[发明专利]带匹配层的叠堆复合材料圆柱阵换能器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种带匹配层的叠堆复合材料圆柱阵换能器及其制备方法。该换能器包括外径相同、管壁厚度不同的同轴叠堆的压电复合材料圆管；所述压电复合材料圆管的管壁包括多个压电振子，以及填充于各压电振子之间的柔性材料；所述压电复合材料圆管的外壁贴覆匹配层。该换能器的制备工艺采用切割陶瓷圆管—浇注环氧—曲面被覆电极—串叠圆管—贴覆匹配层的方法，制作复合材料叠堆圆管，然后设计背衬及支撑结构，制得新型宽带水平全向圆柱阵换能器。本发明融合了三种现行的拓展换能器带宽的技术，可大幅度拓展换能器带宽并实现换能器的水平全向发射。

技术领域

本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种带匹配层的叠堆复合材料圆柱阵换能器及其制备方法。

背景技术

水声换能器作为能量转换器件，其主要作用是作为水声设备与介质进行信息交流的前端能量转换系统，并在一定频带内按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号。为了减少换能器的使用数量和更多的发射/接收信息，要求换能器覆盖更宽的工作频段，即需要最大限度的拓展换能器的带宽。此外，换能器基阵的广泛引用也要求基元具有更宽的带宽，因为宽带信号相干处理，可使系统获得更强的增益和更远的探测距离；对宽带信号进行脉冲压缩，也可提高换能器基阵的分辨率。因此，如何拓展换能器的带宽一直是换能器研究的重点。现行拓展换能器宽带主要有三个途径：(1)通过复合柔性材料，增大损耗，降低换能元件的机械品质因素(Qm)值，即复合材料；(2)多振动模态耦合；(3)被覆匹配层。

(1)复合材料宽带换能器。复合材料是由压电相(如PZT)和聚合物相构成的的多相材料，它克服了单相压电材料的缺点，保留了压电相材料的强压电性,具有较低的Qm值。由于换能元件的带宽与材料Qm值成反比，因此压电复合材料尤其适合制作宽带换能器。

(2)多模耦合振动宽带换能器。用压电复合材料来代替压电陶瓷可以拓宽带宽，但拓宽量有限。进一步扩展带宽，须采用多模耦合，换能器的多模耦合振动拓宽频带的基础是多模态耦合理论。对于一个换能器，其振动系统通常存在多个谐振频率(多个模态)，当系统中两种或两种以上的振动模态相互靠近，两种模态对应的谐振峰值下降3dB(或6dB)时能够相交而不产生明显的凹谷，则这两种模态将形成双模态振动耦合，频带得到展宽。合理设计换能器振动元件的结构参数，使其产生两种或两种以上的振动模态并相互耦合，可以达到拓展带宽的目的。多模耦合方式有多种，如纵振换能器中的纵弯耦合技术、复合结构、单端激励等。

(3)匹配层宽带换能器。匹配层主要有两方面的作用，其一是阻抗匹配，通常换能器辐射面材料的特性阻抗比水和空气介质大得多，声能不易辐射出去，在辐射面与声传播介质之间插入一层或多层过渡匹配层就可以提高声传输特性。匹配层的另一作用就是使振动系统产生多谐振动以拓宽换能器的工作频带。它是在辐射面敏感材料上贴覆一层特性阻抗较小的匹配层，调节其厚度、声速、密度，使敏感层及匹配层产生多谐振动并耦合以拓展换能器的带宽。