一种大功率高频定向发射水声换能器及其制备方法

技术领域

本发明属于压电换能器技术领域，具体涉及一种基于压电复合材料的具有大功率定向发射声波特性的高频水声换能器及其制备方法。

背景技术

随着水下无人航行器(Unmanned Undersea Vehicle，简称UUV)及水下传感器网络的发展，这些设备的点能供给方式需要越来越高的自动化程度以及远距离传输等特点。传统打捞充电以及电磁式水下无线充电具有充电效率高的特点，但是操作难度大，充电距离只有几毫米等缺点限制了大部分的应用。

近年来，水下电能无线传输技术受到全世界的广泛关注。这种充电方式摆脱了冗长电线的束缚，并能实现独立封装，提高了可靠性、可移动性以及隐蔽性。目前，水下无线电能传输技术主要有电磁式和超声式两种方式，分别通过电磁场和声波作为媒介传递能量。我们知道，海水导电性好，电导率大，因此高频交变磁场会在海水中产生电涡流损耗，影响传输效率。此外，这种通过电磁场传输能量的方式对于作用距离有较大的限制，通常充电要保持在毫米量级内，因此，水下充电过程中要首先保证充电器和受电器的精确对接，即耗时成本又高。对于小尺寸的水下传感器网络节点其可操作性较差，这种方式只适用于水下大型固定充电站对大型UUV等设备进行百瓦至千瓦级大功率充电。而声能供电方式在保证充电效率的情况下，既无水下接口又可实现远距离充电，无需精确定位等复杂操作，是潜在的为小型UUV、水下传感器网络节点无线供电的最优解决方案。

水下声波无线充电最大的优点是水下传输距离远。与电磁感应式相比，该方式不对外界产生电磁干扰，也不受电磁干扰的影响，而且其波长远小于电磁波，传输方向性好，能量更易集中。目前的研究现状显示在6cm距离上可实现水下声波无线充电，这揭示了声波无线充电具有可行性，但是传输功率小、作用距离近，尚有较多技术难点需要攻克。这是由于研究者们普遍忽视了作为声波转换装置的水声收发换能器对充电效果的影响。首先，研究者们普遍使用同样的换能器作为发射和接收端，没有发挥发射换能器和接收换能器各自的特点，造成能量损失。其次，研究者普遍忽略了声波在传递过程中的散射损失，从而使得充电效率低下。并且，关于换能器能量转换效率、发射换能器散热问题、换能器与水的声学匹配、声波能量聚焦等方面的研究相对较少。

因此，未来水下声波无线充电的研究中如何实现高频大功率定向水声换能器的设计以及解决换能器连续大功率工作时的散热问题是其中的重点问题。我们知道，传统的水声换能器设计的目的是尽可能提高探测距离及探测的空间范围，水声换能器偏重于低频、大波束开角等特性。这种换能器设计使得声波能量向较大的空间发散。因此，依赖于传统换能器而设计出的水下声波无线充电装置，随着声波传递距离的增加其可实现的能量传递效率必然较小。另一方面，在声呐及水声通讯的应用背景下，水声换能器通常工作于脉冲激励状况下(如脉冲占空比为2％)，其内部由于损耗而产生的热量可及时散发，通常不必进行特殊的散热设计。而在水下充电领域，要求发射换能器大功率连续工作，散热设计就成了不可避免的核心关键问题。

发明内容

为实现水下声能的大功率连续定向传播，满足水下无人航行器以及水下传感器网络无线远距离供电的需求。本发明采用具有低损耗、耐高压特性的压电陶瓷等压电材料，结合1-1-3型压电复合结构设计具有高频、高指向性、大功率、低损耗及散热快等特点的发射型换能器。

本发明采用的技术方案如下：

一种大功率高频定向发射水声换能器，包括压电复合材料、电极、匹配层、散热结构、吸声背衬；所述压电复合材料为1-1-3型压电复合材料，由压电相、被动相以及结构相构成，压电相为压电材料柱阵列，结构相为位于压电材料柱之间的刚性材料框架，被动相为位于压电相和结构相之间的柔性聚合物；所述压电复合材料在厚度方向的两个表面覆盖所述电极；所述匹配层位于所述压电复合材料的一侧，所述散热结构和所述吸声背衬位于所述压电复合材料的另一侧；所述散热结构为与所述压电复合材料中的结构相相同的刚性材料框架；所述吸声背衬分布于所述散热结构中。

进一步地，所述散热结构与压电复合材料中包含的散热结构(即结构相)具有同样材质和结构尺寸；所述散热结构与压电复合材料中包含的散热结构(即结构相)彼此精密匹配，以实现热量的良好传递。

进一步地，还包括外壳以及电缆。外壳为金属外壳，所述散热结构与金属外壳紧密连接，以实现热量的良好传递。所述电缆连接所述电极上的引线。

进一步地，所述压电复合材料中的压电相材料选用低损耗压电陶瓷或压电晶体构成，可以是压电陶瓷、压电晶体等。

进一步地，所述压电复合材料中的被动相材料选用耐高温柔性聚合物构成，可以是聚亚苯基、聚对二甲苯、聚芳醚、聚芳酯、芳香族聚酰胺、聚酰亚胺、硅橡胶等。

进一步地，所述压电复合材料中的结构相材料选用具有较好散热特点的材料通过机加工的方式制备成网格结构，可以是碳纤维复合材料或铝、钛合金等低密度金属材料。

进一步地，所述匹配层为梯形匹配层，所述梯形匹配层的每一个梯形的下底面与所述压电复合材料中压电材料柱的上表面相对。

一种制备上述大功率高频定向发射水声换能器的方法，包括以下步骤：

1)将一整块压电材料切割成周期性排列的压电材料柱阵列；

2)将加工好的刚性材料框架置于压电材料柱阵列之间，在刚性材料框架与压电材料柱之间的缝隙里灌注被动相材料，并固化；

3)打磨上下表面至所需厚度，在上下表面制备金属电极，构成1-1-3型压电复合材料；

4)将1-1-3型压电复合材料上下电极面焊接导线；

5)将1-1-3型压电复合材料下电极面与刚性材料框架构成的散热结构相互粘接，保持刚性材料框架与1-1-3型压电复合材料内部的刚性材料框架相互匹配；

6)在刚性材料框架构成的散热结构中灌注或粘接吸声背衬材料，并固化；

7)在1-1-3型压电复合材料上电极面粘接加工好的梯形匹配层，保持每一个梯形的下底面与压电材料柱的上表面相对；

8)将步骤7)得到的结构与结构件相互装配，并焊接导线与水密电缆；

9)将步骤8)得到的结构置于模具中，灌注防水透声层，固化后完成换能器制作。

一种发射水声换能器阵列，其包括至少两个上文所述的大功率高频定向发射水声换能器。

本发明的有益效果如下：

本发明针对水下无人航行器及传感器网络节点无线供电的需求，应用具有低损耗、耐高压特性的压电陶瓷，并结合1-1-3型压电复合结构设计具有高频、高指向性、大功率、低损耗及散热快等特点的发射型换能器。最终实现在海洋环境下，在10m距离范围内，通过声波的定向能量连续传输。

本发明首次将损耗及散热研究拓展到压电复合材料及换能器研究领域。从低损耗压电材料研究开始，将散热结构引入压电复合材料，并拓展到换能器结构，探索大功率、连续工作水声发射换能器设计方案。这种新型水声发射换能器的研发还可以改变传统高频声纳的应用方式，开拓诸如水下定向通话、水下声引信等新的应用领域。

附图说明

图1是大功率、定向水声发射换能器结构示意图。

图2是1-1-3型复合材料结构示意图。其中(a)是立体图，(b)是俯视图。

图3是定向水声发射换能器水下声性能曲线图，其中(a)是样品A发射电压响应曲线，(b)是样品B发射电压响应曲线，(c)是样品A、B声源级曲线，(d)是样品A、B指向性曲线。

图4是发射换能器近场声辐射特性示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。

本实施例的大功率、定向水声发射换能器的结构如图1所示，包括压电复合材料、匹配层、散热结构、吸声背衬以及防水透声层、外壳。其中压电复合材料采用切割-灌注工艺制备的大尺寸1-1-3型压电复合材料，以实现换能器大功率、定向发射声波的优点。压电复合材料的电极(图1中未示意电极)采用低温固化银浆，同时满足高可焊性及高牢固性。采用如图1所示的梯形匹配层以同时实现声阻抗匹配及位移放大效应。

传统换能器采用脉冲激励形式并且工作在水下环境，所以传统换能器并没有引用散热结构。但是本发明中，由于发射换能器工作在大功率下并且采用连续正弦波激励形式，所以需要在结构件中引入散热结构，作为复合材料中散热机构(即压电复合材料中第三相构成的框架式散热结构)的延伸，从而实现进一步散热。散热结构与1-1-3型压电复合材料中第三相材料具有相同的材料及结构，并在散热结构的孔隙中添加高声阻抗的环氧树脂钨粉混合物作为背衬吸声材料，构成吸声背衬。

本实施例的1-1-3型复合材料结构如图2所示，压电柱(第一相材料，也称为压电相)在z方向一维连通，周围环绕一层同样只在z方向连通的柔性聚合物(第二相材料，也称为被动相)，而刚性材料(第三相材料，也称为结构相)在x、y、z三个方向均连通，起到横向支撑作用。利用1-1-3型压电复合材料中第一相材料的纵向伸缩模态实现振动能量和电能之间的转化；利用压电复合材料中第二相材料的低杨氏模量来使压电柱工作在近似自由振动状态，使其能量转换效率进一步提高，同时选用具有高导热系数的橡胶实现对压电柱及界面产生的热量及时散发；利用压电复合材料中第三相材料的高杨氏模量来实现复合材料的机械稳定性，同时选用具有高导热系数的碳纤维或低密度金属材料作为第三相材料来实现进一步散热。通过调控压电复合材料中压电相的比例，可降低复合材料密度，实现降低声阻抗目的，使其通过匹配层与水实现最优匹配。

图1所示的大功率高频定向发射水声换能器，采用以下步骤制备：

1)将一整块压电陶瓷切割成周期性排列的压电陶瓷柱阵列；

2)将加工好的刚性材料框架置于压电陶瓷柱阵列之间，在框架与压电陶瓷柱之间的缝隙里灌注被动相材料(具有高导热系数的橡胶)，固化；

3)打磨上下表面至所需厚度，在上下表面制备金属电极，构成1-1-3型压电复合材料；

4)将1-1-3型压电复合材料上下电极面焊接导线；

5)将1-1-3型压电复合材料下电极面与刚性材料框架构成的散热结构相互粘接，保持刚性材料框架与1-1-3型压电复合材料内部的刚性材料框架相互匹配；

6)在刚性材料框架构成的散热结构中灌注或粘接吸声背衬材料，固化；

7)在1-1-3型压电复合材料上电极面粘接加工好的梯形匹配层，保持每一个梯形下底面与压电陶瓷柱的上表面相对；

8)将上述结构与结构件相互装配，焊接导线与水密电缆；

9)将上述结构置于模具中，灌注防水透声层，固化后完成换能器制作。

本发明的关键技术包括：

1)压电复合材料及大功率水声发射换能器散热技术。

通过在压电复合材料及大功率水声发射换能器内部，在压电陶瓷材料之间通过复合材料的结构形式，引出具有优良散热效果的框架式散热结构(即压电复合材料中第三相构成的框架式散热结构)。一方面，巧妙利用1-1-3型复合材料中的框架结构，既保证其原有的结构支撑作用，又赋予其散热的功能。另一方面，这种散热结构更加接近于热量产生的源头，并将其包裹在内，最大化减少热量传递的距离、增大热量传递的面积，从而达到更好的散热效果。

2)大功率水声发射换能器波束开角及旁瓣抑制技术。

对于1-1-3型压电复合材料，其表面振动分布并不完全一致，压电相所在位置振动位移大，而聚合物相所在位置振动位移近似为零。因此，根据声波点源辐射叠加原理，可以通过调整换能器内部压电元件间的排列方式，控制换能器的波束开角，并且调节旁瓣起伏，以达到旁瓣抑制效果，使声波能量更加集中在主瓣内，减小能量传递损失。

为提高发射换能器功率及控制波束开角，可以通过发射换能器阵列的形式来实现，如图4左侧所示。与单独的发射换能器相比，换能器阵的辐射面增大，波束开角更小，对应的水听器所需的面积更小，作用距离也更远。考虑到水下无线充电的实际工况，接收水听器既可能出现在发射换能器的远场处又可能出现在近场区，因此，为提高充电的作用范围，水听器的尺寸不宜太小，且可以采用接收水听器阵列形式。一旦水听器处于发射换能器的近场区，水听器就可分解成多个子水听器，由满足子发射换能器远场条件的子水听器来实现对声能的接收。因此在实际工作中，水听器阵列还需要设计多个独立的充电电路。

利用本发明的水声换能器，可以实现水下无人航行器以及水下传感器网络无线远距离供电。通过水声换能器的逆压电效应实现电能到声能的转换，然后通过水介质辐射声波，当声波抵达水下无人航行器以及水下传感器网络的水听器后通过压电效应，将声能转化为电能，然后通过匹配电路实现对负载充电。

本发明应用大尺寸压电复合材料制备了上述定向水声发射换能器，压电复合材料边长200mm，换能器性能指标如图3所示。换能器谐振频率约为150kHz，最大发送电压响应达到183.6dB，-3dB工作频率范围：126kHz～174kHz，带宽达到48kHz。换能器的最大声源级达233.2dB，-3dB指向性开角3°，即，当充电距离为1m时，-3dB覆盖圆弧长为5cm；当充电距离为10m时，-3dB覆盖圆弧长为50cm。换能器的最大旁瓣级-23.65dB，说明能量主要集中在主瓣。

以上公开的本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书的实施例和附图所公开的内容，本发明的保护范围以权利要求书界定的范围为准。