一种高性能水声换能器结构

技术领域

一种高性能水声换能器结构，属于超声水声换能器技术领域。

背景技术

声波被认为是唯一能够在海洋中远距离传播的信息载体，海洋研究、资源开发、海上军事斗争都离不开水声技术。水声技术的发展主要是水声换能器的技术进步密不可分，水声换能器的作用是在水下发射和接收声波信号。水声换能器的发展主要包括应用新材料、采用新工艺、设计新结构等实现换能器综合技术性能的改善和提升。

水声换能器由于使用和储存环境条件恶劣，要经受高低温、潮湿、盐雾、霉菌等气候环境，需要采用有效的防护措施。通常采用三防漆、聚氨酯预聚体等进行喷涂处理。为完全将换能器焊点及裸露线包覆，换能器表面喷涂应具有一定的厚度，通常厚度不小于1.5毫米。由于喷涂漆过厚，且预聚体聚氨酯本身的阻尼系数过大，导致换能器陶瓷片振动受到阻尼，进而导致换能器的机械品质因数Qm大幅降低，造成换能器的接收灵敏度与发射响应降低。同时过大的胶体厚度占用水声换能器的径向空间，不利于提高换能器的接收灵敏度与发射响应。

一般夹心式水声换能器采用几组压电陶瓷晶片串并联，所有压电陶瓷晶片的谐振频率都一致，通过螺杆压紧和环氧树脂固化后，整体换能器的频带仍然较窄。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种能提高频带宽度，提高Qm值，有利于裸露引线和焊接头的保护、减少涂胶层厚度的高性能水声换能器结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该高性能水声换能器结构，其特征在于：包括换能器主体以及引线，换能器主体的压电陶瓷晶片侧部设置有凹槽，引线设置在凹槽内，换能器主体外包覆有涂胶层，涂胶层将引线包覆在凹槽内；

所述压电陶瓷晶片并排设置有若干组，且各组压电陶瓷晶片并联设置，每相邻的两组压电陶瓷晶片的中心频率相差2～15％，每组压电陶瓷晶片均包括若干片，且每组的各片压电陶瓷晶片串联设置。

优选的，每组所述的压电陶瓷晶片的谐振频率依次相差一定的频宽，若干组压电陶瓷晶片经过串并联组成换能器主体。换能器主体采用的压电陶瓷晶片，每组压电陶瓷晶片的谐振频率依次相差一定的频宽，几组经过串并联组成换能器后，整体频率宽度得到大幅提高。

优选的，所述的涂胶层的材质为有机硅胶。

优选的，所述的涂胶层的厚度小于或等于1mm。

优选的，所述的引线包括正极引线以及负极引线，正极引线和负极引线均设置在凹槽内。

优选的，所述的凹槽包括正极引线凹槽和负极引线凹槽，正极引线设置在正极引线凹槽内，负极引线设置在负极引线凹槽内。

优选的，所述的正极引线凹槽和负极引线凹槽对称设置在换能器主体的两侧。

优选的，所述的换能器主体包括辐射前端、压电陶瓷晶片、铜片引出电极以及压紧装置，铜片引出电极设置在压电陶瓷晶片和辐射前端之间，压紧装置与辐射前端相连，并将压电陶瓷晶片和铜片引出电极压紧在辐射前端上。

优选的，所述的换能器主体还包括调整块，压电陶瓷晶片位于调整块与铜片引出电极之间。

优选的，所述的压紧装置包括紧固螺栓以及预紧螺母，紧固螺栓的一端与辐射前端相连，另一端依次穿过铜片引出电极和压电陶瓷晶片后连接预紧螺母。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

本高性能水声换能器结构的换能器主体上设置凹槽，引线设置在凹槽内，采用嵌入式连接线，有利于涂胶层对裸露引线和焊接头的槽内保护，可减少换能器主体的压电陶瓷晶片外圆的涂胶层的厚度，在相同的安装直径空间下，将引线嵌入换能器主体内部，可改用更大截面的压电陶瓷晶片组合，由于压电反应面积的的增加，提高了换能器发射功率响应和接受灵敏度。另外换能器压电陶瓷晶片外圆和凹槽内，采用有机硅胶涂层不仅能防护盐雾腐蚀，还能减少涂胶对换能器Qm值的降低幅度。

附图说明

图1为高性能水声换能器结构的立体示意图；

图2为高性能水声换能器结构的主视剖视示意图。

图中：1、预紧螺母 2、调整块 3、正极引线 4、负极引线 5、压电陶瓷晶片6、铜片引出电极 7、辐射前端 8、紧固螺栓 9、正极引线凹槽 10、负极引线凹槽 11、负极晶片12、正极晶片。

具体实施方式

图1～2是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～2对本发明做进一步说明。

一种高性能水声换能器结构，包括换能器主体以及引线，换能器主体的压电陶瓷晶片5侧部设置有凹槽，引线设置在凹槽内，换能器主体外包覆有涂胶层，涂胶层将引线包覆在凹槽内；压电陶瓷晶片5并排设置有若干组，且各组压电陶瓷晶片5并联设置，每组压电陶瓷晶片5的谐振频率依次相差一定的频宽，每相邻的两组压电陶瓷晶片5的中心频率相差2～15％，每组压电陶瓷晶片5均包括若干片，且每组的各片压电陶瓷晶片5串联设置。采用上述结构，使整体换能器的带宽大幅提高，各压电陶瓷晶片5、引线片和辐射前端7、调整块2、紧固螺杆8和预紧螺母1都用环氧树脂固化刚性连接。本高性能水声换能器结构的换能器主体上设置凹槽，引线设置在凹槽内，采用嵌入式连接线，有利于涂胶层对裸露引线和焊接头的槽内保护，可减少换能器主体的压电陶瓷晶片5外圆的涂胶层的厚度，在相同的安装直径空间下，将引线嵌入换能器主体内部，可改用更大截面的压电陶瓷晶片5组合，由于压电反应面积的的增加，提高了换能器发射功率响应和接受灵敏度。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，然而熟悉本领域的人们应当了解，在这里结合附图给出的详细说明是为了更好的解释，本发明的结构必然超出了有限的这些实施例，而对于一些等同替换方案或常见手段，本文不再做详细叙述，但仍属于本申请的保护范围。

具体的：如图1～2所示：换能器主体包括辐射前端7、铜片引出电极6、压电陶瓷晶片5、调整块2以及压紧装置，其中压紧装置包括紧固螺栓8以及预紧螺母1，铜片引出电极6设置在辐射前端7的上侧，铜片引出电极6为圆盘状，铜片引出电极6与辐射前端7同轴设置，压电陶瓷晶片5为圆片状，压电陶瓷晶片5设置在铜片引出电极6的上侧，压电陶瓷晶片5与铜片引出电极6同轴设置，调整块2为圆柱状，调整块2同轴设置在压电陶瓷晶片5的上侧。紧固螺栓8与辐射前端7同轴设置，紧固螺栓8的下端伸入到辐射前端7的顶部内，并与辐射前端7螺纹连接，紧固螺栓8的上端依次穿过铜片引出电极6、压电陶瓷晶片5和调整块2后与预紧螺母1相连，预紧螺母1通过调整块2将压电陶瓷晶片5和铜片引出电极6压紧在辐射前端7上。

每组压电陶瓷晶片5的谐振频率依次相差一定的频宽，若干组压电陶瓷晶片5经过串并联组成换能器主体。换能器主体采用的压电陶瓷晶片5，每组压电陶瓷晶片5的谐振频率依次相差一定的频宽，几组经过串并联组成换能器后，整体频率宽度得到大幅提高。

引线包括正极引线3以及负极引线4，凹槽包括正极引线凹槽9以及负极引线凹槽10，正极引线3设置在正极引线凹槽9内，负极引线4设置在负极引线凹槽10内，正极引线3和负极引线4的下端均与铜片引出电极6相连，正极引线3的上端由正极引线凹槽9的上端伸出，负极引线4的上端由负极引线凹槽10的上端伸出，正极引线凹槽9和负极引线凹槽10对称设置在换能器主体的两侧。

铜片引出电极6、压电陶瓷晶片5和调整块2的两侧均设置有凹槽，并在换能器主体的两侧分别形成正极引线凹槽9和负极引线凹槽10。

涂胶层设置在压电陶瓷晶片5外，涂胶层为有机硅胶材质，且在正极引线凹槽9和负极引线凹槽10内也设置有有机硅胶，有利于裸露引线和焊接头槽内涂胶保护，降低了换能器整体的阻尼系数，提高机械品质因数Qm，提高了换能器的接受灵敏度与发射响应。

压电陶瓷晶片5包括正极晶片12以及负极晶片11，正极晶片12和负极晶片11间隔设置，正极晶片12和负极晶片12并联设置。正极晶片12和负极晶片11均包括串联设置的若干片压电陶瓷晶片5。

本高性能水声换能器结构将引线嵌入换能器主体内部，有利于涂抹保护胶体，即有机硅胶，防止潮湿、盐雾、霉菌等对引线和焊点的腐蚀。由于采用的嵌入式引线结构，可减少换能器压电陶瓷晶片5外圆的涂胶厚度，防止胶体过厚，导致换能器阻尼系数过大，有利于提高水声换能器的接受灵敏度与发射响应。采用低阻尼保护的有机硅胶密封，提高了水声换能器的接受灵敏度与发射响应。采用嵌入式引线结构，可相对减小换能器体积，在相同直径的安装空间条件下，可以适当增大压电陶瓷晶片片的直径，能提高换能器的声波发射功率和反射声波接收灵敏度。

实施例1

采用P43压电陶瓷晶片，该压电陶瓷晶片5的直径为19毫米，厚度2.5为毫米，正极引线凹槽9和负极引线凹槽10的深度均为1.3毫米，三片压电陶瓷晶片5串联为一组，三组压电陶瓷晶片5并联，三种压电陶瓷晶片5的纵向中心频率依次为900kHz、1000kHz、1100kHz，Qm为360～400。

各压电陶瓷晶片5、铜片引出电极6、调节块2、预紧螺母1、辐射前端7之间均采用双组分环氧树脂胶粘接，安装完毕后用力矩数显扳手，调整预紧力力矩在5.5～8.5Nm，振子总高度为55mm。环氧树脂胶固化后，正极引线凹槽9、负极引线凹槽10和外圆涂封硅酮胶固化后，在空气中测试性能为：

阻抗分析仪测试：中心频率：31.4k；带宽8.5k(4dB)；Qm为66。同比外径16mm、晶片中心频率900K、外圆灌封1.5mm厚的聚氨酯保护引线接头的换能器，中心频率：30.4k；带宽3.5k(4dB)；Qm为36。

实施例2

采用P43压电陶瓷晶片，该压电陶瓷晶片5直径为19毫米，厚度为2.5毫米，正极引线凹槽9和负极引线凹槽10的深度均为1.3毫米，三片压电陶瓷晶片5串联为一组，三组压电陶瓷晶片5并联，三种压电陶瓷晶片5的纵向中心频率依次为980kHz、1000kHz、1020kHz，Qm为360～400。

各压电陶瓷晶片5、铜片引出电极6、调节块2、预紧螺母1、辐射前端7之间均采用双组分环氧树脂胶粘接，安装完毕后用力矩数显扳手，调整预紧力力矩在5.5～8.5Nm，振子总高度为55mm。待环氧树脂胶固化后，正极引线凹槽9、负极引线凹槽10和外圆涂封硅酮胶固化后，在空气中测试性能为：

阻抗分析仪测试：中心频率：31.0k；带宽4.5k(4dB)；Qm为78。同比外径16mm、晶片中心频率900K、外圆灌封1.5mm厚的聚氨酯保护引线接头的换能器，中心频率：30.4k；带宽3.5k(4dB)；Qm为36。

水下标准测试：辐射前端7灌封聚氨酯厚度4mm，28K激励，水下测试发射响应143dB，接收灵敏度-172dB。同比外径16mm、晶片中心频率900K、外圆灌封1.5mm厚的聚氨酯保护引线接头的换能器，水下测试发射响应仅133dB，接收灵敏度仅-189dB。

实施例3

采用P43压电陶瓷晶片，该压电陶瓷晶片5直径为19毫米，厚度2.5毫米，正极引线凹槽9和负极引线凹槽10的深度均为1.3毫米，三片压电陶瓷晶片5串联为一组，三组压电陶瓷晶片5并联，三种压电陶瓷晶片5的纵向中心频率依次为850kHz、1000kHz、1150kHz，Qm为360～400。

各压电陶瓷晶片5、铜片引出电极6、调节块2、预紧螺母1、辐射前端7之间均采用双组分环氧树脂胶粘接，安装完毕后用力矩数显扳手，调整预紧力力矩在5.5～8.5Nm，振子总高度为55mm。待环氧树脂胶固化后，开口线槽和外圆涂封硅酮胶固化后，在空气中测试性能为：

阻抗分析仪测试：中心频率：31.3k；带宽11.5k(4dB)；Qm为58。同比外径16mm、晶片中心频率900K、外圆灌封1.5mm厚的聚氨酯保护引线接头的换能器，中心频率：30.4k；带宽3.5k(4dB)；Qm为36。

通过采用3种不同中心频率的压电陶瓷晶片5，通过3串3并的方式叠加组成的换能器振子，其中心频率基本不变(主要取决于振子总高度)。通过拉大3种压电陶瓷晶片5的中心频率间距，可适当提高振子带宽，但同时Qm值有所降低。换能器同比水下标准测试，发射响应和接收灵敏度都有大幅提高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。