一種采用pvdf壓電薄膜的彎張換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采用PVDF壓電薄膜的彎張換能器，包括壓電陶瓷晶片堆和PVDF薄膜，所述PVDF薄膜包圍所述壓電陶瓷晶片堆，所述PVDF薄膜與所述壓電陶瓷晶片堆之間設(shè)有連接件，進(jìn)一步還包括使所述PVDF薄膜產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的裝置。本發(fā)明采用PVDF薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)彎張換能器的金屬外殼，采用PVDF薄膜以及壓電晶堆作為敏感元件，PVDF薄膜振動采用簡支邊界條件下薄膜的彎曲振動模態(tài)，壓電晶堆振動采用縱振動模態(tài)，通過模態(tài)耦合可獲得較高的帶寬，實現(xiàn)寬帶發(fā)射聲波。本發(fā)明的彎張換能器具有低頻、寬帶、高接收靈敏度、大功率聲輻射和水平全向指向性的特點。
【專利說明】—種采用PVDF壓電薄膜的彎張換能器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬水聲探測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用PVDF壓電薄膜代替彎張換能器的金屬外殼，應(yīng)用其壓電效應(yīng)收發(fā)信號而實現(xiàn)水中探測的新型彎張換能器。
【背景技術(shù)】
[0002]彎曲伸張換能器(簡稱彎張換能器,flextensional transducer)是獲得低頻大功率和寬帶聲信號的小巧的水聲探測換能器。殼體通常是曲面的反轉(zhuǎn)體、曲線的回旋體或橢圓的平移體。彎張換能器的工作原理是:利用壓電陶瓷晶片堆的縱向伸縮振動激勵殼體作彎曲振動，耦合成彎曲伸張振動模式。由彎張模的低頻共振特性可得到有效的低頻輻射。為得到較高的輻射功率和較大的體積位移，在裝配換能器時需要給晶片堆施加一定的預(yù)應(yīng)力(壓力)，以保證在深水高驅(qū)動工作時的安全應(yīng)力。在深水工作時，為了使殼體能承受較大的靜水壓力并有效地輻射聲波，需要采取壓力補償。
[0003]彎張換能器是典型的低頻大功率發(fā)射器，具有體積小、重量輕的特點。彎張換能器利用殼體的彎曲振動輻射聲波，其諧振頻率遠(yuǎn)低于驅(qū)動堆縱振的諧振頻率，因此可以在體積不大的情況下實現(xiàn)較低的諧振頻率。彎曲的殼體具有位移放大作用，可以將驅(qū)動堆上的振動通過此放大作用轉(zhuǎn)化成殼體上更大的彎曲振動，同樣輻射面積的前提下，可以得到更大的位移。彎張換能器可以做成溢流式或非溢流式，溢流式彎張換能器的工作深度非常大，而非溢流彎張換能器可以用過填充液體及在液體中填充柔性管的方式來增大工作深度。 [0004]但是，隨著換能器發(fā)射功率的不斷增加以及諧振頻率的降低，現(xiàn)有的彎張換能器已經(jīng)不能滿足需要。
[0005]PVDF (聚偏二氟乙烯)是一種柔軟的塑性薄膜，是目前應(yīng)用廣泛的鐵電和壓電高分子材料。PVDF壓電元件對濕度、溫度和化學(xué)物質(zhì)高度穩(wěn)定，機械強度也較好。用PVDF做成的換能器，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、失真小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，因此是一種比較理想的新型換能材料。
[0006]壓電高聚物PVDF具有很強的壓電性(比壓電石英晶體高3~5倍)，壓電常數(shù)分量g33很大(比鋯鈦酸鉛的大十余倍)，尤其是靜水壓壓電常數(shù)8?比壓電陶瓷PZT-5的大得多，用做水聽器具有較高的靈敏度。而且，PVDF密度小，聲速較低，聲阻抗低，能很好地和空氣、水和人體組織匹配，橫向耦合小，機械品質(zhì)因數(shù)低，寬帶。而且其厚度共振頻率可以達(dá)到很高，因而可以做成靈敏的寬頻帶水聽器，亦可做成頻率較高的超聲換能器。PVDF密度小，不到陶瓷的四分之一，便于在潛水艇表面施工安裝.。
[0007]PVDF彎張換能器能夠更好地滿足低頻、寬帶、高發(fā)送電壓響應(yīng)、高接收靈敏度、大功率、小型化和水平全向指向性的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于彌補現(xiàn)有彎張換能器的不足，提出一種利用PVDF壓電薄膜實現(xiàn)收發(fā)信號的新型彎張換能器，具有低頻、寬帶、高接收靈敏度、大功率聲輻射和水平全向指向性特點。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0010]一種采用PVDF壓電薄膜的彎張換能器，包括壓電陶瓷晶片堆和PVDF薄膜，所述PVDF薄膜包圍所述壓電陶瓷晶片堆并通過連接件與所述壓電陶瓷晶片堆連接。
[0011]進(jìn)一步地，還包括使所述PVDF薄膜產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的裝置。
[0012]進(jìn)一步地，所述連接件為設(shè)于所述壓電陶瓷晶片堆兩端的質(zhì)量塊，起到調(diào)節(jié)諧振頻率以及固定PVDF薄膜的作用，所述使PVDF薄膜產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的裝置包括:
[0013]固定塊，與所述質(zhì)量塊相接，
[0014]固定螺釘，設(shè)于所述固定塊上，
[0015]拉伸螺釘，穿過所述固定塊并與所述質(zhì)量塊相接，用于使所述固定塊和所述質(zhì)量塊之間的空隙加大以對PVDF薄膜進(jìn)行拉伸，
[0016]預(yù)應(yīng)力螺釘，穿過所述壓電陶瓷晶片堆與所述固定塊，用于固定拉伸后的PVDF薄膜。
[0017]進(jìn)一步地，所述PVDF薄膜施加的預(yù)應(yīng)力為ION?200N。
[0018]進(jìn)一步地，所述壓電陶瓷晶片堆包括正向極化壓電陶瓷片、金屬墊片和反向極化壓電陶瓷片，通過所述金屬墊片引出電極，所有正極互相連通作為發(fā)射正極，所有負(fù)極互相連通作為發(fā)射負(fù)極。
[0019]進(jìn)一步地，所述PVDF薄膜為空心圓柱形，包裹住壓電陶瓷晶片堆，從而實現(xiàn)水平全向指向性收發(fā)信號的目的。
[0020]進(jìn)一步地，所述PVDF薄膜的厚度為50um以上。
[0021]進(jìn)一步地，所述PVDF薄膜可以為PVDF薄膜與其它柔性材料(如塑料等)通過粘接構(gòu)成的薄膜；所述PVDF薄膜可以為兩層或多層PVDF薄膜通過疊堆構(gòu)成的薄膜，極化方向可以是同向也可以是反向。
[0022]進(jìn)一步地，所述連接件采用變幅桿式結(jié)構(gòu)。
[0023]進(jìn)一步地，所述連接件材料優(yōu)選采用低密度金屬材料，如鋁、鈦合金等。
[0024]本發(fā)明的換能器采用PVDF薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)彎張換能器的金屬外殼，采用PVDF薄膜以及壓電晶堆作為敏感元件，PVDF薄膜振動采用簡支邊界條件下薄膜的彎曲振動模態(tài)，壓電晶堆振動采用縱振動模態(tài)，通過模態(tài)耦合可獲得較高的帶寬，實現(xiàn)寬帶發(fā)射聲波。由于PVDF薄膜具有較低的聲阻抗，使得換能器可以與水、人體組織等介質(zhì)更好的匹配，提高換能器能量轉(zhuǎn)換效率。因此本發(fā)明的換能器具有發(fā)射頻帶寬、接收靈敏度高等特點。另外，采用直徑很小的壓電晶片堆帶動很大面積的PVDF薄膜振動，可以增大發(fā)射面積，提高換能器的發(fā)射能力，同時又保證了換能器具有較低的重量。
[0025]本發(fā)明的采用PVDF壓電薄膜的彎張換能器具有低頻、寬帶、高發(fā)送電壓響應(yīng)、高接收靈敏度、大功率聲輻射和水平全向指向性的特點，可廣泛用于水下通信、探測、目標(biāo)定位、跟蹤等，是聲納系統(tǒng)的重要部件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是實施例中采用PVDF壓電薄膜的彎張換能器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2是實施例中PVDF包裹住壓電陶瓷晶片堆立體示意圖。[0028]圖3是實施例中采用PVDF壓電薄膜的彎張換能器樣品的1/12實體模型耦合振動示意圖。
[0029]圖4是實施例中采用PVDF壓電薄膜的彎張換能器樣品的發(fā)射電壓響應(yīng)圖。
[0030]圖中標(biāo)號說明:1_PVDF薄膜，2-正向極化壓電陶瓷片，3-金屬墊片，4-反向極化壓電陶瓷片，5-質(zhì)量塊，6-固定塊，7-固定螺釘，8-拉伸螺釘，9-預(yù)應(yīng)力螺釘。
【具體實施方式】
[0031]下面通過具體實施例，并配合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0032]圖1是本實施例的采用PVDF壓電薄膜的彎張換能器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜1、正向極化壓電陶瓷片2、金屬墊片3、反向極化壓電陶瓷片4、質(zhì)量塊5、固定塊6和固定螺釘7、拉伸螺釘8和預(yù)應(yīng)力螺釘9。其中正向極化壓電陶瓷片2、金屬墊片3和反向極化壓電陶瓷片4共同構(gòu)成壓電陶瓷晶片堆，通過金屬墊片引出電極，所有正極互相連通，負(fù)極互相連通。PVDF薄膜I圍成封閉的腔體，包裹住壓電陶瓷晶片堆，其立體示意圖如圖2所示。
[0033]當(dāng)換能器用作發(fā)射信號時，在正負(fù)極間施加電壓，由于逆壓電效應(yīng)壓電陶瓷晶片堆會在縱向方向P產(chǎn)生機械振動，而質(zhì)量塊5即
【發(fā)明內(nèi)容】
中所述的連接件，將PVDF薄膜I和壓電陶瓷晶片堆連接起來，并起到調(diào)節(jié)諧振頻率以及固定PVDF薄膜的作用。振動通過質(zhì)量塊5、拉伸螺釘8以及預(yù)應(yīng)力螺釘9構(gòu)成的結(jié)構(gòu)傳播到PVDF薄膜I上，引起PVDF薄膜I的彎曲振動。質(zhì)量塊5可以采用鋁、鈦合金等密度低的金屬，或環(huán)氧樹脂等硬質(zhì)非金屬構(gòu)成，通過采用變幅桿式結(jié)構(gòu)設(shè)計，用以減輕發(fā)射端質(zhì)量，從而提高發(fā)射端振動速度。通過調(diào)節(jié)質(zhì)量塊5和固定塊6的尺寸可以改變質(zhì)量塊和固定塊的重量，從而調(diào)節(jié)彎張換能器的頻率，使壓電陶瓷晶片堆的縱向振動頻率跟PVDF的彎曲振動頻率吻合，從而實現(xiàn)低頻、寬帶、高發(fā)送電壓響應(yīng)、高接收靈敏度、大功率聲輻射收發(fā)信號的目的。
[0034]上述換能器中，固定塊6和固定螺釘7、拉伸螺釘8和預(yù)應(yīng)力螺釘9共同作用以實現(xiàn)對PVDF薄膜I的固定和拉伸。首先通過固定塊6和固定螺釘7將PVDF薄膜I固定好，再用力擰緊拉伸螺釘8使固定塊6和質(zhì)量塊5之間的空隙加大(此空隙等同于在拉伸過程中PVDF的伸長量)，最后擰緊預(yù)應(yīng)力螺釘9，這樣就拉伸了 PVDF薄膜，使其產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力，從而能夠提高換能器的接收靈敏度。預(yù)應(yīng)力螺釘9施加的預(yù)應(yīng)力一般為ION到200N。需要說明的是，本發(fā)明不以上述施加預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)為限制，其它實施例中也可以不對PVDF薄膜施加預(yù)應(yīng)力，或者設(shè)計其他結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，例如在四周布置一些螺釘，擰緊后即可提供預(yù)應(yīng)力。
[0035]由于PVDF薄膜通過固定螺釘7、拉伸螺釘8和預(yù)應(yīng)力螺釘9繃緊，所以PVDF薄膜I會產(chǎn)生類似鼓膜的彎曲振動，不但能將發(fā)射端的輻射面擴大，還能降低發(fā)射端的聲阻抗，使之與水等介質(zhì)間更易匹配。同時，合理設(shè)計PVDF薄膜I的縱向長度(圖1中P方向)使其諧振頻率與壓電陶瓷晶片堆諧振頻率相近時，還會產(chǎn)生振動耦合現(xiàn)象，從而拓寬換能器發(fā)射信號的帶寬。PVDF薄膜的厚度一般選擇50um以上(大于等于50um)，也可將PVDF薄膜與其它薄膜(可以是壓電材料的也可以不是壓電材料的，比如說柔性塑料薄膜)粘接在一起使用，以改變PVDF的參數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)諧振頻率的作用。
[0036]圖3給出了本實施例的PVDF彎張換能器樣品的1/12實體模型的耦合振動示意圖。本實施例中，壓電晶堆的厚度為9.6mm，半徑為10mm，PVDF薄膜的縱向長度是82mm，其諧振頻率為16.0Khz，換能器的諧振頻率為16.4Khz。
[0037]由于PVDF薄膜I經(jīng)過適度拉伸可提高接收靈敏度，所以，在用作接收時，可將發(fā)射端正負(fù)極接直流高壓，使得壓電陶瓷晶片堆產(chǎn)生厚度方向位移(圖1中P方向)，從而拉伸PVDF薄膜I，提高換能器的接收靈敏度。
[0038]由于本發(fā)明的換能器采用PVDF薄膜以及壓電晶堆作為敏感元件，PVDF薄膜振動采用簡支邊界條件下薄膜的彎曲振動模態(tài)、壓電晶堆振動采用縱振動模態(tài)，壓電晶堆的頻率和PVDF的頻率相接近時可以實現(xiàn)模態(tài)耦合，通過模態(tài)耦合可獲得較高的帶寬，實現(xiàn)寬帶發(fā)射聲波。此外由于PVDF薄膜具有較低的聲阻抗，換能器可以與水、人體組織等介質(zhì)更好的匹配，提高換能器能量轉(zhuǎn)換效率。因此本發(fā)明換能器具有寬帶和大功率聲輻射等特點。圖4給出了本發(fā)明實施例的采用PVDF壓電薄膜的彎張換能器樣品的發(fā)射電壓響應(yīng)，此時，在50khz到IOOkhz的范圍內(nèi)，發(fā)射電壓響應(yīng)高達(dá)140dB。
[0039]盡管為說明目的公開了本發(fā)明的具體實施例和附圖，其目的在于幫助理解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。本發(fā)明不應(yīng)局限于本說明書的實施例和附圖所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種采用PVDF壓電薄膜的彎張換能器，其特征在于，包括壓電陶瓷晶片堆和PVDF薄膜，所述PVDF薄膜包圍所述壓電陶瓷晶片堆并通過連接件與所述壓電陶瓷晶片堆連接。
2.如權(quán)利要求1所述的彎張換能器，其特征在于:還包括使所述PVDF薄膜產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的彎張換能器，其特征在于，所述連接件為設(shè)于所述壓電陶瓷晶片堆兩端的質(zhì)量塊，所述使PVDF薄膜產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的裝置包括: 固定塊，與所述質(zhì)量塊相接； 固定螺釘，設(shè)于所述固定塊上； 拉伸螺釘，穿過所述固定塊并與所述質(zhì)量塊相接，用于使所述固定塊和所述質(zhì)量塊之間的空隙加大以對PVDF薄膜進(jìn)行拉伸； 預(yù)應(yīng)力螺釘，穿過所述壓電陶瓷晶片堆與所述固定塊，用于固定拉伸后的PVDF薄膜。
4.如權(quán)利要求3所述的彎張換能器，其特征在于:所述PVDF薄膜為空心圓柱形。
5.如權(quán)利要求2所述的彎張換能器，其特征在于:所述PVDF薄膜施加的預(yù)應(yīng)力為ION ?200N。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的彎張換能器，其特征在于:所述壓電陶瓷晶片堆包括正向極化壓電陶瓷片、金屬墊片和反向極化壓電陶瓷片，通過所述金屬墊片引出電極，所有正極互相連通作為發(fā)射正極，所有負(fù)極互相連通作為發(fā)射負(fù)極。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的彎張換能器，其特征在于:所述PVDF薄膜的厚度為50um以上。
8.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的彎張換能器，其特征在于:所述PVDF薄膜為兩層或多層PVDF薄膜通過疊堆構(gòu)成的薄膜，極化方向是同向或者反向；或者所述PVDF薄膜是由PVDF薄膜與其它柔性材料通過粘接構(gòu)成的兩層或多層薄膜。
9.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的彎張換能器，其特征在于:所述連接件采用變幅桿式結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的彎張換能器，其特征在于:所述連接件采用低密度金屬材料。
【文檔編號】G10K9/122GK103646643SQ201310626212
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】秦雷, 王麗坤, 劉靜靜 申請人:北京信息科技大學(xué)