一种带匹配层的压电复合材料高频换能器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种带匹配层的压电复合材料高频换能器。
【背景技术】
[0002]随着水声探测和水声对抗技术的发展，对高频宽带换能器需求日益增加，但是通常高频换能器的Q值较高，工作带宽较窄，因此拓展高频换能器的带宽是重要研究方向之一(田洪亮，夏铁坚，刘强.由小振子组成的高频圆柱换能器宽方向性初探[J].声学与电子工程，2008，91 (3):31-33.Kim C Benjamin，Sheridan Petrie.Thedesign， fabricat1n， andmeasured acoustic performance of a l-3piezoelectriccompositenavy calibrat1n standard transducer[A].J.Acoust.Soc.Am，2001，109 (5PtI):1973-1978.)。
[0003]当前拓展换能器带宽最有效的方法就是通过多模态的耦合来实现，比较成熟的实现方法是添加匹配层。杭州应用声学研究所刘望生等人(刘望生，俞宏沛，周利生.双激励加匹配层宽带水声换能器研究[J].声学技术，2008，27 (2) =283-286)利用双激励加匹配层的方法制作纵向换能器，获得三谐振耦合的宽带特性，换能器的带宽为15kHz?42.5kHz ;中科院声学所东海研究站童晖等人(童晖，周益明，王佳麟等.高频宽带换能器研究.声学技术，Dec.，2013，Vol.32，N0.6:524-527)通过在PZT-8陶瓷圆片上加覆匹配层研制出直径Φ 55mm、总厚度为7.72mm的高频宽带换能器，_3dB带宽为260?370kHz。
[0004]目前国内通过贴覆匹配层拓展带宽的研究大多集中在中低频换能器，对高频换能器的研究尤其是对复合材料上贴覆匹配层的研究还较少。
【发明内容】
[0005]为拓展高频换能器的带宽，本发明针对压电复合材料敏感元件，选取不同配比的匹配层贴覆敏感元件表面制作换能器，通过研究匹配层材料的特性对换能器带宽的影响，优化匹配层参数，实现高频换能器带宽的最大拓展。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0007]—种带匹配层的压电复合材料高频换能器，包括一压电复合材料层以及贴覆该压电复合材料层的匹配层；所述匹配层包含铝粉；所述压电复合材料层和所述匹配层的两个谐振频率相互靠近并耦合。
[0008]进一步地，通过调节所述匹配层的厚度和声阻抗，使两个谐振频率相互靠近并耦入口 ο
[0009]进一步地，所述匹配层的厚度为1/4声波波长±0.2mm，所述匹配层中铝粉的质量分数为30%?45%。优选地，在1/4波长厚度和45%的铝粉比例时带宽拓展效果达到最佳。
[0010]进一步地，所述匹配层还包含环氧树脂、韧化剂和固化剂，其中铝粉作为填料，环氧树脂、韧化剂、固化剂作为基体。
[0011]进一步地，所述压电复合材料层可以采用1-3型压电陶瓷复合材料等。
[0012]进一步地，上述换能器还包括包覆在压电复合材料层和匹配层外面的防水透声层。
[0013]本发明通过在压电陶瓷复合材料上添加匹配层，使其产生多模态耦合来拓展高频换能器的带宽。首先研究匹配层材料的密度、声速，得出匹配层声阻抗的变化规律；其次研究带匹配层的复合材料振子的振动特性，获得空气中振子产生的双谐振动频率随匹配层的厚度、声阻抗的变化规律；依此设计压电振子，制作换能器并进行水下测试，通过测试水中的电导和发送电压响应曲线，探索出换能器的带宽随匹配层厚度和声阻抗变化的规律，优化匹配层的厚度和声阻抗。应用优化的匹配层制作的复合材料换能器其频带宽度达到210kHz?400kHz，带内发送电压响应起伏小于3dB。实验结果表明采用优化的匹配层可有效的拓展高频换能器的带宽。
【附图说明】
[0014]图1.1是空气和水中的电导曲线图，图1.2是有无匹配层的换能器响应曲线图。
[0015]图2.1是不同铝粉质量分数百分比下密度的变化规律图，图2.2是不同铝粉质量分数百分比下声速的变化规律图。
[0016]图3是不同铝粉质量分数百分比下声阻抗的变化规律图。
[0017]图4是带匹配层的复合材料阵子结构示意图。
[0018]图5.1是两个谐振峰频差随匹配层厚度的变化规律图，图5.2是两个谐振峰电导差随匹配层厚度的变化规律图。
[0019]图6.1是换能器的结构示意图，图6.2是换能器样品照片。
[0020]图7.1是空气中电导曲线示意图，图7.2是水中电导曲线示意图。
[0021]图8是换能器的发送电压响应曲线图。
[0022]图9.1是空气中导纳曲线图，图9.2是水中导纳曲线图，图9.3是换能器的发送电压响应曲线图。
【具体实施方式】
[0023]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
[0024]本实施例通过在1-3型压电陶瓷复合材料上添加匹配层，使其产生多模态耦合来拓展高频换能器的带宽。
[0025]1.匹配层拓展换能器带宽的原理
[0026]通常一个换能器振动系统存在多种模态(多个谐振频率)，如果能够使换能器振动系统的2种或2种以上振动模态相互靠近并耦合，在较宽的频率范围内同时工作，或通过调节一种模态的二次、三次倍频与基频间隔，使它的组合频率响应不产生间断和过深的凹谷，则在这一频带内将形成复合多模振动，即能有效地拓展换能器的工作带宽。本发明主要研究换能器的厚度振动，在换能器的辐射表面与水介质之间添加一层匹配层，即一种具有一定声阻抗的材料层，相当于增加换能器自身的负载质量，换能器的基频就会降低，同时由于匹配层的声阻抗小于换能器敏感材料的声阻抗，所以换能器的倍频同样会下降，这样就形成了两个谐振频率，如图1.1所示，图中分别是添加匹配层后，空气中电导曲线的两个谐振峰，以及对应在水中电导曲线的两个谐振峰，通过调节匹配层材料厚度和声阻抗可以使两个谐振峰在水中耦合，使换能器的发送电压响应在下降-3dB处不产生过深的凹谷，从而实现换能器带宽的拓展，加匹配层前后换能器的响应曲线变化如图1.2所示。
[0027]带匹配层的换能器响应曲线能否耦合，带宽能否拓展主要取决于换能器的两个谐振频率的频差和电导值差，而匹配层的厚度和声阻抗直接影响两个谐振的频差和电导值差，下面主要研究两个谐振频差和电导值差随匹配层厚度和声阻抗的变化规律。
[0028]2.匹配层参数对复合材料振子性能的影响
[0029]2.1密度和声速对匹配层声阻抗的影响
[0030]本发明选取铝粉作为填料，环氧树脂、韧化剂、固化剂作为基体，基体中环氧树脂、韧化剂、固化剂的质量配比为10:1:1，选取铝粉质量分数百分比分别为10 %、30 %、45 %、60%四组数据进行实验，每组三个模具，模具均是直径30mm，厚度1mm的圆柱模型。将匹配层复合材料抽真空搅拌均匀后倒入模具，固化Sh后脱模，测其质量和体积求出密度P，根据回波测距原理计算出其声速c，每组数据取三者的平均值，得出匹配层的密度、声速随铝粉质量分数百分比的变化规律如图2.1和图2.2所示。
[0031]图2.1和图2.2的曲线可以看出随着匹配层中铝粉质量分数百分比的增加，匹配层密度和声速均成线性增长的趋势，这是由于铝粉的密度、声速比基体的密度、声速大的原故。根据声阻抗与密度、声速的关系Z = P C，P是匹配层的密度(kg/m3)，c是声音在匹配层中的传播速度(m/s)。得出匹配层声阻抗随铝粉质量分数百分比变化的规律，如图3所不O
[0032]图3可以看出匹配层的声阻抗随着铝粉质量分数百分比的增加也呈线性增大的趋势，声阻抗从2.7MRayl增加到5.7MRayl。
[0033]2.2匹配层厚度和声阻抗对振子双谐频差和电导差的影响
[0034]匹配层的厚度和声阻抗直接影响振子的双谐频差和电导差，下面研究复合材料振子的两个谐振峰与匹配层厚度和声阻抗的关系。本发明中所用到的高频换能器振子是由PZT-4压电陶瓷方片构成的，长宽均为25_，厚度5_，通过切割一灌注一镀电极成1-3型复合材料(张凯，蓝宇，李琪.1-3型压电复合材料宽带换能器.声学学报，2011.11，36(6):631-637)，镀电极面焊接上引线，测得振子的中