材料片固定于背襯(3)上，金屬板(11)覆蓋于壓電復(fù)合材料片上，金屬板(11)的上面設(shè)置保護(hù)層(8)，電極引線(4)從壓電復(fù)合材料片的上電極和金屬板(11)可直接焊接引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述水聲換能器，其特征在于，所述覆蓋于壓電復(fù)合材料片上的金屬板(11)是具有良好導(dǎo)電性能、易于焊接且具有一定硬度的金屬板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述水聲換能器，其特征在于，所述背襯(3)處于壓電復(fù)合材料片和外殼之間，為閉孔耐壓發(fā)泡塑料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述水聲換能器，其特征在于，所述邊條(10)處于壓電復(fù)合材料片的四周，固定壓電復(fù)合材料片在外殼中的位置，為環(huán)氧樹脂板或PVC的具有絕緣性能的塑料板,邊條(10)內(nèi)有導(dǎo)線槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述水聲換能器，其特征在于，所述保護(hù)層(8)介于壓電復(fù)合材料片和換能器外部的水媒介之間，是具有水密功能和透聲性能的聚合物。
【文檔編號】G10K9/122GK203787081SQ201420179250
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】李光, 張選民, 李墨, 關(guān)宏韜 申請人:國家海洋技術(shù)中心