一种大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器

技术领域

本发明属于换能器技术领域，具体涉及一种大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器。

背景技术

在一些大功率、高声强的应用中，为了提高换能器的功率容量和声强，需要增大换能器的横向尺寸，但是径向尺寸增大后，通常会大于纵波波长的四分之一，此时换能器的振动模式表现为径向振动与纵向振动的耦合，并且耦合振动会随着径向尺寸的增加而逐渐加强，耦合振动不仅会造成换能器纵向辐射声功率的大幅降低，还会导致换能器辐射表面的纵向位移分布不均匀，严重影响换能器的性能。

文献1(Shuyu,L.Analysis of the equivalent circuit of piezoelectricceramic disk resonators in coupled vibration.Journal of Sound&Vibration,2000,231(2):277-290.)、文献2(Watanabe Yuji,Mori Eiji,Imamura Akio,et al.An analysisof fundamental vibration mode of short column type resonator using apparentelasticity method.1995,51(6):455-462.)和文献3(Xu J,Lin S.Analysis on thethree-dimensional coupled vibration of composite cylindrical piezoelectrictransducers.J Acoust Soc Am.2018；143(2):1206.)公开了利用耦合振动理论对大尺寸夹心式纵向振动压电陶瓷换能器进行理论分析和设计；文献4(Bai Jiaai,ZhangGuangbin,Zhang Xiaofeng.A low-frequency longitudinal vibration transducerwith a helical slot structure..2019,145(5):2948.)通过在喇叭形夹心换能器的前盖板上穿锥台形单孔的方式，设计了一种大尺寸的新型宽频带换能器；文献5(胡静,贺西平.穿单孔宽带夹心式换能器[J].西北大学学报(自然科学版),2008,(04):555-559.)通过在换能器上穿一锥台形单孔的方式来降低换能器共振频率、拓宽带宽；文献6(HongjieZhang,Jian Zhao,Yanyan Hou,et al.A new method to enhance the tip vibrationamplitude output of the high frequency piezoelectric ultrasonic transducerused in the thermosonic bonding.2019,294:116-125.)通过安装柔性夹具来减小耦合振动的影响，提高换能器辐射面的位移输出；文献7(王莎,林书玉.基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的优化设计[J].物理学报,2019,68(02):173-178.)沿着换能器前盖板的半径方向加工了三个穿透式的矩形槽，用以改善大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器前盖板的辐射面振幅分布；文献8(林基艳,林书玉,王升,李耀.点缺陷正方晶格声子晶体的大尺寸压电陶瓷复合换能器[J].中国科学:物理学力学天文学,2021,51(09):100-110.)通过在换能器前盖板的半径方向加工单点缺陷圆柱体槽来抑制大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器的横向振动，改善辐射面振幅分布；文献9(鲜晓军,林书玉,张海岛.基于类1-3-2型压电复合陶瓷夹心式换能器性能的研究[J].陕西师范大学学报(自然科学版),2015,43(05):39-42.)使用新型压电复合陶瓷材料代替传统单一材料的PZT压电陶瓷片，以此来获得频带宽而且振动模态单一的换能器。

目前研究成果可以发现，这些研究成果虽然在一定程度上能改善换能器的性能，但存在诸如缺少具体理论支撑、结构复杂、径向尺寸较小、对径向振动的抑制效果不理想、带宽较窄等缺点。因此，为更好地促进大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器在实际工程领域中的应用，急需研究新的更有效的方法对大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器的性能进行改善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器。该换能器通过在换能器的喇叭形前盖板上开设由点缺陷空气圆柱孔和双管柱圆柱孔形成的具有径向带隙的近周期声子晶体结构，实现对大尺寸换能器中有害径向振动的抑制和衰减，使得换能器的振动模态更加单一，并改善换能器喇叭形前盖板辐射面的纵向位移分布均匀度，提高换能器辐射面的振幅增益，解决现有换能器对径向振动抑制效果不理想、振动较小、带宽较窄的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器，其特征在于，包括依次相连的后盖板、压电陶瓷晶堆和喇叭形前盖板，所述喇叭形前盖板上开设有n行×n列平行于换能器轴向的圆柱孔，且n为3以上的奇数，其中，位于中心的圆柱孔为点缺陷空气圆柱孔，其余圆柱孔为双管柱圆柱孔，所述双管柱圆柱孔中设置有双管柱结构5。

上述的一种大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器，其特征在于，所述n为3或5；所述双管柱圆柱孔的半径r和高度h取值为：3mm≤r≤10mm，5mm≤h≤30mm，所述双管柱结构包括外管柱环和内管柱环，且外管柱环的外半径r1、内半径r2和高度h1取值为：2mm≤r1≤9mm，1.5mm≤r2≤8mm，5mm≤h1≤30mm，内管柱环的外半径r3、内半径r4和高度h2取值为：1mm≤r3≤4mm，0.5mm≤r4≤3mm，5mm≤h2≤30mm；所述点缺陷空气圆柱孔的半径r5和高度h3取值为：1mm≤r5≤10mm，5mm≤h3≤30mm。

上述的一种大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器，其特征在于，所述n为3，所述双管柱圆柱孔4的半径r＝7mm，高度h＝20mm，且外管柱环的外半径r1＝3mm，内半径r2＝2.5mm，高度h1＝20mm，内管柱环的外半径r3＝1.5mm，内半径r4＝1mm，高度h2＝20mm，所述点缺陷空气圆柱孔的半径r5＝7mm，高度h3＝20mm。

上述的一种大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器，其特征在于，所述后盖板为圆柱体，且压电陶瓷晶堆的两端分别与后盖板的后端面、喇叭形前盖板的前端面相连。

上述的一种大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器，其特征在于，所述后盖板的半径r6＝31mm，高度h4＝30mm，后盖板上开设有与点缺陷空气圆柱孔对应的安装盲孔，所述后盖板1的材质为铝。

上述的一种大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器，其特征在于，所述喇叭形前盖板的大端面的半径r7＝31mm，小端面的半径r8＝50mm，高度h5＝35mm，所述喇叭形前盖板的材质为铝。

上述的一种大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器，其特征在于，所述压电陶瓷晶堆由两个压电陶瓷晶堆板依次同轴堆叠而成，且压电陶瓷晶堆的中心开设有与点缺陷空气圆柱孔对应的安装通孔，压电陶瓷晶堆的外半径r9＝30mm，内半径r10＝7mm，所述压电陶瓷晶堆的材质为PZT-4。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过在换能器的喇叭形前盖板上开设形成呈正方晶格排列的孔隙结构，有效降低换能器的等效质量，使得换能器获得较低谐振频率，并将该孔隙结构中位于中心的圆柱孔设置为点缺陷空气圆柱孔，其余圆柱孔为具有双管柱结构的双管柱圆柱孔，以形成具有径向带隙的近周期声子晶体结构，实现对大尺寸换能器中有害径向振动的抑制和衰减，使得换能器的振动模态更加单一，提高换能器辐射面的振幅增益。

2、本发明的换能器通过设置点缺陷空气圆柱孔引发Anderson局域化效应，针对性地调控局域声场的强度和相位，大幅改善换能器喇叭形前盖板辐射面的纵向位移分布均匀度，进而大幅提高换能器辐射面的振幅增益。

3、本发明换能器中双管柱圆柱孔和点缺陷空气圆柱孔的设置，使其既具备孔/槽型结构材料组成单一、制作工艺简单、成本低的优点，又具备柱型结构设计灵活，对结构的尺寸精度要求较低的优点。

4、本发明换能器利用双管柱结构中的双环形孔增强声波的多重散射，使得换能器在管柱较低的条件下也能产生禁带，有效抑制径向振动的同时，大幅拓宽换能器的工作带宽，增强换能器的稳定性和机械强度，降低加工成本。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器的结构示意图。

图2为本发明大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器的主剖视面图。

图3为本发明大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器中喇叭形前盖板的结构示意图。

图4为本发明大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器与未优化换能器辐射面的纵向相对位移分布图。

图5为未优化换能器的结构示意图。

图6为本发明大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器与未优化换能器辐射面的射电压响应TVR对比图。

图7a为本发明大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器的振型图。

图7b为未优化的换能器的振型图。

附图标记说明

1—后盖板； 2—压电陶瓷晶堆；3—喇叭形前盖板；

4—双管柱圆柱孔； 5-1—外管柱环；5-2—内管柱环；

5—双管柱结构； 6—点缺陷空气圆柱孔。

具体实施方式

实施例1

如图1～图3所示，本实施例的大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器包括依次相连的后盖板1、压电陶瓷晶堆2和喇叭形前盖板3，所述喇叭形前盖板3上开设有n行×n列平行于换能器轴向的圆柱孔，且n为3以上的奇数，其中，位于中心的圆柱孔为点缺陷空气圆柱孔6，其余圆柱孔为双管柱圆柱孔4，所述双管柱圆柱孔4中设置有双管柱结构5。

本实施例的换能器通过设置依次相连的后盖板1、压电陶瓷晶堆2和喇叭形前盖板3，使得压电陶瓷晶堆2被夹在后盖板1与喇叭形前盖板3之间，形成夹心式结构；本实施例的换能器采用辐射面尺寸大的喇叭形前盖板3，与保证换能器的辐射性能，但大尺寸振动体受泊松效应影响较大，会产生严重的径向振动，径向振动的存在会影响换能器的性能和可靠性，缩短换能器的使用寿命，甚至直接导致换能器失效。针对该问题，本实施例的换能器通过在喇叭形前盖板3上开设n行×n列平行于换能器轴向的圆柱孔，形成在换能器径向上呈正方晶格排列的周期性孔隙结构，并通过限定n为3以上的奇数，保证孔隙结构中圆柱孔的数量为奇数，从而将该孔隙结构中位于中心的圆柱孔设置为点缺陷空气圆柱孔6，通常，缺陷空气圆柱孔6位于换能器的中心轴线上，其余圆柱孔设置为具有双管柱结构5的双管柱圆柱孔4，以形成空气-二维正方晶格点缺陷结构，即形成具有径向带隙的近周期声子晶体结构，当弹性波/声波在该近周期声子晶体结构中传播时，因受到其内部径向方向上周期性孔隙结构的作用，会形成特殊的色散关系，色散关系曲线之间的频率范围即为禁带也就是径向带隙，径向带隙有效抑制了大尺寸换能器径向方向弹性波/声波的传输，从而使得换能器的振动模态以横向振动为主，实现对大尺寸换能器中有害径向振动的抑制和衰减，使得大尺寸换能器的振动模态更加单一，提高了大尺寸换能器辐射面的振幅增益。

同时，本实施例换能器的近周期声子晶体结构中将位于中心的圆柱孔设置为点缺陷空气圆柱孔6，该点缺陷的存在会导致其禁带范围内缺陷态的出现，引发弹性波/声波的Anderson局域化效应，即禁带范围内弹性波/声波的位移或压强等的分布在点缺陷处具有很好的局域性，且该处的声压共振放大。因此，可通过调节点缺陷空气圆柱孔6的结构，即调节该处散射体的半径尺寸、填充率、旋转角度、材料等参数来实现对缺陷态频率、局域化程度、缺陷态模式等属性的调控，而不同的缺陷模式对应不同的模场分布和振动相位，从而利用点缺陷空气圆柱孔6针对性地调控局域声场的强度和相位，大幅改善换能器喇叭形前盖板3辐射面的纵向位移分布均匀度，进而大幅提高换能器辐射面的振幅增益，解决了现有换能器对径向振动抑制效果不理想、振动较小、带宽较窄的问题。

进一步地，所述n为3或5；所述双管柱圆柱孔4的半径r和高度h取值为：3mm≤r≤10mm，5mm≤h≤30mm，所述双管柱结构5包括外管柱环5-1和内管柱环5-2，且外管柱环5-1的外半径r1、内半径r2和高度h1取值为：2mm≤r1≤9mm，1.5mm≤r2≤8mm，5mm≤h1≤30mm，内管柱环5-2的外半径r3、内半径r4和高度h2取值为：1mm≤r3≤4mm，0.5mm≤r4≤3mm，5mm≤h2≤30mm；所述点缺陷空气圆柱孔6的半径r5和高度h3取值为：1mm≤r5≤10mm，5mm≤h3≤30mm。

通常，柱体越高越有利于拓宽柱型声子晶体结构的带宽，但是柱高的增高，容易导致柱式结构的断裂，增加了柱型声子晶体结构的不稳定性。本实施例的换能器利用近周期声子晶体结构中构造的点缺陷结构对大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器进行优化，不仅极低的能量损耗(由于固体基体材料和空气的声阻抗差异较大，声波能量反射率高，向空气的辐射小，尤其当声波为高频声波时，其能量损耗可以忽略不计)，有效提高换能器辐射面的纵向位移振幅和振幅分布均匀度，还利用双管柱圆柱孔4管柱结构中的双环形孔增强声波的多重散射，使得换能器在管柱较低的条件下也能产生禁带，有效抑制横向振动的同时，大幅拓宽换能器的工作带宽，增强换能器的稳定性和机械强度，降低加工成本。因此，本实施例的换能器中通过设置双管柱圆柱孔4、双管柱结构5以及点缺陷空气圆柱孔6并对各半径、高度进行限定，既具备孔/槽型结构材料组成单一、制作工艺简单、成本低的优点，又具备柱型结构设计灵活，对结构的尺寸精度要求较低的优点。

进一步地，所述n为3，所述双管柱圆柱孔4的半径r＝7mm，高度h＝20mm，且外管柱环5-1的外半径r1＝3mm，内半径r2＝2.5mm，高度h1＝20mm，内管柱环5-2的外半径r3＝1.5mm，内半径r4＝1mm，高度h2＝20mm，所述点缺陷空气圆柱孔6的半径r5＝7mm，高度h3＝20mm。本实施例通过限定双管柱圆柱孔4、双管柱结构5以及点缺陷空气圆柱孔6的各半径、高度为上述取值，保证了大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器的辐射面纵向位移振幅分布均匀度较好，且平均纵向位移振幅较大。

进一步地，所述后盖板1为圆柱体，且压电陶瓷晶堆2的两端分别与后盖板1的后端面、喇叭形前盖板3的前端面相连。本实施例通过该限定保证压电陶瓷晶堆2被夹在后盖板1与喇叭形前盖板3之间，形成稳定的夹心式结构。

进一步地，所述后盖板1的半径r6＝31mm，高度h4＝30mm，后盖板1上开设有与点缺陷空气圆柱孔6对应的安装盲孔，所述后盖板1的材质为铝。本发明通过在后盖板1上设置安装盲孔，以便通过螺栓经点缺陷空气圆柱孔6将喇叭形前盖板3、压电陶瓷晶堆2和后盖板1连接形成整体结构。

进一步地，所述喇叭形前盖板3的大端面的半径r7＝31mm，小端面的半径r8＝50mm，高度h5＝35mm，所述喇叭形前盖板3的材质为铝。本实施例采用轻金属铝材质的喇叭形前盖板3，保证了将换能器产生的绝大部分能量从其纵向表面高效地辐射除去，同时该喇叭形前盖板3实际上也充当阻抗变换器，将负载阻抗加变化以保证纵振压电陶瓷换能器所需阻抗，从而提高换能器的发射效率，并具有一定的频带宽度，适用于水声及超声领域。此外，喇叭形前盖板3的材质还可为铝合金、铝镁合金或钦合金。

进一步地，所述压电陶瓷晶堆2由两个压电陶瓷晶堆板依次同轴堆叠而成，且压电陶瓷晶堆2的中心开设有与点缺陷空气圆柱孔6对应的安装通孔，压电陶瓷晶堆2的外半径r9＝30mm，内半径r10＝7mm，所述压电陶瓷晶堆2的材质为PZT-4。本实施例通过在压电陶瓷晶堆2的中心开设与点缺陷空气圆柱孔6对应的安装通孔，且通常安装通孔的孔径与点缺陷空气圆柱孔6的孔径相同，以便于通过螺栓将压电陶瓷晶堆2与喇叭形前盖板3连接。

对本实施例的大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器的性能进行检测，结果如图4所示，结合检测结果及图4可知：本实施例大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器在0～20.1kHz范围内存在径向带隙，可以对特征频率为19.207kHz的大尺寸换能器的径向振动进行有效地抑制，使得换能器的振动模态更加单一；该双管柱式大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器辐射面的纵向相对位移变化范围为0.2436mm～0.2671mm，平均纵向相对位移为0.2514mm，而如图5所示结构的未优化的换能器，即未在喇叭形前盖板3上开设包括双管柱圆柱孔4和点缺陷空气圆柱孔6的圆柱孔的换能器，其辐射面的纵向相对位移变化范围为0.1039mm～0.2423mm，平均纵向相对位移为0.1544mm，即大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器的辐射面的纵向平均位移是未优化的换能器的1.628倍，说明本发明大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器不仅辐射端面纵向位移分布均匀度明显提升，工作性能果明显优于未优化前的换能器。

图6为本发明大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器与未优化换能器辐射面的射电压响应TVR对比图，通过换能器中心频率对应的发射电压响应下降3dB时两频率之差即可求得换能器的工作带宽，从图6可以看出，由于本发明换能器中双管柱结构的两重环形孔结构增强了声波的多重散射，加强了局域模态耦合效应，与未优化的无管柱结构的换能器相比，本发明双管柱结构的大尺寸管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器的工作带宽得到了有效地拓宽。

图7a为本发明大尺寸双管柱夹心式纵振压电陶瓷换能器的振型图，从图7a可以看出，该换能器的辐射端面振幅分布非常均匀，即利用方向禁带对带隙内的径向振动进行了有效地抑制，使换能器的振动模态更加单一。

图7b为未优化换能器的振型图，从图7b可以看出，受泊松效应的影响，未优化的大尺寸换能器产生了强烈的耦合振动，导致其辐射端面的振幅分布呈现出中心小边缘大的现象，即此时换能器的振动模式表现为径向振动与横向振动的耦合。该有害径向振动的存在不仅降低了换能器的纵向辐射声功率，还会使得换能器的辐射端面不再做等振幅的活塞运动，导致辐射端面振幅分布不均匀，严重影响换能器的性能。

将图7a与图7b进行比较可知，本发明的换能器通过在喇叭形前盖板3上设置具有双管柱结构5的双管柱圆柱孔4和缺陷空气圆柱孔6，形成具有径向带隙的近周期声子晶体结构，实现对大尺寸换能器中有害径向振动的抑制和衰减，使得大尺寸换能器的振动模态更加单一，提高了大尺寸换能器辐射面的振幅增益。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。