基于不同厚度的壓電材料層的疊堆壓電換能器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水聲探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用厚度不同的壓電材料疊堆而成 的壓電振子，將其應(yīng)用于換能器中實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收水聲信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)水中探測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 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(wú)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(cè)、識(shí)別、通信，以及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和 海洋資源的開(kāi)發(fā)，都離不開(kāi)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(hào)轉(zhuǎn)換成水聲信號(hào)，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(lái)接收水中聲波信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 的換能器為接收換能器，也常稱為水聽(tīng)器，對(duì)接收換能器則要求寬頻帶和高靈敏度。既可以 將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，又可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)。用于接收或發(fā)射聲信號(hào)的換能器 稱為收發(fā)換能器。
[0003] 壓電振子是換能器的核心部件，振子的性能決定著換能器的工作性能，因此，要想 制作高性能的水聲換能器，首先要提高壓電振子的性能。在制作壓電振子的材料中，壓電復(fù) 合材料因其聲阻抗小、帶寬大、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。壓電復(fù)合材料是由壓電 材料、聚合物、金屬等通過(guò)復(fù)合工藝制成的一種多相材料，復(fù)合材料中的每個(gè)相可以以〇、1、 2、或3維方式自我連通。目前的復(fù)合材料有1-3型、3-1型、3-2型、3-3型、0-3型、2-2型復(fù) 合材料，以及月牙和帽狀金屬-壓電陶瓷晶片，其中1-3型壓電復(fù)合材料應(yīng)用最為廣泛?，F(xiàn) 有的1-3型復(fù)合材料壓電換能器主要有以下幾種：
[0004] 1、1-3型壓電復(fù)合材料換能器
[0005] 1-3型壓電復(fù)合材料換能器（陳俊波，王月兵，仲林建，1-3型壓電復(fù)合材料和普通 PZT換能器性能對(duì)比分析，聲學(xué)與電子工程，2007, to 1. 87 (3) : 25-27)通過(guò)切割-填充法制 備了 1-3型壓電復(fù)合材料，并分別用兩片相同尺寸的1-3型壓電復(fù)合材料和PZT陶瓷片制 作成活塞型換能器。換能器的壓電元件選用厚度為9_、直徑為42. 7_的圓片，用去耦材料 固定，并安裝在金屬外殼內(nèi)，輻射面用聚氨酯灌封。經(jīng)測(cè)量得到了兩種換能器在空氣中和水 中的導(dǎo)納曲線，水中發(fā)送電壓響應(yīng)、接收靈敏度和指向性曲線。通過(guò)對(duì)比分析，得出1-3型 壓電復(fù)合材料換能器比普通PZT壓電換能器的收發(fā)性能有明顯改善。由于1-3型換能器橫 向耦合小，故呈現(xiàn)出單一的厚度諧振，帶寬變寬。
[0006] 2、1-3型壓電復(fù)合材料寬帶水聲換能器
[0007] 1-3型壓電復(fù)合材料寬帶水聲換能器（張凱，藍(lán)宇，李琪，1-3型壓電復(fù)合材料寬帶 水聲換能器研究，聲學(xué)學(xué)報(bào)，2011，Vol. 36(6)，631-637)采用厚度振動(dòng)模態(tài)理論、橫向模態(tài) 理論和有限元方法對(duì)1-3型壓電復(fù)合材料換能器進(jìn)行研究，應(yīng)用ANSYS軟件建立換能器的 有限元模型，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終制作了一個(gè)利用厚度振動(dòng)模態(tài)和一階橫向模態(tài)模態(tài) 的1-3型壓電復(fù)合材料寬帶換能器。其工作帶寬為190-390kHz。研究結(jié)果表明，利用厚度 振動(dòng)模態(tài)和一階橫向模態(tài)可以拓展1-3型壓電復(fù)合材料換能器的帶寬。
[0008] 3、單晶復(fù)合材料寬帶換能器
[0009] 在文獻(xiàn)（S. Cochran, M. Parker, and P. Marin-Franch，Ultrabroadband single crystal composite transducers for underwater ultrasound， IEEE Ultrasonics Symposium，2005, 231-234)中，英國(guó)學(xué)者S. Cochran等人利用PMN-PT單晶制作復(fù)合材料，并 在復(fù)合材料上添加匹配層制作單晶復(fù)合材料寬帶換能器。制成的單晶復(fù)合材料換能器_3dB 相對(duì)帶寬為125%，與理論計(jì)算的135%相近。單晶復(fù)合材料換能器與傳統(tǒng)的陶瓷復(fù)合材料 換能器相比，帶寬增加了近四倍。
[0010] 綜上，在拓展換能器帶寬的方法中，第一種在傳統(tǒng)壓電材料中灌注聚合物能夠拓 展帶寬，但其拓展帶寬的能力有限；第二種利用厚度振動(dòng)與橫向振動(dòng)耦合亦能增大帶寬，但 是振子的尺寸不容易控制，制作起來(lái)較困難。第三種在壓電復(fù)合材料上添加匹配層，帶寬能 夠顯著增大，但匹配層的性能會(huì)隨著時(shí)間的變化而改變，從而使得換能器性能不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種由不同厚度的壓電材料疊堆而成的壓 電換能器，以拓展高頻換能器的寬帶。
[0012] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0013] -種壓電換能器，包括疊堆的具有不同厚度的壓電材料層，各壓電材料層的諧振 頻率相互靠近并耦合。
[0014] 進(jìn)一步地，所述壓電材料層采用的壓電材料優(yōu)選為壓電復(fù)合材料，此外也可以是 壓電陶瓷、壓電單晶等傳統(tǒng)壓電材料。
[0015] 進(jìn)一步地，所述壓電復(fù)合材料是1-3型壓電復(fù)合材料，2-2型復(fù)合材料，0-3型復(fù) 合材料等，在壓電復(fù)合材料中，壓電相材質(zhì)為壓電陶瓷或壓電單晶，聚合物相材質(zhì)為環(huán)氧樹(shù) 月旨、聚氨酯、硅橡膠等。
[0016] 進(jìn)一步地，所述壓電材料層的上下表面被覆電極層，所述電極的材料為金、銀、導(dǎo) 電月父等。
[0017] 進(jìn)一步地，所述疊堆的具有不同厚度的壓電材料層由兩片或多片不同厚度的壓電 材料層粘接而成。
[0018] 進(jìn)一步地，所述疊堆的具有不同厚度的壓電材料層由平面形狀的壓電材料疊堆而 成，或者由曲面形狀（如圓弧狀）的壓電材料疊堆而成。
[0019] 進(jìn)一步地，所述壓電材料層的厚度t為2~10mm，各壓電材料層的厚度差A(yù)t為 0 ~Imm0
[0020] 本發(fā)明的疊堆壓電材料振子，由于各壓電材料層的厚度不同，各壓電材料層的諧 振頻率不同，使得疊堆的壓電材料振子存在多種模態(tài)（多個(gè)諧振頻率）。通過(guò)合理設(shè)計(jì)各壓 電材料層的厚度，使壓電振子中各壓電材料層的諧振頻率相互靠近并耦合，在較寬的頻率 范圍內(nèi)同時(shí)工作，可以使其組合頻率響應(yīng)不產(chǎn)生間斷和過(guò)深的凹谷，在這一頻帶內(nèi)將形成 復(fù)合多模振動(dòng)，即能有效地拓展換能器的工作帶寬，實(shí)現(xiàn)高頻、寬帶地收發(fā)聲波。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為實(shí)施例中換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖2為實(shí)施例中1-3型復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖3為實(shí)施例中1-3型壓電復(fù)合材料制作流程的示意圖。
[0024] 圖4為實(shí)施例中兩片不同厚度的壓電復(fù)合材料疊堆的示意圖。
[0025] 圖5為實(shí)施例中壓電振子側(cè)面的示意圖（兩層結(jié)構(gòu)）。
[0026] 圖6為實(shí)施例中不同厚度壓電復(fù)合材料的諧振頻率耦合示意圖。
[0027] 圖7為實(shí)施例中兩片疊堆復(fù)合材料壓電振子在空氣中的諧振頻率和帶寬性能示 意圖。
[0028] 圖8為實(shí)施例中I號(hào)壓電振子制作成的換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線圖。
[0029] 圖9為實(shí)施例中三片不同厚度復(fù)合材料疊堆的示意圖。
[0030] 圖10為實(shí)施例中壓電振子側(cè)面的示意圖（三層結(jié)構(gòu)）。
[0031] 圖11為實(shí)施例中三片疊堆復(fù)合材料壓電振子在空氣中的諧振頻率和帶寬性能示 意圖。
[0032] 圖12為實(shí)施例中兩片不同厚度陶瓷片疊堆的電導(dǎo)曲線圖。
[0033] 圖13為實(shí)施例中兩片不同厚度單晶片疊堆的電導(dǎo)曲線圖。
[0034] 圖14為實(shí)施例中不同厚度的圓弧狀壓電材料疊堆結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035] 圖中符號(hào)說(shuō)明：1.壓電相；2.聚合物相；3.壓電基底；4.粘接層；5.電極；tp t2、 $、I3〗為壓電復(fù)合材料厚度。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面通過(guò)具體實(shí)施例并配合附圖，對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明。
[0037] 實(shí)施例1 :兩片不同厚度的復(fù)合材料疊堆
[0038] 圖1為本實(shí)施例中兩片復(fù)合材料疊堆換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。如該圖所示，該換能 器包括兩片不同厚度的1-3型壓電復(fù)合材料，即圖中的復(fù)合材料1和復(fù)合材料2 ;兩層復(fù)合 材料之間為粘接層，復(fù)合材料上下表面被覆電極，從電極引出電纜；復(fù)合材料1上部設(shè)有吸 聲層，用于吸收多余聲波，防止聲波反射；該換能器的最外部