32模式单晶纵振换能器及制备方法

摘要

本发明涉及一种32模式单晶纵振换能器及制备方法，主要包括换能器振子、防水透声层、去耦橡胶、金属外壳和防水电缆，所述的换能器振子被包裹于去耦橡胶内，且换能器振子的上端灌注有防水透水层，该组合成的装置外层包裹有一层金属外壳；所述的防水电缆位于金属外壳的底部，贯穿于金属外壳底部且直至嵌入于去耦橡胶内；在铍前盖板端面灌注2mm厚的聚氨酯胶层，构成防水透声层。本发明的有益效果为：结构简单、工艺可靠、轴向尺寸约为同频段工作的普通压电陶瓷纵振换能器的1/3、工作带宽约为2.5个倍频程。其小尺寸、宽带特性可以减小基阵重量尺寸，适用于UUV等小平台声纳设备。

说明书

技术领域

本发明涉及水声换能器技术领域，是一种32模式单晶纵振换能器及制备方法。

背景技术

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系统叫做声纳系统。水声换能器是声纳系统的重要组成部分。 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。用来接收声波的换能器叫接收器。一般情况下，换能器既 能用来发射，也能用来接收。

在UUV的声纳应用中，由于UUV安装平台的空间有限、电池能量有限，因此迫切需要基 阵的重量轻、尺寸小，这就对换能器的尺寸和重量提出了更高的要求，从而最终降低UUV电 源能耗、保证UUV的续航里程。

宽频带发射换能器具有很多优点。在水声对抗中，运用宽频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。在UUV平台上使用的声纳 中，可以利用一个宽频带发射换能器代替多个单频发射换能器来实现多个频点的发射，从而 减少换能器的数量、重量和体积，节约了UUV的电池能量，从而保证了UUV的航行里程。

因此，开发研制低频、小尺寸、宽带的水声换能器是各种小平台声纳应用提出的必然要 求，是亟待解决的科学技术问题。

弛豫铁电单晶是铌镁酸铅(PMN)或铌锌酸铅(PZN)与钛酸铅(PT)的固溶体。与压电 陶瓷相比，单晶材料的杨氏摸量是压电陶瓷的1/5，因此单晶纵振换能器的长度比压电陶瓷 纵换能器的长度小1/2；单晶换能器的机电耦合系数接近90％，单晶换能器的带宽比压电陶瓷 换能器大1倍。因此弛豫铁电单晶材料非常适合研制低频、小尺寸、宽带的水声换能器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种32模式单晶纵振换能器及制备 方法，该换能器可以应用于UUV等小平台安装声纳，该换能器具有工艺简单可靠、纵向尺 寸小、带宽较宽的优点，其工作频带宽度可以达到2.5个倍频程。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种32模式单晶纵振换能器，主要包括换 能器振子、防水透声层、去耦橡胶、金属外壳和防水电缆，所述的换能器振子被包裹于去耦 橡胶内，且换能器振子的上端灌注有防水透水层，该组合成的装置外层包裹有一层金属外壳； 所述的防水电缆位于金属外壳的底部，贯穿于金属外壳底部且直至嵌入于去耦橡胶内；其中 所述的换能器振子由铍前盖板、压电驱动单元、钨合金后盖板、螺母和钛预应力螺杆组成， 3片压电驱动单元沿圆周方向成120度排列，压电驱动单元在铍前盖板和钨合金后盖板之间， 通过螺母和钛预应力螺杆将铍前盖板、压电驱动单元和钨合金后盖板锁紧；在铍前盖板端面 灌注2mm厚的聚氨酯胶层，构成防水透声层。

所述的压电驱动单元采用32模式的压电单晶片，即在Z方向施加交变电压，在Y方向产 生振动位移。

本发明所述的这种32模式单晶纵振换能器的制备方法，该方法包括如下步骤：

1、将钛预应力螺杆与铍前盖板1用螺纹固定，并用504胶粘接螺纹，常温固化；

2、将环氧树脂胶涂抹于铍前盖板与压电驱动单元、压电驱动单元与钨合金后盖板的接触 面上；

3、装配铍前盖板、压电驱动单元、钨合金后盖板、螺母和钛预应力螺杆构成换能器振子；

4、沿换能器轴向给压电驱动单元施加20MPa的压力，并用套筒扳手将螺母拧紧；

5、放入80度烘箱中固化4小时；

6、用高温镀银导线将3片压电驱动单元按照电并联的方式焊接在一起；

7、将换能器振子装入金属外壳中，在铍前盖板端面灌注2mm厚的聚氨酯胶层，构成防水 透声层。

本发明的有益效果为：结构简单、工艺可靠、轴向尺寸约为同频段工作的普通压电陶瓷 纵振换能器的1/3、工作带宽约为2.5个倍频程。其小尺寸、宽带特性可以减小基阵重量尺 寸，适用于UUV等小平台声纳设备。

附图说明

图1为32模式单晶纵振换能器振子的结构示意图。

图2为32模式压电振子的工作示意图。

图3为32模式单晶纵振换能器的结构示意图。

图4为32模式单晶纵振换能器的发送电压响应曲线示意图。

附图中的标号分别为：铍前盖板1、压电驱动单元2、钨合金后盖板3、螺母4、钛预应力螺 杆5、换能器振子6、防水透声层7、金属外壳8、去耦橡胶9、防水电缆10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

如图1-4所示，这种32模式单晶纵振换能器，主要包括换能器振子6、防水透声层7、 去耦橡胶9、金属外壳8和防水电缆10，所述的换能器振子6被包裹于去耦橡胶9内，且换 能器振子6的上端灌注有防水透水层7，该组合成的装置外层包裹有一层金属外壳8；所述的 防水电缆10位于金属外壳8的底部，贯穿于金属外壳8底部且直至嵌入于去耦橡胶9内；其 中所述的换能器振子6由铍前盖板1、压电驱动单元2、钨合金后盖板3、螺母4和钛预应力 螺杆5组成，铍前盖板1、压电驱动单元2和钨合金后盖板3构成了振子的主体，螺母4和 钛预应力螺杆5是纵振换能器振子预应力施加结构。3片压电驱动单元2沿圆周方向成120 度排列，压电驱动单元2在铍前盖板1和钨合金后盖板3之间，通过螺母4和钛预应力螺杆 5将铍前盖板1、压电驱动单元2和钨合金后盖板3锁紧；在铍前盖板1端面灌注2mm厚的聚 氨酯胶层，构成防水透声层7。所述的压电驱动单元2采用32模式的压电单晶片，即在Z方 向施加交变电压，在Y方向产生振动位移。

其中，铍前盖板1，需采用重量轻、硬度硬的铍材料。压电驱动单元2，需采用具有压电 性能高的弛豫铁电单晶材料；钨合金后盖板3，需采用重量重、硬度硬的钨合金材料；钛预 应力螺杆5为预应力螺杆，需采用顺性好的钛合金材料。

上述技术方案中，铍前盖板1在压电驱动单元2的前端，与水接触，将换能器的机械振 动转化为声辐射能量。采用重量轻的铍材料可以增大铍前盖板1的振动位移，从而提高换能 器辐射声能量；采用硬度硬的材料可以避免铍前盖板1的弯曲振动，消除铍前盖板1产生反 相振动抵消辐射声能量的影响，从而保证换能器的宽带发射特性。

上述技术方案中，钨合金后盖板3在压电驱动单元2的后端，采用重量重、硬度硬的钨 合金材料，可以减弱钨合金后盖板3的振动位移，避免换能器振子的振动能量向后传递，从 而保证声能量从铍前盖板1辐射到水中。

上述技术方案中，螺母4和钛预应力螺杆5将铍前盖板1、压电驱动单元2和钨合金后 盖板3锁紧，起到了施加预应力的作用。

上述技术方案中，所述的压电驱动单元2除了可以采用弛豫铁电单晶材料外，还可以采 用其他具有压电效应的换能材料，例如：压电单晶体、压电陶瓷等。

上述技术方案中，防水透声层7，可以采用聚氨酯橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶。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7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具有良好的 声能传递。

上述技术方案中，去耦橡胶9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、金属等)的特性阻抗失配，它的衰减系数较大，起到了隔声作用，插入损失很大， 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。

本发明所述的这种32模式单晶纵振换能器的制备方法，该方法包括如下步骤：

1、将钛预应力螺杆5与铍前盖板1用螺纹固定，并用504胶粘接螺纹，常温固化；

2、将环氧树脂胶涂抹于铍前盖板1与压电驱动单元2、压电驱动单元2与钨合金后盖板 3的接触面上；

3、按照图1所示的结构装配换能器，装配铍前盖板1、压电驱动单元2、钨合金后盖板 3、螺母4和钛预应力螺杆5构成换能器振子6；

4、利用千斤顶沿换能器轴向给压电驱动单元2施加20MPa的压力，用套筒扳手将螺母4 拧紧后释放千斤顶压力；

5、放入80度烘箱中固化4小时；

6、用高温镀银导线将3片压电驱动单元2按照电并联的方式焊接在一起；

7、将换能器振子6装入金属外壳8中，在铍前盖板1端面灌注2mm厚的聚氨酯胶层， 构成防水透声层7，最终完成了32模式单晶纵振换能器的制作。

本发明的工作原理是采用32模式振动的压电单晶片作为驱动源，前盖板采用轻而硬的铍 金属材料，后盖板采用重而硬的钨合金金属材料，利用前盖板大的振动位移，同时利用单晶 片的高机电耦合系数的特点，从而产生宽频带的声发射响应，其发送电压响应曲线如图4所 示。图4为该实施例实测的发送电压响应曲线。从图中可以看出-7dB频带宽度从16kHz— 91kHz，约为2.5个倍频程，通带内发射电压响应最大值为136dB(0dBref：1μPa/V)。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技 术方案，均落在本发明要求的保护范围。