双频大尺寸压电复合材料球形换能器及其制备方法与流程
本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种双频大尺寸压电复合材料球形换能器及其制备方法。
背景技术：
换能器是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的装置。由于声波是迄今人类所掌握的唯一能在浩瀚大海中远距离传递信息和能量的载体，因此目前水下探测、通讯、导航、测绘等大都依赖水声换能器。目前常用的水声换能器主要为压电换能器，压电元件(即换能元件)是其核心部件，直接决定了换能器的性能。
球形压电换能器一般是采用压电陶瓷球壳作为其压电元件，其利用的是压电陶瓷球壳的径向振动。但现行的压电陶瓷球壳很难做到较大尺寸(就当前的技术而言，压电陶瓷球壳的直径通常不超过200mm)，而径向振动的谐振频率与直径呈反比关系，这使得由陶瓷球壳制备的换能器的工作频率局限在10khz以上，不能满足工作于低频段的需求。而且压电陶瓷球壳无法获得纯净的厚度振动，造成其高频(100khz以上)时指向性起伏很大，以至于现行的球形换能器也不能满足高频工作的需求。
技术实现要素：
本发明针对上述问题，提出一种双频大尺寸压电复合材料球形换能器及其制备方法，能够制备出大尺寸的球形换能器，该换能器既能在低频(10khz以下)工作，又能在高频工作，能够有效弥补现行球形换能器无法工作于低频和高频的不足。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双频大尺寸压电复合材料球形换能器，包括压电复合材料球壳；所述压电复合材料球壳包括多个压电材料柱，以及填充于各压电材料柱之间的聚合物；所述压电复合材料球壳的外表面贴覆匹配层。
其中，匹配层的加入可抑制换能器高频工作时的指向性起伏，并能进一步拓展换能器带宽。
优选地，所述压电复合材料球壳为大尺寸压电复合材料球壳，大尺寸是指直径大于200mm。
优选地，所述压电材料柱采用的压电材料为压电陶瓷，此外还可以是压电单晶、有机压电材料和无铅压电材料等；所述聚合物为环氧树脂和硅橡胶，此外还可以是聚氨酯、丁腈橡胶等。
优选地，所述压电复合材料球壳中压电陶瓷的体积百分比在0.20～0.80。
优选地，所述匹配层的厚度为匹配层中的声波波长的1/4，或在1/4波长左右进行微调；匹配层的材料可以是添加有铝粉或钨粉的环氧树脂等。
进一步地，所述换能器还包括背衬、电极引线、输出电缆和防水透声层，压电复合材料球壳通过背衬固定，电极引线与输出电缆相连，换能器的整体外围胶封防水透声层。
一种制备上述双频大尺寸压电复合材料球形换能器的方法，其步骤包括：
1.设计大尺寸压电复合材料球壳的结构参数，并制备复合材料球壳；
2.设计制备球面共形匹配层的结构参数，并浇注匹配层；
3.利用制备好的复合材料球壳来制作球形换能器。
进一步地，步骤1包括：
1)对压电材料片进行切割，形成带压电材料基底的压电材料柱阵列；
2)在带压电材料基底的压电材料柱阵列中填充柔性聚合物；
3)按照与步骤1)相同的步进和切缝，从反面对缝切割压电材料基底，以形成依靠柔性聚合物连接的柔性压电材料柱阵列；
4)利用球面模具压模弯曲柔性压电材料柱阵列，以形成曲面形状的压电材料柱阵列；
5)向曲面状的压电材料柱阵列中灌注硬性聚合物，并压模固化；
6)待灌注的硬性聚合物固化后脱模，压电材料柱阵列定型成曲面结构；
7)将曲面结构固定于定位工装中；
8)根据定位工装的外形，将曲面结构加工成与定位工装相同外形的结构；
9)在步骤8)加工后的曲面结构内外表面被覆电极材料；
10)在被覆完电极材料的曲面结构上引出电极引线；
11)将做好电极引线的曲面结构排布于球面共形背衬上，并用粘接曲面结构的接缝以及曲面结构内表面与背衬的外表面的接触面，形成压电复合材料球壳。
本发明的有益效果如下：
本发明能够制备出大尺寸(直径大于200mm)的球形换能器，该换能器既能在低频(10khz以下)工作，又能在高频(100khz以上)工作，能够有效弥补现行球形换能器无法工作于低频和高频的不足。
附图说明
图1是压电复合材料球壳径向振动谐振频率随直径变化曲线。
图2是压电复合材料球壳厚度振动谐振频率随厚度变化曲线。
图3是球壳压电复合材料制备工艺流程。
图4是球壳压电复合材料拼接方式示意图。
图5是匹配层注模工艺流程图。
图6是双频大尺寸压电复合材料球形换能器结构示意图。
图7是球形换能器的有限元仿真模型。
图8是球壳压电复合材料工作于低频时的电导曲线。
图9是球壳压电复合材料工作于高频时的电导曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
为使本发明更清晰易懂，下面分为三部分进行详细说明：1.设计制备大尺寸压电复合材料球壳；2.设计制备球面共形匹配层；3.设计制备球形换能器。
1.设计制备大尺寸压电复合材料球壳
大尺寸压电复合材料球壳是换能器实现双频工作的关键，也是现行曲面复合材料制备的难点。本实施例采用的压电复合材料为1-3型复合材料，首先说明压电复合材料球壳的结构设计内容，然后说明该复合材料球壳的具体制备步骤。
1.1压电复合材料球壳的结构设计
大尺寸压电复合材料球壳的振动包括径向、厚度两种模态，径向振动的谐振频率可在10khz以下，是换能器低频工作时的谐振频率；厚度振动的谐振频率一般在100khz以上，是换能器高频工作时的谐振频率。在设计压电复合材料球壳的结构时，这两个频率都必须进行相应的设计，它们分别与球壳的直径d和厚度t有关。
1.1.1低频谐振频率的设计——球壳直径d的设计
压电复合材料球壳的径向振动谐振频率(低频时的工作频率)可由压电元件的径向振动频率方程((1)式)获得。
式中fl为径向振动的谐振频率，d为复合材料球壳的外直径，柔性常数
由方程(1)可得径向振动的谐振频率随直径d变化的曲线，如图1所示。由图1可以看出，径向振动的谐振频率随直径d的增加，逐渐降低。根据换能器低频工作时的频率，即可计算出球壳的直径d。
1.1.2高频谐振频率的设计——球壳厚度t的设计
压电复合材料球壳的厚度振动谐振频率(高频时的工作频率)可由压电元件的厚度振动频率方程((2)式)获得。
式中fh为厚度振动的谐振频率，t为复合材料球壳的厚度，弹性常数
由方程(2)可得厚度振动的谐振频率随厚度t变化的曲线，如图2所示。由图2可以看出，厚度振动的谐振频率随厚度t的增加，逐渐降低。根据换能器高频工作时的频率，即可计算出球壳的厚度t。
1.2压电复合材料球壳制备工艺
本发明采用先由平面压电陶瓷片通过切割/填充/灌注的工艺成型曲面复合材料结构，再由曲面复合材料结构排布成型大尺寸压电复合材料球壳的制备工艺。工艺流程图如图3所示，具体步骤如下：
1)正极面切割压电陶瓷片：采用精密切割机对压电陶瓷片(形状可以为矩形或圆形)进行横向(x向)和纵向(y向)切割，切割出的陶瓷柱柱宽为a(本实施例中，陶瓷柱的端面是正方形，a是指正方形的边长)，切缝宽度为b，切深为t1(t1小于t，t为压电陶瓷片整体厚度)，形成带陶瓷基底的压电陶瓷柱阵列，如图3中“1)”所示；
2)填充柔性聚合物：清洗步骤1中的压电陶瓷柱阵列，并填充柔性聚合物(如硅橡胶)，如图3中“2)”所示；
3)反面对缝切割陶瓷基底：按照与第一步相同的陶瓷柱柱宽a和切缝宽度b，从反面对缝切割陶瓷基底，切深为t2(t2＝t-t1)，即保证把陶瓷基底透切，形成依靠柔性聚合物连接的柔性压电陶瓷柱阵列，如图3中“3)”所示；
4)压模弯曲：利用球面模具(模具的内表面直径与球壳的直径d相同)压模弯曲步骤3中柔性压电陶瓷柱阵列，以形成曲面形状的压电陶瓷柱阵列，如图3中“4)”所示；
5)灌注聚合物：向曲面状的瓷柱阵列的通过步骤3)反面对缝切割形成的切缝中灌注硬性聚合物(如环氧树脂)，并压模固化，如图3中“5)”所示；
6)脱模：待灌注的硬性聚合物固化后脱模，柔性瓷柱阵列便定型成了曲面压电复合材料结构，如图3中“6)”所示；
7)固定于定位工装：将曲面压电复合材料结构固定于定位工装中，定位工装的形状根据球壳拼接时所采用的拼接方式确定，如图3中“7)”所示，球壳的拼接方式见图4所示；
8)研磨或切割：根据定位工装的外形，采用切割或研磨的方式，将曲面结构加工成与定位工装相同外形的结构，如图3中“8)”所示；
9)被覆电极：在上一步加工后的曲面结构内外表面被覆电极材料，电极采用磁控溅射、丝网印刷或化学镀等方式制备，如图3中“9)”所示；
10)拼接球壳：在被覆完电极的曲面结构上，采用焊接导线或贴敷线路薄膜的方式引出电极。将做好电极引线的曲面结构，按一定的组合方式排布于球面共形背衬(背衬的直径为球壳的内直径，即为d-2t)上，并用粘接剂(如环氧树脂)粘接曲面结构的接缝以及曲面结构内表面与背衬的外表面的接触面，如图3中“10)”所示。最终形成大尺寸压电复合材料球壳，如图3中“11)”所示。
2.设计制备球面共形匹配层
2.1匹配层的参数及结构设计
球形换能器的匹配层采用与压电复合材料球壳共形的结构，即匹配层也是具有一定厚度的球壳。匹配层的材料参数有密度和声速，结构参数为其厚度tm。这些参数对换能器透声性、谐振频率和电导曲线有很大影响。根据声波在不同介质中反射和透射情况可以得知，当
其中：z1、z2、z3分别为陶瓷中声阻抗、匹配层材料声阻抗、水中声阻抗；l为匹配层材料的厚度，k2为声波在匹配层中的波矢量大小。当l＝λ/4，即匹配层厚度为1/4声波波长时，声波经过匹配层的透射系数最大。所以，一般匹配层厚度选取1/4波长固定不变或在1/4波长左右进行微调。
此外，当高频匹配层换能器中匹配层材料的声速及厚度一定时，由于匹配层材料密度变大，匹配层材料的质量随之增大，相当于换能器增大了自身的负载质量。所以换能器在水中的电导曲线会随匹配层密度的增加而降低，换能器在水中谐振点附近电导也逐渐降低。
当匹配层材料的密度、厚度一定时，根据高频匹配层换能器在水中的电导曲线随声速的变化(参见：童晖，周益明，王佳麟，翁汝莲.高频宽带换能器研究[j].声学技术，2013,32(6):525-527)可知，匹配层换能器具有两个峰值频率fh、fl，fh为较高的频率，fl为较低的频率，随着声速的增加，fl电导值增大，fh电导减小，当声速为一定值时，匹配层材料厚度等于1/4的波长时的声速，换能器具有最佳的带宽。随着声速的继续增加，fl电导值继续增大，fh电导继续减小，然而换能器的谐振点fh、fl基本保持不变。这主要是由于匹配层材料声速的变化直接改变了匹配层材料中声波的波长，同时影响换能器匹配层材料在不同频率下的透声系数。而匹配层材料声速取决于材料的杨氏模量与密度，它们之间关系式为：
其中v为匹配层声速，y0为匹配层杨氏模量，ρ为匹配层密度。所以通过调节匹配层杨氏模量和密度即可调节其声速，进而调节换能器性能。
当匹配层材料的密度、声速一定时，根据高频匹配层换能器在水中的电导曲线随厚度变化(参见：童晖，周益明，王佳麟，翁汝莲.高频宽带换能器研究[j].声学技术，2013,32(6):525-527)可以看出，随着匹配层材料厚度的增加，换能器水中谐振频率fh处的电导逐渐增大，fl处的电导逐渐减小，当匹配层厚度为1/4波长时，发生全透射，换能器具有较理想的电导曲线。随着厚度的继续增大，换能器水中电导曲线中的fh处的电导继续增大，fl处的电导继续减小。
综上所述，根据换能器性能随匹配层厚度、声速和密度的变化规律，为了保证匹配层具有良好透声性能，匹配层厚度一般选取1/4波长固定不变或在1/4波长左右进行微调；可以通过调节材料密度及杨氏模量来调节换能器性能，最终确定最优匹配层材料参数。
2.2匹配层的制备
根据2.1中得到的匹配层参数，选取恰当的材料作为配制匹配层的原材料，这里匹配层选用聚合物(如环氧树脂)添加金属(如铝粉)或氧化物(氧化钨)颗粒制备。通过调控金属或氧化物颗粒在聚合物中的比例即可控制材料的密度和杨氏模量，匹配层厚度tm选取在1/4波长附近。匹配层采用注模工艺制备，其制备工艺流程如图5示，包括以下步骤：
1)将复合材料球壳放入灌注模具中，如图5中“1”所示，其中“定位螺钉”的作用是固定复合材料球壳，使球壳表面每一点到模具内侧的距离相等，以使灌注的匹配层厚度均匀相等；
2)在灌注孔中灌注混料(即匹配层的材料，如添加有铝粉或钨粉的环氧树脂)，如图5中“2”所示，并固化匹配层；
3)脱模，形成带匹配层的敏感元件即复合材料球壳，如图5中“3”所示。
3.设计制作球形换能器
3.1换能器的结构
图6是双频大尺寸压电复合材料球形换能器结构，它包括大尺寸压电复合材料球壳、匹配层、背衬、电极引线、防水透声层和输出电缆，其中背衬在球壳内部，如图5所示。
3.2换能器的仿真验证
为了验证本发明的可行性，我们利用有限元分析软件ansys建立了未添加匹配层的大尺寸压电复合材料球形换能器的有限元仿真模型(图7)，根据球形换能器的对称性，这里取球形换能器上对应的16个平面单元进行建模。模型中球壳的直径d＝200mm，厚度t为7.2mm，压电陶瓷为pzt5-h，聚合物为环氧树脂和硅橡胶，硅橡胶厚度t1＝3mm。压电陶瓷采用三维耦合场单元solid5，聚合物相采用solid185三维结构分析单元，并在压电复合材料球壳内表面加载0v电压，外表面加载1v电压，进行谐响应分析，得到低频和高频的电导曲线(图8和图9)。由电导曲线可以看出，换能器在低频段和高频段分别出现了一个谐振峰，谐振频率分别为3.961khz和188khz，它们分别对应径向振动谐振频率fl和厚度振动谐振频率fh。
3.3换能器制作
根据理论计算结果，采用第1节中压电复合材料球壳的制备工艺，制备出复合材料球壳；采用第2节匹配层的制备工艺，在复合材料球壳外表面被覆球面共形匹配层；加工出定位螺钉和防水透声层灌注模具；电缆采用带有屏蔽线的防水电缆。装配时先将电极引线与输出电缆连接，再将定位螺钉与背衬粘接，最后将整套装配好的结构放置于防水透声层浇注模具中，配制聚氨酯胶封，固化形成球面共形的防水透声层，完成换能器制作。
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。
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