本发明涉及球锥形波束压电复合材料换能器，具体涉及一种基于球冠形压电复合材料的换能器及其制作方法。
背景技术：
目前，换能器或基阵是空气声、水声探测领域设备中的重要部件。换能器的性能往往影响着系统总体的性能。在空气声中，往往需要对声源进行定位和目标探测，球形或球冠形的换能器或基阵不仅定位准确而且具有探测距离长、搜索范围广的优点；在水声探测领域，尤其是在水下成像声纳中，因为球形或球冠形的换能器或基阵在海底测绘、水下工程勘测、水下目标探测以及水下设施检测等方面具有广泛而重要的应用前景，所以备受关注。对于高频高分辨成像声纳来说，换能器或基阵约束了声纳的基本性能，对于发射基阵，发射波束宽度与发射声源级是互相约束的，发射波束越宽(成像观测范围越大)，基阵有效辐射面积越小，声源级越低(探测作用距离越近)，而球冠形换能器或基阵是解决这一问题的有效途径之一。
对于高频球冠形换能器或基阵，不仅在设计上需要理论分析和数值计算，而且在制作上也需要特殊工艺。对于几百千赫兹高频率换能器往往是利用压电陶瓷本身的振动频率来实现的，而球冠形换能器如果采用整体球冠来实现，只能利用其厚度振动模式，但是球冠的厚度振动模式复杂，无法实现球面同相等幅振动，所以也就无法实现预期的目标。为了实现球冠高频等幅同相振动，利用压电小振子的纵向振动模式形成整体球冠是一种有效的方式。实现高频压电振子的单一纵振模态必须满足一定的长宽比，而且对于高频来讲，根据半波长谐振理论，频率越高，振子谐振长度越小，而宽度又小于长度，所以频率越高，压电振子的体积越小。小体积的压电振子如果要形成球冠，采用普通的设计方式很难实现。
技术实现要素：
本发明的目的在于，针对上述高频球冠换能器及基阵实现工艺的特殊要求，在总结以往高频换能器研制及压电复合工艺制备的基础上，本发明提供了一种基于球冠形压电复合材料的换能器及其制作方法，该换能器的核心器件是球冠形压电复合材料，采用改进的压电复合材料制备方式形成球冠，采用该球冠形压电复合材料制备的高频换能器具有良好的空间球锥形指向性。
为了实现上述目的，本发明提供的一种高频球冠形压电复合材料的换能器包括：压电复合材料和两根电极线；所述压电复合材料呈球冠形结构，所述的球冠形结构由压电陶瓷圆片切割成的若干个压电陶瓷小柱粘结而成，该球冠形结构的内、外表面镀有正负电极；两根电极线的一端分别焊接于正负电极上，并从换能器内引出两根电极线的另一端。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括聚氨酯硬质泡沫和背板；所述球冠形结构的内表面贴附并固定于聚氨酯硬质泡沫的顶面，所述背板固定于聚氨酯硬质泡沫的底面；所述的球冠形压电复合材料可通过704硅胶粘接在泡沫上；所述的电极线贯穿聚氨酯硬质泡沫与背板，并从背板底部引出。
作为上述技术方案的进一步改进，所述换能器的外表面涂覆有聚氨酯橡胶，可通过灌注模具把安装好的球冠形压电复合材料、泡沫和背板包覆起来，形成换能器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述球冠形结构的半径为100mm，其对应的圆心角为60°，所述压电陶瓷小柱的外表面呈方形，其尺寸为2.5mm×2.5mm，该压电陶瓷小柱的厚度为4.8mm，任意相邻的两个压电陶瓷小柱的缝隙宽度为0.5mm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述球冠形结构的表面及任意相邻的两个压电陶瓷小柱的缝隙内均涂覆有抽真空处理后的环氧胶。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的正负电极采用镀镍正电极和镀镍负电极。
基于上述结构的换能器，本发明还同时提供了一种基于球冠形压电复合材料的换能器的制作方法，所述的换能器制备工艺包括：压电陶瓷切割，黏敷软性粘膜形成球冠形压电陶瓷材料，灌注硬性高分子材料，固化成型，打磨后镀电极；球冠形压电复合材料安装在高强度的吸声泡沫中，最后在外层灌注透声聚氨酯橡胶。该制作方法具体包括以下步骤：
步骤1)根据设计需求确定球冠形结构的半径和圆心角，并以该半径和圆心角确定压电陶瓷圆片的直径，以及根据工作频率确定压电陶瓷小柱的外表面尺寸和厚度；
步骤2)将选定的压电陶瓷圆片按设定的规格切割压电陶瓷小柱后，在压电陶瓷圆片的上表面黏敷一层软性粘膜，使得所有压电陶瓷小柱粘结成一体结构；
步骤3)通过球冠模具将切割后的压电陶瓷圆片压制成球冠形结构，并在球冠形结构的表面及任意相邻的两个压电陶瓷小柱的缝隙内均涂覆抽真空处理后的环氧胶；
步骤4)将涂覆有环氧胶的球冠形结构进行高温固化处理，并将固化后的球冠形结构从球冠模具中取出，经打磨后露出压电陶瓷小柱的内外表面，在压电陶瓷小柱的内外表面上镀镍电极，并在两个电极上各焊接一根电极线；
步骤5)将球冠形结构的内表面贴附并固定于硬质泡沫的顶面，并在硬质泡沫的底面固定背板，将电极线从硬质泡沫与背板之间穿出后，在换能器的外表面涂覆聚氨酯橡胶。
本发明的一种基于球冠型压电复合材料的换能器及其制作方法优点在于：
利用本发明中具有球冠形结构的压电陶瓷复合材料制备得到的换能器，能够满足大功率辐射的要求，这种球冠形压电复合材料结构设计模式，克服了整体球冠振动模态复杂、指向性混乱、能量输出小的缺点，而采用小柱压电复合材料单一振动模式，能够实现所需要形状的等幅同相振动，以获得最大的能量输出，同时产生良好的球锥形指向性。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于球冠形压电复合材料的换能器结构示意图。
图2为本发明中利用压电圆片切割成压电陶瓷小柱后的结构示意图。
图3为本发明中的球冠形结构的压电复合材料压制成形的结构示意图。
图4为本发明中的球冠形结构的压电复合材料经镀电极后的结构示意图。
图5为本发明中的球冠形结构的压电复合材料制备的换能器指向性测试曲线。
图6为本发明中的换能器发射电压灵敏度测试曲线。
附图标记
1、聚氨酯橡胶2、压电复合材料3、聚氨酯硬质泡沫
4、电极线5、背板6、软性粘膜
7、压电陶瓷小柱8、球冠凸形上模9、镀镍负电极
10、环氧胶11、球冠凹形下模12、镀镍正电极
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种基于球冠形压电复合材料的换能器及其制作方法进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于球冠形压电复合材料的换能器，包括压电复合材料2和两根电极线4；所述压电复合材料2呈球冠形结构，所述的球冠形结构由压电陶瓷圆片切割成的若干个压电陶瓷小柱7粘结而成(如图2所示)，该球冠形结构的内、外表面镀有正负电极；两根电极线4的一端分别焊接于正负电极上，并从换能器内引出两根电极线4的另一端。
基于上述结构的换能器，如图1所示，该换能器还可包括聚氨酯硬质泡沫3和背板5；所述球冠形结构的内表面贴附并固定于聚氨酯硬质泡沫3的顶面，所述背板5固定于聚氨酯硬质泡沫3的底面；所述的电极线4贯穿聚氨酯硬质泡沫3与背板5，并从背板5底部引出。另外，所述换能器的外表面涂覆有聚氨酯橡胶1。
本发明研制的上述球冠形结构的压电复合材料，可以由多个压电陶瓷小柱拼成压电小柱平面基阵，然后再通过模具形成球型，理论上模具能作多大，压电复合材料球冠就能做多大，因而不受制作体积的限制，并且具有良好的压电性能，使用该压电复合材料制备的高频换能器及基阵具有良好的等幅同相振动效果，由于压电复合材料的小振子都工作在单一纵振模态，机电转换效率高，能量输出大，并且可以看作是球冠上的点源振动，所以能够实现球冠辐射指向性要求及辐射功率要求。在实际应用中，能够结合实际需求，通过设计球冠直径和球冠角的大小实现大功率发射。
本发明是通过研制球冠形结构的压电发射复合材料，提供一种能够实现高频、大功率、宽波束的换能器。根据设计需要，确定球冠的直径和开角，然后根据球冠的大小确定出压电陶瓷圆片的大小，并且根据频率确定压电陶瓷小柱的大小，切割后的压电陶瓷圆片黏敷软性粘膜，放置在模具里压制成球冠形，成形后的压电球冠打磨后分别镀正负电极，形成球冠形压电复合材料；制作好的球冠形压电复合材料安装在预先设计好的硬质泡沫上，引出电极线，硬质泡沫粘好背板后，灌注透声橡胶包覆层，最终形成高频球冠形压电复合材料换能器。
基于上述结构的换能器，参考图1-4所示，本发明还提供了一种基于球冠形压电复合材料的换能器的制作方法，具体包括以下步骤：
首先，根据工作频率、换能器开角及发射灵敏度要求设计球冠的直径及开角。工作频率一般是由系统确定，确定工作频率后根据声速就可以确定波长，球冠的开角一般要大于换能器的波束开角；而球冠所在球的直径越大，发射灵敏度和声源级也就越高。在本实施例中换能器的工作频率为300khz，在300khz的球冠开角要求大于45°，而且发射电压灵敏度要求大于160db，以此计算出球冠形压电元件所在球的半径为100mm，球冠对应的圆心角为60°，并通过计算球冠的表面积，确定压电圆片的直径为88mm，以实现圆片与球冠等同的面积，根据工作频率确定压电圆片的厚度为4.8mm，要实现压电陶瓷单一振动模态，压电陶瓷小柱的高度比宽度理论上要大于3.16倍以上，这里通过仿真计算和实验测试，压电陶瓷小柱的外表面成方形，其尺寸为2.5mm×2.5mm，压电陶瓷圆片切割的刀缝为0.5mm。
其次，根据设计计算的要求切割压电陶瓷圆片成若干个压电陶瓷小柱7，压电陶瓷圆片通过502胶水粘接在玻璃上，然后切成2.5mm×2.5mm的压电陶瓷小柱7，陶瓷间的缝隙为0.5mm，同时保证压电陶瓷切透。当压电陶瓷圆片切成小柱后，在上表面黏敷一层软性粘膜使得所有压电陶瓷小柱7形成一个整体，通过丙酮侵泡把压电陶瓷小柱7从玻璃上取下，取下后的压电陶瓷小柱阵列如图2所示。
再次，准备好球冠成型模具，如图3所示，该模具包括球冠凸形上模8和球冠凹形下模11，模具需要清洗后涂抹脱模剂，把粘结软性粘膜的压电陶瓷小柱阵列放置在球冠成型模具中；配制高硬度的高温环氧填充胶，环氧胶10在配制时需要抽真空处理，把配制好的环氧胶10分别倒入球冠凹形下模11中和涂在球冠小柱间的缝隙中，将涂抹完环氧胶10的压电陶瓷小柱阵列通过球冠凸形上模8压制后再进行抽真空处理，除去胶中的气泡，根据高温环氧胶的固化温度120℃进行固化，保温4-5小时固化成形。
然后，将固化后的压电复合材料2脱模后，打磨压电复合材料2的四周及表面除去多余的环氧胶10，将球冠形结构的凸面和凹面露出压电陶瓷小柱面，使得可以在压电陶瓷小柱7上镀镍电极；通过镀镍工艺在压电陶瓷小柱7的凹面和凸面上分别设置镀镍正电极12和镀镍负电极9，形成最终的压电复合材料，其结构如图4所示。
最后，把制作好的球冠形结构的压电复合材料安装在预先制作好的球冠型聚氨酯硬质泡沫3上，聚氨酯硬质泡沫3不仅能够起到结构支撑作用，而且也能实现吸声效果，使得换能器具有更优的能量输出。压电复合材料2和聚氨酯硬质泡沫3之间可采用704硅橡胶粘接，焊好压电复合材料的正负极引线后，从聚氨酯硬质泡沫3中穿出，并在聚氨酯硬质泡沫3后面粘接金属背板5，聚氨酯硬质泡沫3和金属背板5之间可采用914胶粘接，等粘胶固化后准备灌注透声性聚氨酯橡胶1进行四周包覆。根据灌注空间的体积和聚氨酯橡胶的密度，计算出所需聚氨酯橡胶的质量，将炼制好的聚氨酯橡胶倒入球冠换能器包覆成形的模具中，等灌封胶完全固化后，脱去模具，换能器研制完毕，得到如图1所示的换能器。
利用上述方法制备的球冠形压电复合材料换能器在消声水池中测试其声学性能，如图5所示，是在谐振点300khz的指向性曲线，从图中可以看出，换能器的波束开角大约47°，开角内有较小的起伏；发射电压灵敏度测试曲线如图6所示，在300khz时的发射电压灵敏度为165db，带宽可以达到50khz，由此可知，本发明的球冠形压电复合材料换能器具有良好的声学性能。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。