[发明专利]一种高灵敏度弯张水听器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种高灵敏度弯张水听器及其制作方法，包括聚氨酯材料、金属薄片、陶瓷晶堆、塑料挡板和电缆；若干片有极性陶瓷条并排放置，相邻两片有极性陶瓷条之间设有金属电极条，使各有极性陶瓷条并联，首尾两端的有极性陶瓷条外侧分别通过一金属电极条与无极性陶瓷条紧密贴合从而形成陶瓷晶堆；陶瓷晶堆的上下表面分别粘接一金属薄片，金属薄片与陶瓷晶堆的组合体前后两侧边缘通过塑料挡板进行封堵并在外部灌注聚氨酯材料进行外密封；各有极性陶瓷条的正极或负极均与导线电连接后穿出塑料挡板，并由电缆引出至聚氨酯材料外，供外部设备连接。本发明的有益效果为：灵敏度高，低频灵敏度可达‑185dB；耐静水压能力强，工作频带较宽且容易调整。

技术领域

本发明涉及水听器的领域，具体涉及一种基于压电效应的水听器，特别是利用了结构上的弯张效应而实现高灵敏度的水听器及其制作方法。

背景技术

灵敏度是水听器的核心性能指标，灵敏度越高，水听器可检测到微弱声信号的能力越强，水听器的灵敏度决定了被动声纳设备的检测阈下限。

总结如何提高水听器灵敏度的方法，大致可以分为两类，一类是想办法提高敏感元件本身的性能参数。例如改变压电陶瓷的化学组分和添加杂质，使其获得更高的居里点、更优异的压电性能，以及更好的温度稳定性。从最早的钛酸钡压电陶瓷，到锆钛酸铅压电陶瓷，再到PVDF薄膜以及玻璃陶瓷等。一类是对水听器的结构进行优化，即通过调整敏感元件与其他结构件的尺寸和形状，最大化实现敏感元件的机电转换能力。例如利用弯曲圆盘结构来实现压电陶瓷薄片在较低频段获得较高的声压灵敏度，或者利用复合棒式结构来实现压电圆管在较高频段获得较高的声压灵敏度。

目前对于低频声压水听器，弯曲圆盘结构的水听器应用范围广泛，从已有的文献资料来看，为了兼顾耐静水压能力与应用频段范围，灵敏度最高可达-190dB，若与反声障板一起配合使用，灵敏度可达-185dB。在此基础上，若还要更高的灵敏度，在不改变敏感元件的种类的前提下，则需要加大陶瓷元件和结构件的尺寸，这样会导致水听器的耐静水压能力下降，在大静水压力下容易出现陶瓷元件开裂从而水听器失效的现象，而且大尺寸的弯曲圆盘结构谐振频率较低，导致水听器可应用频段范围变窄。

综上所述，如何突破现有低频声压水听器在结构设计上的劣势，从根本上解决上述矛盾问题，需要在水听器的结构形式上实现突破。本发明的设计思想思路是基于弯张换能器中位移放大原理，使得由特定形状的金属薄片和陶瓷晶堆，在受到声波作用时内部机电转换作用达到最大，目前在水听器专业领域还未见到在此方面的文献报道。

本发明中水听器内部的主体结构采用中间1个陶瓷晶堆和上下2片金属薄片的组合形式，该种结构形式与很多钹式水听器的内部结构有相似之处，但又有明显不同。首先，本发明的水听器与钹式水听器的结构外形明显不同，本发明的水听器外形为矩形，而例如武汉大学的赵兴中在专利CN2676155Y中提出的铙钹传感器是一种典型的Cymbal式传感器，其外形结构为圆形；其次，本发明的水听器内部的敏感元件为压电陶瓷晶堆，而在已有的文献报道中的钹式传感器均采用完整的、厚度极化的陶瓷圆片，例如尹义龙在2010年全国压电和声波理论及器件应用研讨会中发表的论文《基于Cymbal结构的PMNT单晶压差矢量水听器》中，提出在Cymbal式传感器中加入两片厚度方向极化的PMNT压电单晶片，来实现水听器的矢量特性，虽然利用PMNT材料大幅度提高了压电材料的d31参数，使其与PZT5材料的水听器相比较灵敏度得到提升，但这种水听器结构依旧无法利用压电陶瓷性能最优的d33参数，而本发明的水听器内部陶瓷晶堆由8个有极性的陶瓷条和2个无极性的陶瓷条组成，在水听器工作时，其中有极性的陶瓷条可以充分发挥d33参数，并且8个陶瓷条在电路上处在并联状态，因此灵敏度明显高于Cymbal式传感器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种高灵敏度弯张水听器及其制作方法，在500Hz-10KHz范围内具有高灵敏度。