一种高灵敏度弯张水听器及其制作方法

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。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种高灵敏度弯张水听器，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，任意相邻两片有极性陶瓷条的电极面之间设有一金属电极条，该金属电极条与对应的有极性陶瓷条电极面紧密贴合，使各有极性陶瓷条并联，处于首尾两端的有极性陶瓷条外侧电极面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所述陶瓷晶堆；在陶瓷晶堆的上、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，且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。

作为进一步的技术方案，所述金属薄片为矩形，每一金属薄片朝远离陶瓷晶堆的方向拱起，形成拱桥状结构。

作为进一步的技术方案，所述金属薄片左右两侧的边缘与陶瓷晶堆左右两侧的边缘平齐。

作为进一步的技术方案，所述无极性陶瓷条的宽度大于有极性陶瓷条。

作为进一步的技术方案，所述陶瓷晶堆工作在压电陶瓷的d33模式，在工作状态时，有极性陶瓷条的伸缩方向与极化方向相同；相邻两片有极性陶瓷条极化方向相反。

一种高灵敏度弯张水听器的制作方法，包括以下步骤：

1)将若干片有极性陶瓷条按照并联的方式排成一组，两端各放一片无极性陶瓷条，在相邻的有极性陶瓷条之间或相邻的有极性陶瓷条和无极性陶瓷条之间放置一片金属电极条，并紧密贴合，形成陶瓷晶堆；

2)用导线将有极性陶瓷条的正负电极焊接在一起；

3)将两片金属薄片用粘接剂粘在陶瓷晶堆的上、下表面，确保金属薄片的边缘与陶瓷晶堆的边缘对齐；

4)用两个塑料挡板将粘接好的金属薄片和陶瓷晶堆的前后两侧边缘封堵起来，并确保导线穿出塑料挡板；

5)将导线与电缆对接好，利用聚氨酯材料对封堵好的金属薄片和陶瓷晶堆进行灌注。

作为进一步的技术方案，所述粘接剂为环氧树脂。

作为进一步的技术方案，步骤3)中，通过调整金属薄片的尺寸参数，改变水听器的谐振频率，从而调整水听器的工作频带。

本发明的有益效果为：1，灵敏度很高，低频灵敏度可达-185dB；2，耐静水压能力强，3，工作频带较宽且容易调整。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为陶瓷晶堆的结构示意图。

图3为陶瓷晶堆的安装示意图。

图4为本发明高灵敏度弯张水听器灵敏度仿真结果。

图5为本发明高灵敏度弯张水听器灵敏度测试结果。

附图标记说明：聚氨酯材料1、金属薄片2、陶瓷晶堆3、无极性陶瓷条3a、有极性陶瓷条3b、金属电极条3c、塑料挡板4、电缆5。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

实施例：如附图1所示，这种高灵敏度弯张水听器，包括聚氨酯材料1、金属薄片2、陶瓷晶堆3、塑料挡板4和电缆5；如图2所示，八片有极性陶瓷条3b并排放置，任意相邻两片有极性陶瓷条3b的电极面之间设有一金属电极条3c，该金属电极条3c与对应的有极性陶瓷条3b电极面紧密贴合，使各有极性陶瓷条3b并联，处于首尾两端的有极性陶瓷条3b外侧电极面分别通过一金属电极条3c与无极性陶瓷条3a紧密贴合从而形成所述陶瓷晶堆3，优选地，如图3所示，无极性陶瓷条3a的宽度大于有极性陶瓷条3b。如图1所示，陶瓷晶堆3的上、下表面分别粘接一矩形的金属薄片2，每一金属薄片2朝远离陶瓷晶堆3的方向拱起，形成拱桥状结构，金属薄片2左右两侧的边缘与陶瓷晶堆3左右两侧的边缘平齐，金属薄片2与陶瓷晶堆3的组合体前后两侧边缘通过塑料挡板4进行封堵，且在外部灌注聚氨酯材料1进行外密封；各有极性陶瓷条3b的正极或负极均与导线电连接后穿出塑料挡板4，并由电缆5引出至聚氨酯材料1外，供外部设备连接。

所述陶瓷晶堆3工作在压电陶瓷的d33模式，在工作状态时，有极性陶瓷条3b的伸缩方向与极化方向相同；相邻两片有极性陶瓷条3b极化方向相反。

一种高灵敏度弯张水听器的制作方法，包括以下步骤：

1)将八片有极性陶瓷条3b按照并联的方式排成一组，处于首尾两端的有极性陶瓷条3b电极面外侧各放一片无极性陶瓷条3a，在相邻的有极性陶瓷条3b之间或相邻的有极性陶瓷条3b和无极性陶瓷条3a之间放置一片金属电极条3c，并紧密贴合，形成陶瓷晶堆3(如图2所示)；

2)用导线将有极性陶瓷条3b的正负电极焊接在一起；

3)将两片金属薄片2用环氧树脂粘在陶瓷晶堆3的上、下表面，确保金属薄片2的边缘与陶瓷晶堆3的边缘对齐；通过调整金属薄片2的厚度、长度、宽度等尺寸参数，改变制得水听器的谐振频率，从而调整制得水听器的工作频带；

4)用两个塑料挡板4将粘接好的金属薄片2和陶瓷晶堆3的前后两侧边缘封堵起来，并确保导线穿出塑料挡板4；

5)将导线与电缆5对接好，利用聚氨酯材料1对封堵好的金属薄片2和陶瓷晶堆3进行灌注。

本发明的工作原理：本发明是依据弯张发射换能器的设计思路设计并实现的。当弯张水听器在声波作用的激励下，水听器外部的两片金属薄片会随之收缩和伸张，当入射声波频率接近水听器的一阶振动模态时，两片金属片的振动幅度最大，导致其内部陶瓷晶堆在水平方向的振动位移最大，因此水听器的灵敏度最大。

本发明与目前应用的低频水听器相比较创新点包括：首先，弯张水听器的灵敏度较高，如图4的仿真结果显示，弯张水听器在500Hz处，灵敏度可达-185dB。其次，弯张水听器具有较强的耐静水压能力。原因有两点，第一，弯张水听器内部的金属薄片的拱桥形状具有较强的耐静水压能力，第二，水听器内部的敏感元件不会直接受到静水压力的作用，水听器内部的拱桥形金属薄片在受到静水压作用下，会导致陶瓷晶堆产生水平方向的内部应力，只要水平应力不大于压电陶瓷条之间的粘接力，水听器就不会损坏导致失效。最后，弯张水听器的工作频段主要由金属薄片的结构尺寸决定，与压电陶瓷元件的尺寸关系不大，因此，在保证陶瓷晶堆的电容足够大的前提下，且不改变水听器的电容量的前提下，可以通过调整金属薄片的厚度、长度、宽度等尺寸参数，改变弯张水听器的谐振频率，使得弯张水听器获得任意的工作频带。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。