[发明专利]一种纵向振动复合材料换能器

说明书

本发明公开了一种纵向振动复合材料换能器，主要包括压电单晶复合材料、匹配层、前盖板、电极片、螺杆、后盖板和螺母，换能器有源部分采用压电单晶复合材料制作成纵向振动结构形式的1‑3‑2型压电单晶复合材料圆环片，若干片1‑3‑2型压电单晶复合材料圆环片堆叠后置于前盖板和后盖板之间，前盖板和后盖板通过螺杆和螺母预应力式连接，1‑3‑2型压电单晶复合材料圆环片并联连接且通过电极片、导线引出正极和负极，同时前盖板的金属辐射面上灌注匹配层进一步拓宽带宽。本发明的有益效果为：换能器既有压电单晶的高压电性能、高机电耦合系数等优点，又具有低声阻抗、低介电常数、高静水压压电常数、低机械品质因数及柔韧性和压电相的可控性等优点。

技术领域

本发明属于水声换能器领域，主要是一种纵向振动复合材料换能器。

背景技术

随着信息处理技术和电子技术的发展，水声设备需要在更宽的频带内处理信号，这就要求水声换能器向宽频带的方向发展，目前在水声中低频领域广泛采用纵向振动式压电换能器，其特点为前盖板喇叭型，后盖板重质量块，中间PZT压电陶瓷，单面辐射。这类换能器可应用于声自导鱼雷、水下无人航行器(UUV)、声诱饵等小型化的水下探测对抗装备。

目前，纵向振动换能器的有源部分主要是PZT压电陶瓷材料，其声学性能受材料特性的限制。上世纪末，美国、中国等发现并发展了新型高性能压电单晶材料铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)和铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(PIN-PMN-PT)，其压电常数d33为2500pC/N，是PZT陶瓷的5倍；机电耦合系数大于90％，远高于PZT陶瓷(60％)。国外弛豫铁电单晶的宽带换能器的研究主要以美国NUWC、宾州大学和新加坡林良洲团队为主。2002年美国NUWC采用多晶堆组合技术，研制了宽带单谐纵振换能器，在相同的尺寸重量下带宽增加约30％。2010年美国宾州大学对PMNT、PIMNT和Mn:PIMNT的大功率特性进行了研究，验证了谐振频率处Mn:PIMNT与PZT4大功率特性相当，非谐振频率处Mn:PIMNT能提供更高的源级。新加坡林良洲团队采用32模式研制了基于PZNT单晶材料的中高频换能器，工作带宽达到两个倍频程，可用于中高频合成孔径成像声纳等。

同时，与压电陶瓷材料相比，压电单晶材料硬而脆，在较大应力下容易开裂，给换能器的设计、制作和使用带来困难，另一方面也抑制了压电单晶材料本身的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种纵向振动复合材料换能器，可充分发挥单晶材料的优势，利用单晶材料的纵向模态，并结合匹配层模态，从而获得高的发射电压响应级以及宽的工作带宽。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种纵向振动复合材料换能器，主要包括压电单晶复合材料、匹配层、前盖板、电极片、螺杆、后盖板和螺母，换能器有源部分采用压电单晶复合材料制作成纵向振动结构形式的1-3-2型压电单晶复合材料圆环片，若干片1-3-2型压电单晶复合材料圆环片堆叠后置于前盖板和后盖板之间，前盖板和后盖板通过螺杆和螺母预应力式连接，1-3-2型压电单晶复合材料圆环片并联连接且通过电极片、导线引出正极和负极，同时前盖板的金属辐射面上灌注匹配层进一步拓宽带宽。

作为优选，所述的压电单晶复合材料通过水平和垂直方向切割成颗粒大小，切割线形成底部不透的盲槽，通过单晶的纵向振动构成纵向振动结构形式，同时在切割线中填充有聚合物，形成1-3-2型压电单晶复合材料圆环片。

作为优选，所述的颗粒大小的横向尺寸小于厚度方向尺寸。

作为优选，采用2片带正极面的压电单晶复合材料圆环片和2片带负极面的压电单晶复合材料圆环片，正极面和负极面通过导电胶连接电极片，4片压电单晶复合材料圆环片并联连接，2片从正极面切割形成切割线，2片从负极面切割形成切割线。

本发明的有益效果为：换能器既有压电单晶的高压电性能、高机电耦合系数等优点，又具有低声阻抗、低介电常数、高静水压压电常数、低机械品质因数及柔韧性和压电相的可控性等优点。