專利名稱：金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水聲換能器，特別是涉及一種中高頻寬帶水聲換能器，該換 能器可以應(yīng)用于水聲通信聲納、水聲成像聲納等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在人們所熟知的各種輻射形式中，以聲波在海水中的傳播為最佳。因此，在利用和 開發(fā)海洋事業(yè)中，人們廣泛地利用水聲。水聲的應(yīng)用構(gòu)成了聲納的工程學(xué)科，而以這種或那 種形式利用水聲的系統(tǒng)叫做聲納系統(tǒng)。水聲換能器是聲納系統(tǒng)的重要組成部分。換能器一 般都是指電聲換能器，凡能實現(xiàn)電能和聲能間相互轉(zhuǎn)換的換能器都稱為電聲換能器，用來 發(fā)射聲波的換能器叫發(fā)射器。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時，將電能轉(zhuǎn)換成機械能，再轉(zhuǎn)換為聲 能。用來接收聲波的換能器叫接收器。換能器處在接收狀態(tài)時，將聲能轉(zhuǎn)化為機械能，再轉(zhuǎn) 換成電能。一般情況下，換能器既能用來發(fā)射，也能用來接收。隨著水聲換能器的發(fā)展，不斷地要求開發(fā)新型的換能材料，20世紀60年代人們開 發(fā)出以鋯鈦酸鉛(PZT)為代表的壓電陶瓷，這類材料具有壓電性能好，機電耦合系數(shù)高等 特點。但其阻抗高，難于與空氣和水匹配，密度大、易碎、加工困難。20世紀70年代，以聚偏 氟乙烯(PVDF)為代表的高分子壓電材料柔順性好，可制成大而均勻的薄膜，阻抗與空氣、 皮膚和水匹配，但其壓電常數(shù)和機電耦合系數(shù)較小。到20世紀80年代初，人們?yōu)榱碎_發(fā) 各種水聲換能器，試圖尋找一種兼有陶瓷和聚合物兩者優(yōu)點，并能抑制各自缺點的新材料， 從而開始了陶瓷聚合物壓電復(fù)合材料的研究。1978年，Newnham提出了復(fù)合材料中各組分 之間的連通性的概念，在此基礎(chǔ)上人們相繼研究成功1-3型、3-1型、3-2型、3-3型、0_3型、 2-2型以及月牙和帽狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，使得壓電性能大幅度提高。壓電復(fù)合材料是指壓電陶瓷和聚合物按一定的連通方式、一定的體積或質(zhì)量比， 以及一定的空間幾何分布復(fù)合而成的材料。在壓電復(fù)合材料中，壓電陶瓷作為壓電活性材 料，一般選擇具有高壓電性能的壓電陶瓷，提供強壓電效應(yīng)。聚合物一般選擇環(huán)氧樹脂等高 分子材料，這類材料聲學(xué)阻抗低、柔性好，與壓電陶瓷進行復(fù)合可降低材料的聲阻抗、密度 和介電常數(shù)，增加材料的彈性柔順性。1-3型壓電復(fù)合材料是由一維連通的壓電陶瓷柱平行排列于三維連通的聚合物基 體中而構(gòu)成的兩相壓電復(fù)合材料，其極化方向與壓電陶瓷柱高度方向相同，如圖1所示，材 料1和4為電極，材料2為壓電陶瓷，材料3為聚合物。1-3型壓電復(fù)合材料的工作機理 如下在入射聲場作用下，基體產(chǎn)生應(yīng)變并將應(yīng)變傳到陶瓷棒上，此應(yīng)變通過壓電陶瓷棒的 壓電效應(yīng)，在1-3型壓電復(fù)合材料的上下表面電極之間產(chǎn)生電壓差；相反，通過反向壓電效 應(yīng)，在兩電極之間加一交變電壓，即可產(chǎn)生聲場。利用1-3型壓電復(fù)合材料制作的發(fā)射器具有很多優(yōu)點制作成本低；由于聚合物 比較柔軟，可以共形；由于聚合物具有彈性，因而可在高壓下工作，耐沖擊且抗張能力強； 壓力穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性好；聲阻抗低，使其易于與媒質(zhì)相匹配，從而使得帶寬較寬。寬帶的換能器具有很多的優(yōu)點。首先，換能器的帶寬對信號傳輸有著非常重要的
3影響。在頻域，影響傳輸聲信號的頻譜；在時域，影響信號的波形。寬帶換能器的信號保持 的很好，頻譜很寬，而窄帶的換能器信號的波形嚴重畸變，且頻譜很窄，會損失信息，因此使 用寬帶換能器在信號的傳輸方面具有很大的優(yōu)勢。其次，換能器能夠?qū)拵Оl(fā)射，使發(fā)射信號 不局限于單頻脈沖，還可以發(fā)射調(diào)頻信號。尤其對于通訊聲納和水下機器人，寬帶換能器可 以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。在圖像聲納中增加換能 器的帶寬也可以大幅度提高回波的信息量，提高分辨力和圖像質(zhì)量，有利于目標識別、參數(shù) 估計。水聲對抗中運用寬帶換能器構(gòu)成的寬帶陣，在多個頻率點進行收發(fā)，可以提高抗干擾 能力，使命中率大大提高。此外，對于整個收發(fā)換能器系統(tǒng)來說，換能器工作帶寬的增加還 可以提高陣的增益。制作中高頻寬帶發(fā)射換能器是眾多聲納系統(tǒng)對換能器的要求之一。但對于高頻發(fā) 射換能器來說，將其制作成寬帶換能器具有一定的難度，因為換能器的機械尺寸通常與換 能器的共振頻率成反比，也就是說換能器共振頻率越高時，換能器的機械尺寸越小，這樣很 難將中低頻換能器拓展帶寬的方法應(yīng)用于高頻換能器。1-3型壓電復(fù)合材料適合應(yīng)用于中高頻換能器。拓寬1-3型壓電復(fù)合材料換能器 帶寬的通常方法為在壓電復(fù)合材料前加匹配層，這樣可以產(chǎn)生兩個諧振峰，從而達到拓寬 帶寬的目的(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，隨著時間的推移，匹配層的 性能會有變化，這樣會造成換能器性能的不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種易于共形、耐水壓性能好、聲阻抗低，可以實現(xiàn)中高 頻、寬帶、大功率的輻射性能的金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器包括復(fù)合材料、包于復(fù)合材料 側(cè)面及底面的去耦橡膠，位于復(fù)合材料上表面的密封透聲橡膠、包于去耦橡膠外的金屬外 殼和防水電纜，所述的復(fù)合材料包括聚合物材料、均勻分布于聚合物材料中的金屬與壓電 陶瓷復(fù)合柱、鍍制在復(fù)合材料上下表面的電極。本發(fā)明還可以包括1、所述的金屬與壓電陶瓷復(fù)合柱是由一段金屬柱與一段壓電陶瓷柱由導(dǎo)電膠進 行粘接連通組成。2、所述的金屬與壓電陶瓷復(fù)合柱是由一段金屬柱與兩段壓電陶瓷柱由導(dǎo)電膠進 行粘接連通組成，一段金屬柱夾在兩段壓電陶瓷柱之間。3、所述的金屬是鋁、鋼或黃銅。4、所述的聚合物材料是環(huán)氧樹脂、聚亞胺酯或聚氨酯。5、所述的壓電陶瓷柱在高度方向極化。本發(fā)明的主要優(yōu)點是
(a)本發(fā)明將單端激勵的原理引入到1-3型壓電復(fù)合材料換能器中，提出了一種 新型1-3型壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(即金屬一壓電陶瓷一聚合物復(fù)合材料)，將其制作成水聲換 能器，從而提供了一種中高頻換能器的寬帶發(fā)射方法，尤其是解決了高頻換能器(頻率大 于100kHz)寬帶發(fā)射的問題。(b)本發(fā)明的換能器是金屬、壓電陶瓷和聚合物復(fù)合而成的，因此與傳統(tǒng)換能器相 比，聲阻抗低，易于與水介質(zhì)匹配。(c)本發(fā)明的換能器由于填充物是柔軟的聚合物材料，因此新型復(fù)合材料換能器 方便制作成曲面，更易于共形。(d)本發(fā)明的換能器由于是金屬、壓電陶瓷和聚合物復(fù)合而成的實心材料，因此該 換能器的耐水壓能力較強。(e)本發(fā)明的換能器由于結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕，因此適合布陣需求。


圖1是1-3型壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的第一種實施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的第一種實施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明的金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料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)明做更詳細地描述結(jié)合圖2和圖4，本發(fā)明的第一種實施方式的復(fù)合材料9由材料6、材料7和材料8 復(fù)合而成，材料5是在復(fù)合材料上下表面鍍的電極。其中材料6、7和8構(gòu)成了新型復(fù)合材 料的基體，材料5附著在新型復(fù)合材料的上下表面。其中，材料6為金屬材料，例如硬鋁、鋼、黃銅，其連通方式為一維連通。材料7為 壓電陶瓷，其連通方式為一維連通。材料8為聚合物材料，例如環(huán)氧樹脂、聚亞胺酯、聚氨 酯，其連通方式為三維連通，材料5為均勻覆蓋在材料6、8端面和材料7、8端面(即圖2和 圖3中的上下表面)的電極材料，電極材料可以使用金、銀、銅和鎳。上述技術(shù)方案中，振動小柱的材料7在材料6的下方，如圖2所示。上述技術(shù)方案中，所述的材料7在使用壓電陶瓷時，壓電陶瓷柱需在高度方向極 化。上述技術(shù)方案中，所述的材料6和7可以采用方柱的形式，也可以采用圓柱的形式。上述技術(shù)方案中，所述的材料7除了使用壓電陶瓷外，還可以使用各種具有壓電 效應(yīng)的換能材料，例如壓電單晶體、弛豫鐵電單晶(PZNT和PMNT)。上述技術(shù)方案中，所述材料6和材料7需用導(dǎo)電膠進行粘接。本發(fā)明所述的金屬一壓電陶瓷一聚合物復(fù)合材料制備方法，包括以下步驟(1)制備方柱狀或圓柱狀的材料6和材料7。
(2)將材料7進行電極化處理。(3)利用導(dǎo)電膠粘結(jié)材料6和材料7。(4)按一定的順序排列材料6和材料7的復(fù)合小柱。(5)在上述排列好的復(fù)合小柱陣中填充材料8。(6)在材料6、8端面和材料7、8端面均勻鋪設(shè)電極5。其中，步驟(1)中材料6的制備方法為線切割，材料7的制備方法為切割或擠壓成型。步驟(5)中填充材料8的方法可以用灌注的方法。步驟(6)鋪設(shè)電極5的方法可以采用噴射、濺射、化學(xué)鍍、電鍍等。金屬一壓電陶瓷一聚合物復(fù)合材料寬帶換能器采取如下技術(shù)方案金屬一壓電陶瓷一聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器，包括金屬一壓電陶瓷一聚合 物復(fù)合材料(材料9)、密封透聲橡膠(材料10)、去耦橡膠(材料12)、金屬外殼(材料11) 和防水電纜(材料13)，如圖4所示。上述技術(shù)方案中，需將材料6、8端面(金屬一聚合物端面)作為聲能輻射面，如圖 4所示。上述技術(shù)方案中，材料10為防水透聲層，可以采用聚氨酯、聚亞胺酯或環(huán)氧樹脂。 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10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12為軟木橡膠，它是一種去耦材料，與相鄰兩邊介質(zhì)(例 如壓電陶瓷、金屬、聚合物等)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。結(jié)合圖3，本發(fā)明的第二種實施方式是在第一種實施方式的基礎(chǔ)上，振動小柱采用 如下形式材料7夾在材料6的中間，且材料7上方的材料6與材料7下方的材料6可以使 用相同的金屬材料，也可以使用不同的金屬材料。該技術(shù)方案中，將材料上表面(即材料6小柱較長的一面)作為聲能輻射面。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)， 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?，此時，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。單端激勵的原理在復(fù)合棒換能器上已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。本發(fā)明首次將單端激 勵的原理引入到1-3型壓電復(fù)合材料發(fā)射換能器中，提出了一種新型1-3型壓電復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)，即金屬一壓電陶瓷一聚合物復(fù)合材料(如圖2和圖3所示)，將其制作成水聲換能器， 提供了一種中高頻換能器實現(xiàn)寬帶的方法。這種金屬一壓電陶瓷一聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線如 圖5所示。該換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線一般包含三個諧振峰，第一個諧振峰為金屬一壓電陶瓷復(fù)合小柱的一階縱向振動，頻率為f\ ；第二個諧振峰為金屬一壓電陶瓷復(fù)合小柱的 二階縱向振動，頻率為f2 ；第三個諧振峰為金屬一壓電陶瓷復(fù)合小柱的三階縱向振動，頻率 為f3°上述實施方式中的復(fù)合材料為圓片形狀，其直徑為50mm，厚度為12mm。制作金屬一壓電陶瓷一聚合物復(fù)合材料時，先極化待切割的壓電陶瓷片；用金剛 石刀切割長方體型壓電陶瓷小柱7，利用線切割的方法切割黃銅小柱6 ；利用導(dǎo)電膠粘接壓 電陶瓷小柱7和黃銅小柱6 ；按順序排列壓電陶瓷、黃銅復(fù)合小柱陣；利用灌注法將環(huán)氧樹 脂8填充進復(fù)合小柱間隙；最后，在新型復(fù)合材料上下表面均勻鋪設(shè)鎳電極5。將制作好的金屬一壓電陶瓷一聚合物復(fù)合材料9按圖3所示方法裝入金屬外殼11 之中，在黃銅一環(huán)氧樹脂端面灌封2mm厚的環(huán)氧樹脂層，構(gòu)成防水透聲層10，最終完成了金 屬一壓電陶瓷一聚合物復(fù)合材料高頻寬帶換能器的制作。
權(quán)利要求
一種金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器，包括復(fù)合材料、包于復(fù)合材料側(cè)面及底面的去耦橡膠，位于復(fù)合材料上表面的密封透聲橡膠、包于去耦橡膠外的金屬外殼和防水電纜，其特征是所述的復(fù)合材料包括聚合物材料、均勻分布于聚合物材料中的金屬與壓電陶瓷復(fù)合柱、鍍制在復(fù)合材料上下表面的電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器，其特征 是所述的金屬與壓電陶瓷復(fù)合柱是由一段金屬柱與一段壓電陶瓷柱由導(dǎo)電膠進行粘接連 通組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器，其特征 是所述的金屬與壓電陶瓷復(fù)合柱是由一段金屬柱與兩段壓電陶瓷柱由導(dǎo)電膠進行粘接連 通組成，一段金屬柱夾在兩段壓電陶瓷柱之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器， 其特征是所述的金屬是鋁、鋼或黃銅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器， 其特征是所述的聚合物材料是環(huán)氧樹脂、聚亞胺酯或聚氨酯。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器，其特征 是所述的聚合物材料是環(huán)氧樹脂、聚亞胺酯或聚氨酯。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器， 其特征是所述的壓電陶瓷柱在高度方向極化。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器，其特征 是所述的壓電陶瓷柱在高度方向極化。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器，其特征 是所述的壓電陶瓷柱在高度方向極化。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器，其特 征是所述的壓電陶瓷柱在高度方向極化。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種金屬與壓電陶瓷和聚合物復(fù)合材料寬帶水聲換能器。包括復(fù)合材料、包于復(fù)合材料側(cè)面及底面的去耦橡膠，位于復(fù)合材料上表面的密封透聲橡膠、包于去耦橡膠外的金屬外殼和防水電纜，所述的復(fù)合材料包括聚合物材料、均勻分布于聚合物材料中的金屬與壓電陶瓷復(fù)合柱、鍍制在復(fù)合材料上下表面的電極。本發(fā)明可以應(yīng)用于水聲通信聲納、水聲成像聲納等領(lǐng)域。具有易于共形、耐水壓性能好、聲阻抗低的特點，可以實現(xiàn)中高頻、寬帶、大功率的輻射性能。
文檔編號H04R1/44GK101909230SQ20101022657
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月15日
發(fā)明者蘭宇, 張凱 申請人:哈爾濱工程大學(xué)