一种超宽带水声换能器的制作方法

本发明属于水声换能器领域，涉及一种超宽带水声换能器。

背景技术：

随着有限元分析方法在换能器设计中的不断运用，各种新理论、新结构的水声换能器层出不穷，然而压电式换能器仍是当前水声换能器研究的重点。其中结构简单的压电圆管式换能器使用广泛，占据着水声换能器重要的研究位置，压电陶瓷圆管通常为圆管换能器的换能元件，一般圆管的极化方向分为径向极化和高度极化。圆管换能器具有水平无指向性、接收灵敏度高、结构简单的特点，通常作为低频、大功率及宽带水声发射声源，也可作为宽频带接收水听器，它被广泛用于海洋开发和地质勘探等领域。压电圆管换能器一般利用压电圆环的径向振动的模态，其发射响应的带宽较窄。

为了展宽这种换能器的工作频带，设计者们提出了不同的解决的方案，传统的方法是采用压电圆环的液腔与径向振动的模态的耦合，由于液腔的谐振频率较低，适合低频换能器，也采用多模态耦合的原理合理安排各种振动模态，这种拓宽频带的方式要精确控制两种或是多种振动模态的间距。利用压电圆管的径向振动的模态和高阶径向振动模态的耦合也能实现圆管换能器的宽带发射，以此原理制作的换能器具有一定的水平指向性，哈尔滨工程大学的学者提出了利用压电圆管的径向振动模态和弯曲振动模态的耦合振动设计了一种带宽为40-80kHz、起伏±4dB的高频宽带换能器，总之目前的换能器都是利用以上各种技术及其相结合的方法，实现水声换能器在宽频带的频率范围内工作。

现有技术的宽带换能器其发射响应的带宽较窄，有的换能器需要添加匹配层，其结构复杂。

技术实现要素：

本发明专利的目的在于提供一种超宽带水声换能器，该换能器由三组不同尺寸的五个压电陶瓷圆管沿轴向排列组成，每组换能器的工作频带不同，三组压电陶瓷圆管的发射声场互相叠加形成换能器在较宽范围内的发射电压响应，使发射电压响应的起伏较小，实现水声换能器在较宽的频率范围内工作。

为了达到上述目的，本发明采用以下方案：

一种超宽带水声换能器，包括壳体及安装在壳体中的水声换能器本体，水声换能器本体包括依次设置的五个压电陶瓷圆管，五个压电陶瓷圆管的极化方向相同，均为径向方向，相邻压电陶瓷圆管之间通过塑料泡沫隔开，五个压电陶瓷圆管及塑料泡沫相互压紧后固定在壳体内，五个压电陶瓷圆管一侧分别连接正极引线，另一侧分别连接负极引线，正极引线和负极引线通向壳体外部，通过调整五个压电陶瓷圆管纵向排列的距离，降低换能器在工作频带内的发射电压响应起伏，实现换能器在超宽的频率范围内工作。

进一步，所述水声换能器本体还包括前盖板和后盖板，压在一起的五个压电陶瓷圆管及塑料泡沫通过前盖板和后盖板压紧，并由贯穿五个压电陶瓷圆管、塑料泡沫、前盖板和后盖板的螺杆及底部螺帽固定；负极引线和正极引线穿过螺杆一侧的凹槽通壳体外部。

进一步，所述壳体包括上外壳和下外壳，所述上外壳包围上盖板，下外壳包围着前盖板、五个压电陶瓷圆管及塑料泡沫，上外壳和下外壳之间形成密封结构。

进一步，所述上外壳为圆锥形，下外壳为圆柱壳形。

进一步，所述上外壳和下外壳采用透声橡胶制成。

进一步，前盖板和后盖板采用钢制成。

进一步，五个压电陶瓷圆管采用PZT-4压电陶瓷制成。

本发明具有以下优点：

本发明的超宽带水声换能器包括壳体及安装在壳体中的水声换能器本体，水声换能器本体包括依次设置的五个压电陶瓷圆管，相邻压电陶瓷圆管之间通过塑料泡沫隔开，五个压电陶瓷圆管及塑料泡沫相互压紧后固定在壳体内，换能器在外加电压信号的激励下，振动模态由内向外扩张，从而引起换能器做径向振动并向外辐射声波能量，塑料泡沫为了将两个相邻的压电陶瓷圆管隔开，实现换能器中间支撑和固定。通过调整五个压电陶瓷圆管纵向排列的距离及压电陶瓷圆管的直径，控制谐振频率处的发射电压响应值，表现在频率响应曲线上一组相邻峰谷之间差值减少，即发射电压响应在工作频带内起伏减小，换能器非谐振频率处的发射电压响应幅度几乎没有下降，实现了换能器工作频带的展宽。

本发明与其他宽带换能器相比，无需添加匹配层，所用元件比较常见，价格也都比较低廉，整体结构及制作工艺简单且成本低。

附图说明

图1为本发明实施例的剖面示意图；

图2为本发明另一实施例的超宽带水声换能器剖面示意图；

图3为本发明实施例的超宽带水声换能器内部螺杆示意图；

图4为本发明涉及的超宽带水声换能器的发射电压响应曲线图；

图中：1-上外壳，2-新型换能器，3-下外壳，201-前盖板，202-塑料泡沫一，203-压电陶瓷圆管一，204-塑料泡沫二，205-压电陶瓷圆管二，206-塑料泡沫三，215-压电陶瓷圆管三，207-塑料泡沫四，214-压电陶瓷圆管四，213-塑料泡沫五，212-压电陶瓷圆管五，211-塑料泡沫六，210-后盖，208-螺杆，209-底部螺母，216-负极引线，217-正极引线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员正在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1和图2，本实施例的超宽带水声换能器包括上外壳1，前盖板201，塑料泡沫一202，压电陶瓷圆管一203，塑料泡沫二204，压电陶瓷圆管二205，塑料泡沫三206，压电陶瓷圆管三215，塑料泡沫四207，压电陶瓷圆管四214，塑料泡沫五213，压电陶瓷圆管五212，塑料泡沫六211，后盖板210，螺杆208，底部螺帽209，负极引线216，正极引线217，下外壳3，所述前盖板201，塑料泡沫一202，压电陶瓷圆管一203，塑料泡沫二204，压电陶瓷圆管二205，塑料泡沫三206，压电陶瓷圆管三215，塑料泡沫四207，压电陶瓷圆管四214，塑料泡沫五213，压电陶瓷圆管五212，塑料泡沫六211，后盖板210的中心位置安装螺杆208，上外壳1、下外壳3分别安装在螺杆208前后两端，螺杆208两侧有凹槽，螺杆208底部装有底部螺帽。

压电陶瓷圆管一203，塑料泡沫二204，压电陶瓷圆管二205，塑料泡沫三206，压电陶瓷圆管三215，塑料泡沫四207，压电陶瓷圆管四214，塑料泡沫五213，压电陶瓷圆管五212交替纵向排列而成。塑料泡沫一202安装在所述前盖板201与压电陶瓷圆管一203之间，塑料泡沫六211安装在所述后盖板210与压电陶瓷圆管五212之间，所述正极引线217分别连接压电陶瓷圆管一203，压电陶瓷圆管二205，压电陶瓷圆管三215，压电陶瓷圆管四214，压电陶瓷圆管五212内侧，所述负极引线216分别连接五个压电陶瓷圆管外侧。

超宽带水声换能器的三个谐振频率主要是由前两个压电陶瓷圆管以及中间的压电陶瓷圆管来控制，前两个压电陶瓷圆管与最后两个压电陶瓷圆管是同种压电陶瓷圆管，通过调整这五个压电陶瓷圆管的纵向排列的距离可以改变工作带宽，使得换能器的带宽变宽，而发射电压响应的起伏较小。

参考图1，本实施例还包括透声橡胶上外壳1和下外壳3，前盖板201，后盖板210，螺杆208，其中所述外壳位于图1所安装完成的超宽带水声换能器之外，在其内安装螺杆208；所述前盖板201和后盖板210位于所述外壳内部将换能器封闭并通过螺帽将换能器固定；所述透声橡胶位于换能器的全部。

进一步，上外壳1呈圆锥形，下外壳3呈圆柱形固定在图1所示装置的上下外侧，外壳紧贴换能器的外部，外壳内装有圆柱形螺杆208保持换能器平衡，前盖板201中间位置开有圆孔，安装在上外壳1内部。

所述上外壳1和下外壳3为透声橡胶，前盖板201和后盖板210为钢质，压电陶瓷圆管采用PZT-4陶瓷来实现。

所述正极引线217分别连接压电陶瓷圆管一203，压电陶瓷圆管二205，压电陶瓷圆管三215，压电陶瓷圆管四214，压电陶瓷圆管五212内部的一侧然后分别穿过螺杆208和前盖板201中间的圆孔，负极引线216分别连接五个压电陶瓷圆管外侧，分别穿过螺杆208一侧的凹槽，前盖板201中间的圆孔与激励源相连接。

本发明实现换能器工作频带展宽的原理是：通过调整五个压电陶瓷圆管纵向排列之间的距离，降低压电陶瓷圆管所控制的谐振频率处的发射电压响应值，表现在频率响应曲线上一组相邻峰谷之间差值减少(两峰之间凹谷变浅)，实现了超宽带水声换能器发射电压响应起伏的减少及工作频带的展宽。

图3为本发明型的超声换能器的内部螺杆图，螺杆的两侧有凹槽。

图4为本发明型的超宽带水声换能器的发射电压响应曲线图，由图表明换能器在14kHz-131kHz工作频带内发射电压响应起伏为12.7dB，最大发送电压响应为152.7dB，带宽明显拓宽。