一种高灵敏度的收发一体水声换能器及其制备工艺

技术领域

本发明涉及水声换能器技术领域，尤其是涉及一种高灵敏度的收发一体水声换能器。

背景技术

水域面积占据地球总面积的70％，水下通讯、探测对民事、军事等都有着及其重要的作用，水声换能器在这些工作中承担着种要的作用。对换能器的研究是国内外的热点之一，一般对换能器的研究主要集中在其发射功率、灵敏度、带宽、指向性等方面。目前对于既能发射又能接收的换能器研究较少，这也将成为之后国内外研究换能器的热点。在同一个换能器中兼容发射功能和接收功能，会占用换能器的内部空间，增大换能器的体积。

发明内容

本发明的目的是提供一种高灵敏度的收发一体水声换能器及其制备工艺，兼容声波的接收和发射功能，且节省空间，提高灵敏度。

为实现上述目的，本发明提供了一种高灵敏度的收发一体水声换能器，包括金属后盖板、吸声层、内层敏感元件、外层敏感元件和防水透声层，所述内层敏感元件嵌套在所述外层敏感元件中间，所述内层敏感元件包括压电小柱阵列和与所述压电小柱阵列一体连接的基底，所述压电小柱阵列的上方贴附金属板，所述内层敏感元件与所述外层敏感元件之间设置有柔性材料层，所述外层敏感元件由若干阵列设置的压电陶瓷柱和填充在所述压电陶瓷柱之间的环氧树脂组成，所述外层敏感元件的中央设置有用于放置内层敏感元件的空白矩形区域，所述吸声层覆盖在所述内层敏感元件和所述外层敏感元件的上方，所述金属后盖板覆盖在所述吸声层的上方，所述金属后盖板、所述吸声层、内层敏感元件和外层敏感元件均设置于所述防水透声层内。

优选的，所述基底和所述外层敏感元件的底面分别与负电极引线相连接，所述金属板和所述外层敏感元件的顶面分别与正电极引线相连接，所述负电极引线和所述正电极引线分别穿过所述金属后盖板并伸入导线。

优选的，所述压电小柱阵列采用压电陶瓷材料或压电单晶材料，所述压电小柱阵列与所述金属板通过导电胶粘接，所述基底的下表面镀有电极。

优选的，所述外层敏感元件的上表面和下表面设置有薄金属电极。

优选的，所述柔性材料层为硅橡胶材质，所述吸声层为硬质泡沫材质，所述金属后盖板为不锈钢材质，所述防水透声层采用聚氨酯胶封固化形成。

一种高灵敏度的收发一体水声换能器的制备工艺，其特征在于，步骤如下：

S1、制备内层敏感元件；

S2、制备外层敏感元件；

S3、将内层敏感元件和外层敏感元件用硅橡胶材质的柔性材料层粘接在一起；

S4、在外层敏感元件的外侧套接密封壳；

S5、从内层敏感元件和外层敏感元件的上下表面分别引出负电极引线和正电极引线，将负电极引线和正电极引线穿过金属后盖板；

S6、在内层敏感元件和外层敏感元件的上方粘接吸声层，在吸声层的上方粘接金属后盖板；

S7、在外层敏感元件、吸声层和金属后盖板的外围通过聚氨酯胶固化形成防水透声层。

优选的，制备内层敏感元件的步骤如下：

S1.1将压电材料片沿Z方向极化，在压电材料片的上下表面镀电极；

S1.2分别沿着X方向和Y方向切割压电材料片，形成带基底的压电小柱阵列；

S1.3在压电小柱阵列的上表面粘接金属板，形成内层敏感元件。

优选的，制备外层敏感元件的步骤如下：

S2.1分别沿X方向和Y方向切割另一压电材料片的上表面，形成带基底的压电陶瓷柱阵列；

S2.2在压电陶瓷柱的阵列缝隙中填充环氧树脂，然后将压电材料片翻转；

S2.3沿X方向和Y方向切割压电材料片的下表面，形成完成贯穿的压电陶瓷柱阵列；

S2.4在压电陶瓷柱的阵列缝隙中填充环氧树脂，然后在压电陶瓷柱的上、下表面分别贴附一层薄金属电极。

因此，本发明采用上述结构的一种高灵敏度的收发一体水声换能器及其制备工艺，将换能器的敏感单元设置有内外两层的嵌套结构，充分利用换能器的内部空间，其中内层敏感单元作为换能器的接收部分，外层敏感单元作为发射部分，将内层单元的反谐振频率设计为与外层单元的谐振频率相近，在实现换能器收发一体的同时实现高接收灵敏度；另外将压电陶瓷的厚度振动转化为压电小柱的长度伸缩振动，提高了机电耦合系数，进一步提高接收灵敏度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种高灵敏度的收发一体水声换能器实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1的外层敏感元件结构示意图；

图3为本发明实施例1的内层敏感元件切割方向示意图；

图4为本发明实施例1的外层敏感元件导纳曲线示意图；

图5为本发明实施例1的内层敏感元件导纳曲线示意图；

图6为本发明实施例1的外层敏感元件发送电压响应曲线图；

图7为本发明实施例1的内层敏感元件接收灵敏度曲线图。

附图标记

1、导线；2、金属后盖板；3、吸声层；4、正电极引线；5、内层敏感元件；51、金属板；52、压电小柱阵列；53、基底；6、外层敏感元件；7、防水透声层；8、正电极引线。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

如图所示，一种高灵敏度的收发一体水声换能器，包括金属后盖板2、吸声层3、内层敏感元件5、外层敏感元件6和防水透声层7，内层敏感元件5嵌套在外层敏感元件6中间，内层敏感元件5为接收单元，外层敏感元件6为发射单元。

内层敏感元件5包括压电小柱阵列52和与压电小柱阵列52一体连接的基底53，压电小柱阵列52的上方贴附金属板51，压电小柱阵列52采用压电陶瓷材料或压电单晶材料。压电小柱阵列52与金属板51通过导电胶粘接，基底53的下表面镀有电极。作为发射单元的内层敏感元件5采用不添加聚合物的压电小柱阵列52结构，能够提高机电耦合系数。金属板51可以将来自声场的声压传到每个压电小柱上，增大了压电小柱内部的应力，起到应力放大作用，通过压电小柱应力放大效应，提高换能器的接收灵敏度。

内层敏感元件5与外层敏感元件6之间设置有柔性材料层，柔性材料层为硅橡胶材质。外层敏感元件6由若干阵列设置的压电陶瓷柱和填充在压电陶瓷柱之间的环氧树脂组成，外层敏感元件6的中央设置有用于放置内层敏感元件5的空白矩形区域。外层敏感元件6的上表面和下表面设置有薄金属电极。作为反射单元的外层敏感元件6采用1-3型结构，将整块压电陶瓷的厚度振动(机电耦合系数约为0.5)转化为压电小柱阵列52的纵向伸缩振动(机电耦合系数约为0.7)，改变了材料的振动模态。这样，1-3型压电复合材料厚度机电耦合系数会比纯压电材料厚度机电耦合系数高。另外采用聚合物作为填充物，降低Q值，有加固材料和扩展带宽的作用。

通过高度和尺寸的设计使内层敏感元件5的工作频率和外层敏感元件6的发射频率接近。对该结构的换能器进行可行性分析及仿真测试，得到如图4所示的发射单元的导纳曲线，其谐振频率为210kHz；如图5所示的，接收单元的导纳曲线图，其反谐振频率为208kHz，发射的谐振频率和接收的反谐振频率基本相等。从图6可以看出，在谐振频率210kHz左右，外层敏感元件6的发送电压响应最高；如图7可以看出，210kHz左右时内层敏感元件5的接收灵敏度最高。

吸声层3覆盖在内层敏感元件5和外层敏感元件6的上方，吸声层3为硬质泡沫材质。金属后盖板2覆盖在吸声层3的上方，金属后盖板2为不锈钢材质，基底53和外层敏感元件6的底面分别与负电极引线相连接，金属板51和外层敏感元件6的顶面分别与正电极引线84相连接，负电极引线和正电极引线84分别穿过金属后盖板2并伸入导线1。

金属后盖板2、吸声层3、内层敏感元件5和外层敏感元件6均设置于防水透声层7内，防水透声层7采用聚氨酯胶封固化形成。防水透声层7既能够保护换能器内部的元件和电路不被损坏，又能够使声波顺畅的出入，不影响发射和接收。

实施例2

一种高灵敏度的收发一体水声换能器的制备工艺，其特征在于，步骤如下：

S1、制备内层敏感元件5，步骤如下：

S1.1将压电材料片沿Z方向极化，在压电材料片的上下表面镀电极；

S1.2分别沿着X方向和Y方向切割压电材料片，形成带基底53的压电小柱阵列52；

S1.3在压电小柱阵列52的上表面粘接金属板51，形成内层敏感元件5。

S2、制备外层敏感元件6，步骤如下：

S2.1分别沿X方向和Y方向切割另一压电材料片的上表面，形成带基底53的压电陶瓷柱阵列；

S2.2在压电陶瓷柱的阵列缝隙中填充环氧树脂，然后将压电材料片翻转；

S2.3沿X方向和Y方向切割压电材料片的下表面，形成完成贯穿的压电陶瓷柱阵列；

S2.4在压电陶瓷柱的阵列缝隙中填充环氧树脂，然后在压电陶瓷柱的上、下表面分别贴附一层薄金属电极。

S3、将内层敏感元件5和外层敏感元件6用硅橡胶材质的柔性材料层粘接在一起；

S4、在外层敏感元件6的外侧套接密封壳；

S5、从内层敏感元件5和外层敏感元件6的上下表面分别引出负电极引线和正电极引线84，将负电极引线和正电极引线84穿过金属后盖板2；

S6、在内层敏感元件5和外层敏感元件6的上方粘接吸声层3，在吸声层3的上方粘接金属后盖板2；

S7、在外层敏感元件6、吸声层3和金属后盖板2的外围通过聚氨酯胶固化形成防水透声层7。

因此，本发明采用上述结构的一种高灵敏度的收发一体水声换能器及其制备工艺，将换能器的敏感单元设置有内外两层的嵌套结构，充分利用换能器的内部空间，其中内层敏感单元作为换能器的接收部分，外层敏感单元作为发射部分，将内层单元的反谐振频率设计为与外层单元的谐振频率相近，在实现换能器收发一体的同时实现高接收灵敏度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。