專利名稱：一種大開角疊堆晶片發(fā)射換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬水聲探測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)發(fā)射水聲信號而 實(shí)現(xiàn)水中探測的發(fā)射換能器，可廣泛用于水下通信、探測、目標(biāo)定位、跟蹤等，是聲納使 用的重要部件。
背景技術(shù)：
水聲換能器是將聲能和電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的器件，其地位類似于無線電設(shè)備中的天 線，是在水下發(fā)射和接收聲波的關(guān)鍵器件。水下的探測、識別、通信，以及海洋環(huán)境監(jiān)測 和海洋資源的開發(fā)，都離不開水聲換能器。換能器可分為發(fā)射型、接收型和收發(fā)兩用型。 將電信號轉(zhuǎn)換成水聲信號，并向水中輻射聲波的換能器，稱為發(fā)射換能器，發(fā)射換能器要 求有比較大的輸出聲功率和比較高的電聲轉(zhuǎn)換效率。用來接收水中聲波信號，將其轉(zhuǎn)換成 電信號的換能器為接收換能器，也常稱為水聽器，對接收換能器則要求寬頻帶和高靈敏度。 既可以將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，又可以將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號，用于接收或發(fā)射聲信號的 換能器稱為收發(fā)換能器。通常，發(fā)射換能器都有一個電儲能元件和一個機(jī)械振動系統(tǒng)。當(dāng)換能器用作發(fā)射時， 從發(fā)射機(jī)的輸出級送來的電振蕩信號引起電儲能元件中電場或磁場的變化。這種變化借助 于某種物理效應(yīng)，對換能器的機(jī)械振動系統(tǒng)產(chǎn)生一個推動力，使其進(jìn)入振動狀態(tài)，從而推 動與機(jī)械振動系統(tǒng)相接觸的介質(zhì)振動，即向介質(zhì)中輻射聲波。目前常用的一類水聲發(fā)射換能器是采用疊堆晶片制作的各種發(fā)射換能器，這種疊堆晶 片振子可以較小的重量和體積獲得大的聲能密度而廣泛地用于水聲和超聲技術(shù)中。這類換 能器主要有以下幾種(1)復(fù)合棒壓電換能器復(fù)合棒壓電換能器也稱為夾心式壓電換能器或喇叭形壓電換能器(T. Inoue, T. Nada， T. Tsuchiya, T. Nakanishi, T. Miyama， M. Konno, "Tonpilz piezoelectricers with acoustic matching plates for underwater color image transmission", IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect.， Freq.Contr., Vol. 40, pp. 121-129,1993; Qingshan Yao Bjorno. L. "Broad band tonpilz underwater acoustic transducers based on multimode optimization IEEE VFFC. Vol 44 5 1997P1060-1066; Inoue T. Nada. T. "Tonpilz Piezoelectric transducer with acoustic matching plates for underwater color image正EE VFFC Vol.40.2, 1993 P121-130.)。它是一種常用的大功率 發(fā)射換能器，用作接收亦有較高的靈敏度。復(fù)合棒壓電換能器振子結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 由于壓電陶瓷縱振模態(tài)頻率較高，而且其發(fā)射頭11為喇叭狀，這種換能器工作頻率 主要在幾千赫茲到幾百千赫茲，其發(fā)射指向性圖的波束寬度(開角)較小。(2) 雙端發(fā)射復(fù)合棒壓電換能器(Janus transducer)Janus換能器，即雙端縱振動換能器(S. C. Thompson, M. P. Johnson， M. P. Johnson,workshop Transducers Sonics Ultrason， Orlando, Bath, V, K FL, PP.234-249，1992; S. C. Thompson, "Underwater Electroacoustic Transducers", Proe Fransducers sonic Ulorason, Orlando, Bath， U. K， FL, PP215-217,1991; J. N. DecarPigny J. C. Debus, B. Tocquet D. Boucher, In-air analysis of Piezoelectric tonpilz transdueers in a wide frequency band using a mixed finite element-plane wave methoal J. Acoust. Soc, Amer., Vol. 78, No. 5， PP1499-1507, 1985.)，是雙面對稱發(fā)射的復(fù)合棒壓電換能器。如圖2所示，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)簡單；功率重量 比好，能發(fā)射中、高功率；與支撐結(jié)構(gòu)有較好的去耦，尾質(zhì)量位于結(jié)構(gòu)的中心；裝配成陣 比較容易，物理特性和制造技術(shù)比較成熟。和復(fù)合棒壓電換能器一樣，Janus換能器主要工作在幾千赫茲到幾百千赫茲，波束寬度(開角)較小。但改用磁致伸縮材料代替壓電陶瓷堆作為驅(qū)動可以降低工作頻率。(3) 環(huán)狀換能器(Ring transducer)環(huán)狀換能器(S. G. Schock, L. R. Leblanc, S. Panda "spatial and temporal pulse design considerations for a marine sediment classification sonar", IEEE J. Oceanic Eng., Vol. 19 PP 406-415, July 1994; Y. Qinqshan, L.Bjomo, "Broadband tonpilz underwater acoustic transducers based on multimode optimization", IEEE Frans Ulorason.， Ferroelect, freq. Contr.， Vol. 44, P1060-1066, 1997.)以外部的圓環(huán)作為輻射面，如圖3所示，通過計(jì)算確定圓環(huán)的厚度， 可以使其能夠承受深水的靜水壓。 一些長度振子按照"星"形插入圓環(huán)內(nèi)。每個長度振子 由壓電陶瓷堆23和尾質(zhì)量53組成。這種換能器由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，可以工作在深水。并 且有兩個主要的諧振頻率可以應(yīng)用， 一是圓環(huán)自身的諧振頻率(圓環(huán)的呼吸模態(tài))，稍低 的振動頻率；二是每個長度振子的諧振頻率(類似復(fù)合棒壓電換能器的縱振動模態(tài))，稍 高的振動頻率。該換能器考慮到復(fù)合棒壓電換能器和Janus換能器難以實(shí)現(xiàn)低頻發(fā)射的缺點(diǎn)，因此改用縱振模式的陶瓷來驅(qū)動外環(huán)作彎曲模式的振動，這樣就可以實(shí)現(xiàn)低頻發(fā)射。但該換能器 有一個不足就是相對輻射面積過小，沒有把陶瓷堆的縱振能量充分地轉(zhuǎn)換為低頻彎曲振動 的能量，因此輻射能力不夠大。(4)桶板(I型)彎張換能器桶板彎張換能器(Jone D F. Flextensional Barrel-stave Projectors, in Transducers for Sonic and Ultrasonic, MeCollum M D. Hamonic B F. Wilson O. B. eds. Technomic Publishing co.Inc.， Lancaster, 1993: 150-159.)將若干塊由平面彎成的圓孤(或其它曲線)弓形段彎曲梁，用 螺釘安裝到壓電陶瓷晶片堆24兩端的質(zhì)量塊上，構(gòu)成壓電振子。其中， 一種典型的結(jié)構(gòu) 如圖4所示。通過用閉孔泡沫塑料充填部分空腔，采用自由浸沉，有工作于500m深水的 能力。桶板彎張換能器將晶片堆的縱振動轉(zhuǎn)換為桶板的彎曲振動，工作頻率較低。凸形殼 體，在水中工作時，作用于其上的靜水壓的合力為沿長軸方向的張力，這就抵消了部分施 加的預(yù)壓應(yīng)力。隨著深度的增加，這種張力也正比地增加，就不可能保證在高驅(qū)動工作時 的安全應(yīng)力，從而限制了工作深度。凹面彎張換能器(如圖5)是針對這一問題設(shè)計(jì)的。它的優(yōu)點(diǎn)是靜水壓合力為沿長 軸的壓力，隨著深度增加而增加，因而需施加的裝配預(yù)應(yīng)力最小；當(dāng)外殼在基頻徑向振動 時，外殼全部作同相位振動，能更有效地向遠(yuǎn)場輻射聲功率。該換能器的缺點(diǎn)是整體布局成細(xì)長型，在占用同樣的最大尺度上，作為驅(qū)動的元件壓 電陶瓷的數(shù)量相對偏少，驅(qū)動能力就相對不足。綜上所述，目前常用的疊堆晶片發(fā)射換能器分為兩類， 一類應(yīng)用壓電陶瓷晶片縱振模 態(tài)工作，頻率在幾千到幾百千赫茲，發(fā)射波束寬度(開角)較小。另一類將晶片縱振模態(tài) 轉(zhuǎn)換為外殼的彎曲振動，大大降低了換能器的工作頻率， 一般可降到幾赫到幾千赫茲，但 波束寬度(開角)也較小。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)現(xiàn)有疊堆晶片發(fā)射換能器開角較小的不足，提供一種高靈敏度 大開角的發(fā)射換能器。上述目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種疊堆晶片發(fā)射換能器，包括壓電晶片堆、前蓋板、背襯等，壓電晶片堆由多片壓 電陶瓷晶片疊堆而成，前蓋板用輕金屬制成，背襯由重金屬制成，前蓋板和背襯分別位于壓電晶片堆的上下兩端；相鄰的晶片之間，以及壓電晶片堆與前蓋板和背襯之間夾有金屬 薄片，金屬薄片上焊接電極引線；壓電陶瓷晶片的極化方向沿著厚度方向；所述前蓋板為 帶圓柱頭的椎體，具體地說，前蓋板分為上下兩部分，下部分為一個倒扣的喇叭狀圓臺， 上部分是一個頂面為平面或球冠面的圓柱。上述壓電晶片堆的晶片可采用中心帶孔的壓電陶瓷PZT制作，每相鄰兩片的極化方向 相反，晶片的數(shù)量為2 50，晶片的直徑一般為10 100mm，每片晶片的厚度一般為0. 5 5醒上述前蓋板的圓柱頭即為發(fā)射頭，其直徑應(yīng)小于發(fā)射換能器的工作波長的1/2。圓柱 頭下面的圓臺頂面直徑與發(fā)射頭相同，而底面大小與晶片相同。圓臺及圓柱的總高度為 10 100mm，圓柱的高度小于總高度的1/2。前蓋板采用鋁、鋁鎂合金等輕金屬制作，而背襯采用鋼、黃銅等重金屬制作，前蓋板 與背襯的密度之比應(yīng)小于0.3，以使晶片堆的振動能量大部分通過前蓋板向外輻射。背襯 的厚度為5 100 金屬薄片與壓電晶片、前蓋板及背襯之間用環(huán)氧樹脂膠合。金屬薄片用黃銅或鋅鉑銅 等易于焊接的金屬或合金制作，越薄越好， 一般要求其厚度小于0. lmm。背襯、壓電晶片堆進(jìn)一步通過貫穿其中的預(yù)應(yīng)力螺釘與前蓋板固定連接。 發(fā)射換能器裝配好后往往需要封閉于防水透聲層中。換能器的防水透聲層材料通常為 聚氨酯透聲橡膠，這種材料具有介電強(qiáng)度高、體積電阻高、抗張和抗切變強(qiáng)度高、耐磨性 好和阻尼高等特性，而且聚氨酯還有較好的耐酒精、耐酯族溶劑性能。顧名思義，防水透 聲層的主要作用是防水、透聲，避免換能器內(nèi)部由于進(jìn)水、短路而導(dǎo)致器件損壞。同時， 聚氨酯的特性阻抗與水匹配，聲衰減系數(shù)很低，保證換能器與水介質(zhì)之間良好的聲能傳遞。本發(fā)明發(fā)射換能器的陶瓷的極化方向沿厚度方向，當(dāng)在晶片堆上加交變電壓時，由于 陶瓷的壓電效應(yīng)，晶片產(chǎn)生振動，推動前蓋板振動，向前輻射聲波。由于壓電晶片堆采用 多片陶瓷疊堆，振子的振動為多個晶片振動的迭加，可產(chǎn)生大的能量密度，進(jìn)而提高換能 器的發(fā)射靈敏度。前蓋板圓臺的底面直徑與晶片相同，而頂面直徑與作為發(fā)射頭的圓柱相 同，發(fā)射頭的直徑小于發(fā)射換能器的工作波長的1/2，振子的輻射面的線度由晶片的直徑 減小到圓柱的直徑。這樣可增大發(fā)射換能器的輻射波束寬度(開角)。若發(fā)射頭頂端為球 冠面，則球冠的表面將晶片產(chǎn)生的軸向位移部分轉(zhuǎn)換為徑向位移，將進(jìn)一步增大發(fā)射波束 開角，但發(fā)射功率略有減??；若發(fā)射頭頂端為平面，晶片堆的軸向推力全部通過圓柱的軸向振動向外輻射，發(fā)射功率較球冠面的大，開角略有減小。
總之，本發(fā)明的疊堆晶片發(fā)射換能器通過合理設(shè)計(jì)疊堆晶片前端的前蓋板，既保持了 疊堆晶片振子發(fā)射聲能密度大的特點(diǎn)，同時又增大了其發(fā)射波束開角，從而彌補(bǔ)了現(xiàn)行復(fù) 合棒、Janus等壓電換能器開角較小的不足。另外，還可以通過改變前蓋板的形狀和尺寸來 調(diào)整發(fā)射的波束開角。


圖1是復(fù)合棒壓電換能器振子的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是Janus換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是環(huán)狀換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是凸型桶板彎張換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是凹型桶板彎張換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明的疊堆晶片發(fā)射換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7a是發(fā)射頭頂為球冠面的前蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；圖7b是發(fā)射頭頂為平面的前蓋板結(jié) 構(gòu)示意圖。
圖8是本發(fā)明發(fā)射換能器壓電晶片堆的結(jié)構(gòu)及連線示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明的疊堆晶片發(fā)射換能器進(jìn)行詳細(xì)說明。
本實(shí)例的疊堆晶片發(fā)射換能器包括壓電晶片堆2、前蓋板l、背襯5、預(yù)應(yīng)力螺釘6、 防水透聲層8和輸出電纜7等，如圖6所示。
壓電晶片堆2中，晶片采用中心帶孔的壓電陶瓷PZT制作，每相鄰兩片的極化方向相 反(參見圖8)。晶片間，以及晶片與前蓋板1和背襯5之間夾以金屬薄片3，以焊接引線 4。晶片、金屬薄片3、前蓋板1及背襯5之間用環(huán)氧樹脂膠合。晶片堆的接線如圖8所示， 采用并聯(lián)連接，以保證在各晶片上同時施加同相電壓，而產(chǎn)生同步振動。
前蓋板有兩種方案，方案一為圖7a所示的結(jié)構(gòu)，由la和lb兩部分組成，發(fā)射頭lb 為頂面是球冠面的圓柱體；方案二為圖7b所示的結(jié)構(gòu)，由la和lc兩部分組成，發(fā)射頭 lc為頂面是平面的圓柱體。前蓋板中l(wèi)b (或lc)扣在圓臺la上形成帶圓柱頭的椎體，圓 臺la的底面直徑與晶片相同，頂面直徑與發(fā)射頭相同，為換能器的l/10 l/2波長，使振 子的輻射面的線度由晶片的直徑減小到圓柱底面的直徑。這樣可增大換能器輻射波束寬度(開角)。前蓋板l用輕金屬制作，背襯5用重金屬制作，以得到大的前后蓋板的位移比。由動 量守恒，晶片堆兩端的動量要相等，則其速度與位移成反比。如用鋁作前蓋板，鋼作背襯， 其位移比約為三比一，此時輕金屬前蓋板表面(輻射面)的位移較大，將輻射出振子貯存 振動能量的較大部分，使晶片堆的振動能量大部分通過前蓋板向外輻射。裝配換能器時，先用環(huán)氧樹脂將壓電晶片逐片與金屬薄片3粘接，再相互粘接，形成 壓電晶片堆2，而后用預(yù)應(yīng)力螺釘6將背襯5、壓電晶片堆2和前蓋板1固連，將壓電晶 片堆2與前蓋板1和背襯5相連的引線(圖8中的右側(cè)引線)同輸出電纜7的地極連接， 壓電晶片堆2的另一極引線(圖8中的左側(cè)引線)與輸出電纜7的芯線連接。將裝配件放 入定制的模具內(nèi)，澆灌聚氨酯橡膠，構(gòu)成防水透聲層，最終完成換能器的制作。以上通過實(shí)施例描述的本發(fā)明的疊堆晶片發(fā)射換能器及其實(shí)現(xiàn)方法，并非用于限定本 發(fā)明，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)，可做各種的更動和 潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍視權(quán)利要求書所界定。
權(quán)利要求
1.一種疊堆晶片發(fā)射換能器，包括壓電晶片堆、前蓋板和背襯，其中壓電晶片堆由多片壓電陶瓷晶片疊堆而成，前蓋板由輕金屬制成，背襯由重金屬制成，前蓋板和背襯分別位于壓電晶片堆的上下兩端；相鄰的晶片之間，以及壓電晶片堆與前蓋板和背襯之間夾有金屬薄片，金屬薄片上焊接電極引線；壓電陶瓷晶片的極化方向沿著厚度方向；其特征在于前蓋板為帶圓柱頭的椎體，具體可分為上下兩部分，下部分為一個倒扣的喇叭狀圓臺，上部分是一個頂面為平面或球冠面的圓柱。
2. 如權(quán)利要求1所述的疊堆晶片發(fā)射換能器，其特征在于所述壓電晶片堆的晶片采用 中心帶孔的壓電陶瓷PZT制作，相鄰晶片的極化方向相反，晶片的數(shù)量為2 50，晶 片的直徑為10 100咖，每片晶片的厚度為0. 5 5mm。
3. 如權(quán)利要求1所述的疊堆晶片發(fā)射換能器，其特征在于所述前蓋板的圓柱頭的直徑 小于發(fā)射換能器工作波長的1/2。
4. 如權(quán)利要求1所述的疊堆晶片發(fā)射換能器，其特征在于所述圓臺的頂面直徑與圓柱頭的直徑相同，而其底面大小與晶片相同。
5. 如權(quán)利要求1所述的疊堆晶片發(fā)射換能器，其特征在于所述前蓋板的總高度為10 100mm，其中圓柱頭的高度小于總高度的1/2;而背襯的厚度為5 100mra。
6. 如權(quán)利要求1所述的疊堆晶片發(fā)射換能器，其特征在于制作所述前蓋板與背襯的金 屬的密度之比小于0.3。
7. 如權(quán)利要求6所述的疊堆晶片發(fā)射換能器，其特征在于所述前蓋板釆用鋁或鋁鎂合 金制作，而所述背襯采用鋼或黃銅制作。
8. 如權(quán)利要求1所述的疊堆晶片發(fā)射換能器，其特征在于所述金屬薄片與晶片、前蓋板及背襯之間用環(huán)氧樹脂膠合；所述金屬薄片用易于焊接的金屬或合金制作，厚度小 于0. l腿。
9. 如權(quán)利要求1 8中任一權(quán)利要求所述的疊堆晶片發(fā)射換能器，其特征在于所述背襯、壓電晶片堆通過貫穿其中的預(yù)應(yīng)力螺釘與所述前蓋板固定連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種疊堆晶片發(fā)射換能器，包括壓電晶片堆、前蓋板和背襯，其中壓電晶片堆由多片壓電陶瓷晶片疊堆而成，前蓋板由輕金屬制成，背襯由重金屬制成，前蓋板和背襯分別位于壓電晶片堆的上下兩端；相鄰的晶片之間，以及壓電晶片堆與前蓋板和背襯之間夾有金屬薄片，以焊接電極引線；壓電陶瓷晶片的極化方向沿著厚度方向；其特征在于前蓋板為帶圓柱頭的椎體，具體可分為上下兩部分，下部分為一個倒扣的喇叭狀圓臺，上部分是一個頂面為平面或球冠面的圓柱。本發(fā)明保持了疊堆晶片振子發(fā)射聲能密度大的特點(diǎn)，同時采用帶圓柱頭的錐體狀前蓋板，擴(kuò)大了換能器的發(fā)射波束開角，而且可以通過改變前蓋板的形狀和尺寸來調(diào)整發(fā)射的波束開角。
文檔編號G10K11/00GK101254499SQ200810104370
公開日2008年9月3日 申請日期2008年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者張金鐸, 莉 李, 王麗坤, 雷 秦 申請人:北京信息工程學(xué)院