专利名称：圆柱形叠堆晶片水声换能器的制作方法
技术领域：
本发明属水声探测技术领域，具体涉及一种利用压电陶瓷的压电效应发射水声信号而 实现水中探测的水声换能器，可广泛用于水下通信、探测、目标定位、跟踪等，是声纳使 用的重要部件。
背景技术：
水声换能器是将声能和电能进行相互转换的器件，其地位类似于无线电设备中的天 线，是在水下发射和接收声波的关键器件。水下的探测、识别、通信，以及海洋环境监测 和海洋资源的开发，都离不开水声换能器。换能器可分为发射型、接收型和收发两用型。 将电信号转换成水声信号，并向水中辐射声波的换能器，称为发射换能器，发射换能器要 求有比较大的输出声功率和比较高的电声转换效率。用来接收水中声波信号，将其转换成 电信号的换能器为接收换能器，也常称为水听器，对接收换能器则要求宽频带和高灵敏度。 既可以将声信号转换成电信号，又可以将电信号转换成声信号，用于接收或发射声信号的 换能器称为收发换能器。
目前水声领域应用最广泛的换能器是采用压电效应进行能量转换的压电陶瓷换能器， 其工作原理是基于陶瓷的压电原理，当声波的交变压力作用到压电陶瓷上时，陶瓷会产生 形变，继而在其表面产生交变电荷并输出交变电压，电压的大小与声压成正比，检测输出 电压即可测量声波的强弱。接收换能器是利用陶瓷的正压电效应接收声信号并转换为电信 号，以探测声波；发射换能器则是利用陶瓷的逆压电效应将施加的电信号转换成水声信号， 以辐射声波。
目前常用的水声换能器有叠堆晶片(陶瓷片)换能器、圆柱形换能器和球形换能器等 几类。叠堆晶片换能器利用晶片堆的厚度振动，以晶片堆的负载端面接收或辐射声信号， 这种叠堆晶片振子可以较小的重量和体积获得大的声能密度，灵敏度高，但波束指向性开 角受辐射面的限制。圆柱形和球形换能器利用圆管和球壳的径向振动，以柱面或球面接收 或辐射声波，圆柱形换能器具有水平全向的波束指向性，球形换能器具有空间全向的波束 指向性，但这类换能器的灵敏度不及叠堆晶片的高。上述换能器中主要有以下几种(1) 复合棒压电换能器 复合棒压电换能器也称为夹心式压电换能器或喇叭形压电换能器(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 1997 PI060-1066; Inoue T. Nada. T. "Tonpilz Piezoelectric transducer with acoustic matching plates for underwater color image IEEE VFFC Vol.40.2, 1993 P121-130.)。它是一种常用的大功率 叠堆晶片发射换能器，用作接收亦有较高的灵敏度。复合棒压电换能器振子结构示意图如 图1所示。它由多个相同的压电陶瓷圆环机械上串联、电路上并联叠堆胶合构成压电振子， 当在振子上施加交变电压时，振子将产生轴向伸縮振动(纵振模态)，由于前盖板21较 后盖板22轻，振子将推动前盖板21振动，从而向外辐射声波。预应力螺钉11用于固定 前盖板21、晶片堆41及后盖板22，同时在晶片堆上施加一定的预应力，以使晶片间及振 子与前后盖板之间有良好的振动传递。金属节板12将振子固定在外壳或支架上。
由于采用多个晶片叠堆，振子的振动为各晶片振动的迭加，因而可产生较大的能量密 度，即这种换能器的灵敏度较高。又由于压电陶瓷纵振模态频率较高，而且其发射头为喇 叭状，因此这种换能器主要工作在中高频率段(几十kHz 几百kHz)，其发射指向性图的 波束宽度(开角)较小。
(2) 环状换能器(Ring transducer)
环状换倉巨器(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.)以外部的圆环作为辐射面，如图2所示，通过计算确定圆环的厚度， 可以使其能够承受深水的静水压。 一些长度振子按照"星"形插入圆环内。每个长度振子 由压电陶瓷堆42和尾质量23组成。这种换能器由于结构上的特点，可以工作在深水。并 且有两个主要的谐振频率可以应用， 一是圆环自身的谐振频率(圆环的呼吸模态)，稍低 的振动频率；二是每个长度振子的谐振频率(类似复合棒压电换能器的纵振动模态)，稍 高的振动频率。
该换能器考虑到复合棒压电换能器和Janus换能器难以实现低频发射的缺点，因此改用纵振模式的陶瓷来驱动外环作弯曲模式的振动，这样就可以实现低频发射。但该换能器 有一个不足就是相对辐射面积过小，没有把陶瓷堆的纵振能量充分地转换为低频弯曲振动 的能量，因此辐射能力不够大。
(3) 桶板(I型)弯张换能器
桶板弯张换會g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.)将若干块由平面弯成的圆孤(或其它曲线)弓形段弯曲梁，用 螺钉安装到压电陶瓷晶片堆43两端的质量块上，构成压电振子。其中， 一种典型的结构 如图3所示。通过用闭孔泡沬塑料充填部分空腔，采用自由浸沉，有工作于500m深水的 能力。桶板弯张换能器将晶片堆的纵振动转换为桶板的弯曲振动，工作频率较低。凸形壳 体，在水中工作时，作用于其上的静水压的合力为沿长轴方向的张力，这就抵消了部分施 加的预压应力。随着深度的增加，这种张力也正比地增加，就不可能保证在高驱动工作时 的安全应力，从而限制了工作深度。
凹面弯张换能器(如图4)是针对这一问题设计的。它的优点是静水压合力为沿长 轴的压力，随着深度增加而增加，因而需施加的装配预应力最小；当外壳在基频径向振动 时，外壳全部作同相位振动，能更有效地向远场辐射声功率。
该换能器的缺点是整体布局成细长型，在占用同样的最大尺度上，作为驱动的元件压 电陶瓷的数量相对偏少，驱动能力就相对不足。
(4) 圆柱和球形换能器
球形换能器和圆柱换能器分别如图5a和图5b所示，图中d指压电陶瓷壳的位移方向， P指压电陶瓷壳的极化方向。这类换能器利用球壳或薄壁圆管的径向振动进行能量转换， 沿径向接收或辐射声波，具有较好的波束指向性，球壳结构可获得空间全向的波束指向性， 圆柱管结构可获得水平全向的波束指向性。但由于这类换能器中仅通过单层压电陶瓷壳振 动接收或辐射声信号，显然其振动能量远不及叠堆晶片产生的能量大，即灵敏度不如叠堆 晶片换能器的高。这类换能器一般工作频率在几kHz 100kHz，频率太高(〉100kHz)， 换能器直径较小，工艺难于加工且灵敏度较低，频率太低(<lkHz)，换能器体积较大， 所需的发射功率较大，易于击穿而损坏。
综上所述，叠堆晶片换能器分为两种， 一种应用压电陶瓷晶片纵振模态工作，频率在几千到几百千赫兹，另一种将晶片纵振模态转换为外壳的弯曲振动，大大降低了换能器的 工作频率， 一般可降到几赫到几千赫兹，这类换能器的波束指向性宽度(开角)受辐射面 的限制。圆柱和球形换能器的结构简单，波束指向性宽度(开角)大(水平或空间全向)， 但灵敏度较低。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有叠堆晶片换能器开角小和圆柱、球形换能器灵敏度低的不 足，提供一种高灵敏度大开角的水声换能器。 上述目的是通过如下技术方案实现的-
一种水声换能器，包括压电陶瓷晶片堆及其上下两端的金属盖板，压电陶瓷晶片堆呈 圆柱形，由多片圆形的压电陶瓷晶片叠堆而成，压电陶瓷晶片的极化方向沿厚度方向；每 2~8片压电陶瓷晶片为一组，晶片堆包含1组或多组晶片，每组之间用橡胶片隔开；相邻 的晶片之间，以及晶片与橡胶片之间夹有金属薄片，金属薄片上焊接电极引线；压电陶瓷 晶片堆与金属盖板之间也用橡胶片隔开。
上述压电晶片堆的晶片可采用压电陶瓷PZT制作，每组内相邻两片晶片的极化方向相 反，晶片的直径一般为10~100mm，每片晶片的厚度一般为0.5~5mm。
上述金属盖板用重金属制成，装于压电陶瓷晶片堆的上下两端，用于固定压电陶瓷晶 片堆并限制其厚度方向的振动。盖板通常采用铜制作，表面大小与压电陶瓷晶片相当，可 以为圆形或近似于圆的多边形，如正六边形、正八边形等，厚度为2 10mm。
上述金属薄片是用黄铜或锌铂铜等易于焊接的金属或合金制作的圆片，其直径与晶片 相同，厚度为0.1 0.2mrn。
上述橡胶片也是直径与晶片相同的圆片，厚度为l 2mm。
一般的，金属薄片与压电陶瓷晶片之间、金属薄片与橡胶片之间以及橡胶片与金属盖 板之间均用环氧树脂胶合。进一步的，上述晶片、金属薄片、橡胶片和金属盖板可在中心 开孔，这样，压电晶片堆、橡胶片、上下金属盖板可通过贯穿其中的螺钉固定。
进一步的，在下金属盖板的底端安装一底座用于压电晶片堆电极引线的输出。底座可 为采用金属铝制作的中心带孔的圆柱体，在其上表面沿直径方向开槽，两侧的电极引线通 过开槽从中心孔引出，连接到电缆。底座通过环氧树脂与下金属盖板黏合。本发明的圆柱形叠堆晶片换能器装配好后需要将其灌封于防水透声层中。水声换能器 的防水透声层材料通常为聚氨酯透声橡胶，这种材料具有介电强度高、体积电阻高、抗张 和抗切变强度高、耐磨性好和阻尼高等特性，而且聚氨酯还有较好的耐酒精、耐酯族溶剂 性能。顾名思义，防水透声层的主要作用是防水、透声，避免换能器内部由于进水、短路 而导致器件损坏。同时，聚氨酯的特性阻抗与水匹配，声衰减系数很低，保证换能器与水 介质之间良好的声能传递。
本发明的水声换能器为圆柱形叠堆晶片换能器，当在晶片堆上加交变电压时，由于陶 瓷的压电效应，每个晶片沿半径方向产生振动，多个叠堆晶片径向振动即形成圆柱形声辐 射面，向四周辐射声波。由于压电晶片堆采用多片陶瓷叠堆，振子的振动为多个晶片径向 振动的迭加，可产生大的能量密度，进而提高换能器的灵敏度。圆柱形叠堆晶片换能器振 子柱形辐射面的水平指向性为全向，轴向指向性波束宽度(开角)可通过调节压电陶瓷晶 片堆的组数来调整。
总之，本发明的圆柱形叠堆晶片换能器通过合理设计压电叠堆晶片的直径，既保持了 传统叠堆晶片换能器发射声能密度大、灵敏度高的特点，从而弥补了现行圆柱和球形压电 换能器灵敏度较小的不足。另外，还可以通过改变压电晶片堆的厚度或调整组数，来调整 换能器的轴向指向性开角。
图1是复合棒压电换能器振子的结构示意图。
图2是环状换能器的结构示意图。
图3是凸型桶板弯张换能器的结构示意图。
图4是凹型桶板弯张换能器的结构示意图。
图5a是球形换能器示意图；图5b是圆柱和球形换能器示意图。
图6是本发明的圆柱形叠堆晶片换能器的结构示意图。
图7是本发明圆柱形叠堆晶片换能器压电晶片堆的结构及连线示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实例对本发明的圆柱形叠堆晶片换能器进行详细说明。
如图6所示，本实例的圆柱形叠堆晶片换能器包括由压电陶瓷晶片4组成的压电晶片堆、上下金属盖板2、预应力螺钉l、橡胶片3、底座6、防水透声层9和输出电缆8等。 压电晶片堆中，压电陶瓷晶片4采用圆形的中心带孔的压电陶瓷PZT制作，晶片外径为 23mm，内径为5mm，每片厚度为lmm。每四片晶片为一组压电晶片组，相邻晶片的极化 方向相反(参见图7)。压电晶片堆由2组压电晶片组成，压电晶片组之间由圆环形的橡胶 片3隔开，以消除其间的耦合，压电晶片堆与上下金属盖板2之间也由橡胶片3隔开。橡 胶片3内外径与晶片4相同，厚度为l 2mm。上下金属盖板的形状同晶片4,由铜制成， 上盖板厚3mm，下盖板厚5mm。压电晶片4之间夹以金属薄片5，以焊接引线7。金属薄 片5的内外径也与晶片4相同，厚度为0.2111111。。底座6由上下两个同心圆环柱连为一体， 上圆环柱外直径与压电晶片相同，厚度为3mm，其上表面沿直径开有一条细槽，下圆环柱 外径为5 10mm，厚度为8mm，底座内径为3 5mm。
装配换能器时，先用环氧树脂将压电晶片4逐片与金属薄片5粘接，再相互粘接，每 四片为一组压电晶片组，共2组，压电晶片组之间用环氧树脂粘贴橡胶片3隔离，形成压 电晶片堆。压电晶片堆与金属盖板2之间也用环氧树脂粘贴橡胶片3隔离。而后用预应力 螺钉1将金属盖板2、压电晶片堆和橡胶片3固连。压电晶片堆的接线如图7所示，采用 并联连接，以保证在各晶片上同时施加同相电压，而产生同步径向振动。引线7通过底座 6上表面的细条槽，从底座6的内孔输出，连接到电缆，其中一极引线(图7中的左侧引 线)同输出电缆8的地极连接，另一极引线(图8中的右侧引线)与输出电缆8的芯线连 接。用环氧树脂将底座6和下面的金属盖板2粘接。最后将上述装配件放入定制的模具内， 浇灌聚氨酯橡胶，构成防水透声层9，最终完成换能器的制作。
以上通过实施例描述的本发明的圆柱形叠堆晶片换能器及其实现方法，并非用于限定 本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和实质范围内，可做各种的更动 和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求书所界定。
权利要求
1.一种水声换能器，包括压电陶瓷晶片堆及其上下两端的金属盖板，压电陶瓷晶片堆呈圆柱形，由多片圆形的压电陶瓷晶片叠堆而成，压电陶瓷晶片的极化方向沿厚度方向；每2～8片压电陶瓷晶片为一组，晶片堆包含1组或多组晶片，每组之间用橡胶片隔开；相邻的晶片之间，以及晶片与橡胶片之间夹有金属薄片，金属薄片上焊接电极引线；压电陶瓷晶片堆与上下金属盖板之间也用橡胶片隔开。
2. 如权利要求1所述的水声换能器，其特征在于所述压电陶瓷晶片采用压电陶瓷PZT 制作，每组内相邻两片晶片的极化方向相反，晶片的直径为10~100mm，每片晶片的厚 度为0.5~5mm
3. 如权利要求1所述的水声换能器，其特征在于所述金属盖板用重金属制成，厚度为 2 10mm。
4. 如权利要求3所述的水声换能器，其特征在于所述金属盖板用铜制成。
5. 如权利要求1所述的水声换能器，其特征在于所述金属薄片用易于焊接的金属或合金制作，厚度为0.1 0.2mm
6. 如权利要求1所述的水声换能器，其特征在于所述橡胶片厚度为1 2mm。
7. 如权利要求1所述的水声换能器，其特征在于金属薄片与压电陶瓷晶片之间、金属 薄片与橡胶片之间以及橡胶片与金属盖板之间均用环氧树脂胶合。
8. 如权利要求1 7中任一权利要求所述的水声换能器，其特征在于所述压电陶瓷晶片、 金属薄片、橡胶片和金属盖板均在中心开有孔，通过贯穿其中的螺钉将它们固定。
9. 如权利要求1所述的水声换能器，其特征在于在下金属盖板的底端安装有一用于输出电极引线的底座。
10. 如权利要求9所述的水声换能器，其特征在于所述底座为采用金属铝制作的中心带孔的圆柱体，在其上表面沿直径方向开槽，两侧的电极引线通过开槽从中心孔引出。
全文摘要
本发明提供了一种水声换能器，包括压电陶瓷晶片堆及其上下两端的金属盖板，压电陶瓷晶片堆呈圆柱形，由多片圆形的压电陶瓷晶片叠堆而成，压电陶瓷晶片的极化方向沿厚度方向；每2～8片压电陶瓷晶片为一组，晶片堆包含1组或多组晶片，每组之间用橡胶片隔开；相邻的晶片之间，以及晶片与橡胶片之间夹有金属薄片，金属薄片上焊接电极引线；压电陶瓷晶片堆与上下金属盖板之间也用橡胶片隔开。本发明的圆柱形叠堆晶片换能器通过合理设计压电叠堆晶片的直径，既保持了传统叠堆晶片换能器发射声能密度大、灵敏度高的特点，而且还可以通过改变压电晶片堆的厚度或调整组数，来调整换能器的轴向指向性开角。
文档编号H04R1/44GK101321411SQ20081011489
公开日2008年12月10日 申请日期2008年6月13日 优先权日2008年6月13日
发明者张金铎, 莉 李, 王丽坤, 雷 秦, 董天晓 申请人:北京信息科技大学