心频率为300KHZ。然后再在1_3型复合材料辐射面上灌注匹配层，通过改变匹配层的厚度和声阻抗来研究两个谐振频率的变化规律，带匹配层的复合材料振子结构如图4所示。
[0035]试验中的匹配层我们选取10 %、30 %、45 %、60 %四组铝粉质量分数百分比进行实验，每组两个振子(最终数据取两者的平均值)，振子的起始匹配层厚度为4.5mm,然后通过打磨匹配层使它的厚度均匀地减小，减小过程中记录在空气中振子的两个谐振峰的频率、电导值与匹配层厚度的对应值，并绘制出两个谐振峰的频差、电导值差随匹配层厚度的变化规律，如图5.1和图5.2所示。
[0036]图5.1中得到随着匹配层厚度的减小，两个谐振峰频差先减小后增大，在频间距变化的同时，两个谐振峰的电导值也会随匹配层厚度变化，在厚度为4.5mm时，第二个峰的电导值较大，第一个峰的电导值较小，随着厚度的不断减小，第二个峰的电导值减小，第一个峰的电导值增大，图5.2就是第二个峰与第一个峰的电导值差随厚度的变化规律。此变化规律是空气中振子谐振峰的变化规律，为水中研究换能器带宽拓展情况提供参考依据，欲得到最佳的匹配层厚度和声阻抗，需考虑到水负载来进一步调整参数，接下来对振子做成换能器后进行水下测试的研究。
[0037]3.匹配层对换能器带宽的影响
[0038]将上面研究的带匹配层的复合材料振子做成换能器，首先在振子的下表面粘贴一层25*25*5mm的硬质泡沫作为背衬，放入提前定制的圆柱形模具中，模具直径40mm，高16_，该高度确保辐射面上灌的防水透声层厚度尽量接近1/4声波波长；防水透声层是按聚氨酯:硫化剂=10:1的质量比来配置的，先把一定量的聚氨酯放在80°C的真空高温箱里除气泡30min，再把硫化剂通过高温加热液化，待温度降到100°C时迅速倒入到前面除过气泡的聚氨酯中并搅拌均匀，放回真空高温箱再抽真空3min，取出后倒入模具中，80°C下固化12h后脱模进行水中测试，通过测试水中电导和发送电压响应曲线来研究匹配层厚度和声阻抗对换能器带宽的影响。换能器的平面结构图如图6.1所示，实物图如图6.2所示。
[0039]3.1匹配层厚度对换能器带宽的影响
[0040]我们选取铝粉质量分数百分比为45%的匹配层进行厚度实验，厚度选取分别为2.2mm，2.4mm, 2.6mm，测得三组振子在空气中的电导曲线如图7.1所示，做成换能器后水中的电导曲线如图7.2所示。
[0041]图7.1得出添加不同厚度匹配层的阵子在空气中产生的两个谐振峰频间距相差不大，但是两峰电导值相差比较大。从图7.2可以得出匹配层厚度对换能器水中电导曲线中两个谐振峰影响比较大，在匹配层厚度为2.4mm时水中电导曲线两个谐振峰的电导值比较接近并且能够达到耦合，而此时的厚度为1/4声波波长，当厚度选取2.6mm时，第一个谐振峰电导值比第二个峰电导值小，厚度选取2.2mm时第一个谐振峰电导值又比第二个峰电导值大，两者在水中电导曲线均无法耦合。接下来我们测试这三组换能器水中的发送电压响应，来观察它们的带宽拓展情况，实验测试结果如图8所示。
[0042]结果表明当匹配层厚度选取2.4mm( SP 1/4声波波长)时换能器的发送电压响-3dB处实现了良好耦合，其带宽可达190kHz，而另外两组由于响应起伏太大，在-3dB处均不能产生耦合，无法达到拓展带宽的目的。得出结论:匹配层的厚度选取1/4声波波长时为最佳。事实上，本发明在匹配层的厚度为1/4声波波长±0.2mm时都能取得良好的效果。
[0043]3.2匹配层声阻抗对换能器带宽的影响
[0044]由以上实验知，当匹配层的厚度为1/4声波波长时，换能器的发送电压响应响应能够良好的耦合，接下来我们研究不同声阻抗下的匹配层对拓展换能器带宽的影响。实验选取四组不同铝粉质量分数百分比的匹配层(即四组不同声阻抗的匹配层)，分别为:10%,30%,45%,60%,厚度均选取1/4声波波长。最终测试出振子在空气中的电导曲线，做成换能器后在水中的电导曲线，水中的发送电压响应曲线分别如图9.1、图9.2、图9.3所示:
[0045]如图9.1、图9.2、图9.3的数据显示，匹配层厚度为1/4声波波长时，选取铝粉质量分数百分比为10%的换能器工作频带为230-370KHz，30%的为230_390KHz，45 %的为210-400KHZ，带内发送电压响应起伏均为_3dB。但是当匹配层选取60 %铝粉质量比时，两个谐振峰在空气中的频间距为160KHZ，水中的频间距为130KHZ，由于间距过大凹谷过深导致水中两个谐振频率无法耦合，发送电压响应起伏较大无法起到拓展带宽的作用。结果表明，匹配层厚度选取1/4声波波长时，随着匹配层声阻抗的增加，换能器带宽的拓展程度也不断增加，当声阻抗达到一定值后，带宽拓展达到极限，继续增加声阻抗将无法起到进一步拓展带宽的作用。
[0046]最终选取的最佳匹配层是铝粉质量分数百分比为45%，厚度选取2.4mm，做成换能器测得最大发送电压响应为161dB，工作频带为210kHz?400kHz，带内发送电压响应起伏为_3dB。
[0047]根据以上说明可知，用铝粉做为填充物的匹配层能够很好的拓展高频换能器的带宽，换能器的带宽主要受匹配层的厚度和声阻抗两个因素的影响。匹配层的最佳厚度应选取1/4声波波长，此时两个谐振峰水中电导值刚好相等，当不同声阻抗匹配层选取最佳厚度后，随着声阻抗的增大，两个谐振峰频间距也会增大，带宽也不断增大，当实验匹配层声阻抗达到45%铝粉质量百分比对应的声阻抗时，匹配效果达到最佳，此时带宽拓展效果也最佳，继续增加匹配层声阻抗，由于响应起伏较大，凹谷较深，不能起到继续拓展带宽的作用。
[0048]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
【主权项】
1.一种带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于: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合。3.如权利要求1或2所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于: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%。4.如权利要求3所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于:所述匹配层的厚度为1/4声波波长，所述匹配层中铝粉的质量分数为45%。5.如权利要求4所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于:最大发送电压响应为161dB，工作频带为210kHz?400kHz，带内发送电压响应起伏为-3dB。6.如权利要求1所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于: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。7.如权利要求1所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于:所述压电复合材料层采用1-3型压电陶瓷复合材料。8.如权利要求1所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于: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。9.如权利要求8所述的带匹配层的压电复合材料高频换能器，其特征在于:所述防水透声层含有聚氨酯和硫化剂，聚氨酯和硫化剂的质量比为10:1。
【专利摘要】本发明涉及一种带匹配层的压电复合材料高频换能器。该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。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。通过调节匹配层的厚度和声阻抗，使两个谐振频率相互靠近并耦合，匹配层的厚度优选为1/4声波波长，匹配层中铝粉的质量分数优选为45％。本发明通过在压电陶瓷复合材料上添加匹配层，并使其产生多模态耦合，能够有效的拓展高频换能器的带宽。
【IPC分类】G10K9/122
【公开号】CN105047188
【申请号】CN201510408592
【发明人】王丽坤, 孙少平, 仲超, 秦雷
【申请人】北京信息科技大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月13日