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1、(10)申请公布号 CN 104217710 A (43)申请公布日 2014.12.17 CN 104217710 A (21)申请号 201410415018.8 (22)申请日 2014.08.21 G10K 9/12(2006.01) (71)申请人 中国船舶重工集团公司第七一五研 究所 地址 310023 浙江省杭州市西湖区留下街道 屏峰 715 号 (72)发明人 张凯 胡青 陈扬威 彭康宜 (74)专利代理机构 杭州九洲专利事务所有限公 司 33101 代理人 陈继亮 (54) 发明名称 32 模式单晶纵振换能器及制备方法 (57) 摘要 本发明涉及一种 32 模式单晶纵振换能器。
2、及 制备方法， 主要包括换能器振子、 防水透声层、 去 耦橡胶、 金属外壳和防水电缆， 所述的换能器振 子被包裹于去耦橡胶内， 且换能器振子的上端灌 注有防水透水层， 该组合成的装置外层包裹有一 层金属外壳 ； 所述的防水电缆位于金属外壳的底 部， 贯穿于金属外壳底部且直至嵌入于去耦橡胶 内 ； 在铍前盖板端面灌注 2mm 厚的聚氨酯胶层， 构 成防水透声层。本发明的有益效果为 ： 结构简单、 工艺可靠、 轴向尺寸约为同频段工作的普通压电 陶瓷纵振换能器的1/3、 工作带宽约为2.5个倍频 程。其小尺寸、 宽带特性可以减小基阵重量尺寸， 适用于 UUV 等小平台声纳设备。 (51)Int.Cl。
3、. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104217710 A CN 104217710 A 1/1 页 2 1. 一种 32 模式单晶纵振换能器， 其特征在于 ： 主要包括换能器振子 (6)、 防水透声层 (7)、 去耦橡胶 (9)、 金属外壳 (8) 和防水电缆 (10)， 所述的换能器振子 (6) 被包裹于去耦橡 胶 (9) 内， 且换能器振子 (6) 的上端灌注有防水透水层 (7)， 该组合成的装置外层包裹有一 层金属外壳 (8) ； 所述的防水电缆。
4、 (10) 位于金属外壳 (8) 的底部， 贯穿于金属外壳 (8) 底 部且直至嵌入于去耦橡胶 (9) 内 ； 其中所述的换能器振子 (6) 由铍前盖板 (1)、 压电驱动单 元 (2)、 钨合金后盖板 (3)、 螺母 (4) 和钛预应力螺杆 (5) 组成， 3 片压电驱动单元 (2) 沿圆 周方向成 120 度排列， 压电驱动单元 (2) 在铍前盖板 (1) 和钨合金后盖板 (3) 之间， 通过螺 母 (4) 和钛预应力螺杆 (5) 将铍前盖板 (1)、 压电驱动单元 (2) 和钨合金后盖板 (3) 锁紧 ； 在铍前盖板 (1) 端面灌注 2mm 厚的聚氨酯胶层， 构成防水透声层 (7)。 。
5、2. 根据权利要求 1 所述的 32 模式单晶纵振换能器振子， 其特征在于 ： 所述的压电驱动 单元 (2) 采用 32 模式的压电单晶片， 即在 Z 方向施加交变电压， 在 Y 方向产生振动位移。 3. 一种采用如权利要求 1 所述的 32 模式单晶纵振换能器的制备方法， 其特征在于 ： 该 方法包括如下步骤 ： (1)、 将钛预应力螺杆 (5) 与铍前盖板 (1) 用螺纹固定， 并用 504 胶粘接螺纹， 常温固 化 ； (2)、 将环氧树脂胶涂抹于铍前盖板(1)与压电驱动单元(2)、 压电驱动单元(2)与钨合 金后盖板 (3) 的接触面上 ； (3)、 装配铍前盖板 (1)、 压电驱动单。
6、元 (2)、 钨合金后盖板 (3)、 螺母 (4) 和钛预应力螺 杆 (5) 构成换能器振子 (6) ； (4)、 沿换能器轴向给压电驱动单元 (2) 施加 20MPa 的压力， 并用套筒扳手将螺母 (4) 拧紧 ； (5)、 放入 80 度烘箱中固化 4 小时 ； (6)、 用高温镀银导线将 3 片压电驱动单元 (2) 按照电并联的方式焊接在一起 ； (7)、 将换能器振子 (6) 装入金属外壳 (8) 中， 在铍前盖板 (1) 端面灌注 2mm 厚的聚氨 酯胶层， 构成防水透声层 (7)。 权 利 要 求 书 CN 104217710 A 2 1/4 页 3 32 模式单晶纵振换能器及制备。
7、方法 技术领域 0001 本发明涉及水声换能器技术领域， 是一种 32 模式单晶纵振换能器及制备方法。 背景技术 0002 在利用和开发海洋事业中， 人们广泛地利用水声。水声的应用构成了声纳的工程 学科， 而以这种或那种形式利用水声的系统叫做声纳系统。水声换能器是声纳系统的重要 组成部分。换能器一般都是指电声换能器， 凡能实现电能和声能间相互转换的换能器都称 为电声换能器， 用来发射声波的换能器叫发射器。用来接收声波的换能器叫接收器。一般 情况下， 换能器既能用来发射， 也能用来接收。 0003 在 UUV 的声纳应用中， 由于 UUV 安装平台的空间有限、 电池能量有限， 因此迫切需 要基阵。
8、的重量轻、 尺寸小， 这就对换能器的尺寸和重量提出了更高的要求， 从而最终降低 UUV 电源能耗、 保证 UUV 的续航里程。 0004 宽频带发射换能器具有很多优点。在水声对抗中， 运用宽频带换能器构成的宽带 阵， 在多个频率点进行收发， 可以提高抗干扰能力， 使命中率大大提高。在 UUV 平台上使用 的声纳中， 可以利用一个宽频带发射换能器代替多个单频发射换能器来实现多个频点的发 射， 从而减少换能器的数量、 重量和体积， 节约了UUV的电池能量， 从而保证了UUV的航行里 程。 0005 因此， 开发研制低频、 小尺寸、 宽带的水声换能器是各种小平台声纳应用提出的必 然要求， 是亟待解决。
9、的科学技术问题。 0006 弛豫铁电单晶是铌镁酸铅 (PMN) 或铌锌酸铅 (PZN) 与钛酸铅 (PT) 的固溶体。与 压电陶瓷相比， 单晶材料的杨氏摸量是压电陶瓷的 1/5， 因此单晶纵振换能器的长度比压电 陶瓷纵换能器的长度小 1/2 ； 单晶换能器的机电耦合系数接近 90， 单晶换能器的带宽比 压电陶瓷换能器大 1 倍。因此弛豫铁电单晶材料非常适合研制低频、 小尺寸、 宽带的水声换 能器。 发明内容 0007 本发明的目的在于克服现有技术存在的不足， 而提供一种 32 模式单晶纵振换能 器及制备方法， 该换能器可以应用于 UUV 等小平台安装声纳， 该换能器具有工艺简单可靠、 纵向尺寸。
10、小、 带宽较宽的优点， 其工作频带宽度可以达到 2.5 个倍频程。 0008 本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种 32 模式单晶纵振换能器， 主要 包括换能器振子、 防水透声层、 去耦橡胶、 金属外壳和防水电缆， 所述的换能器振子被包裹 于去耦橡胶内， 且换能器振子的上端灌注有防水透水层， 该组合成的装置外层包裹有一层 金属外壳 ； 所述的防水电缆位于金属外壳的底部， 贯穿于金属外壳底部且直至嵌入于去耦 橡胶内 ； 其中所述的换能器振子由铍前盖板、 压电驱动单元、 钨合金后盖板、 螺母和钛预应 力螺杆组成， 3 片压电驱动单元沿圆周方向成 120 度排列， 压电驱动单元在铍前盖板和钨。
11、合 金后盖板之间， 通过螺母和钛预应力螺杆将铍前盖板、 压电驱动单元和钨合金后盖板锁紧 ； 说 明 书 CN 104217710 A 3 2/4 页 4 在铍前盖板端面灌注 2mm 厚的聚氨酯胶层， 构成防水透声层。 0009 所述的压电驱动单元采用 32 模式的压电单晶片， 即在 Z 方向施加交变电压， 在 Y 方向产生振动位移。 0010 本发明所述的这种 32 模式单晶纵振换能器的制备方法， 该方法包括如下步骤 ： 0011 1、 将钛预应力螺杆与铍前盖板 1 用螺纹固定， 并用 504 胶粘接螺纹， 常温固化 ； 0012 2、 将环氧树脂胶涂抹于铍前盖板与压电驱动单元、 压电驱动单元。
12、与钨合金后盖板 的接触面上 ； 0013 3、 装配铍前盖板、 压电驱动单元、 钨合金后盖板、 螺母和钛预应力螺杆构成换能器 振子 ； 0014 4、 沿换能器轴向给压电驱动单元施加 20MPa 的压力， 并用套筒扳手将螺母拧紧 ； 0015 5、 放入 80 度烘箱中固化 4 小时 ； 0016 6、 用高温镀银导线将 3 片压电驱动单元按照电并联的方式焊接在一起 ； 0017 7、 将换能器振子装入金属外壳中， 在铍前盖板端面灌注 2mm 厚的聚氨酯胶层， 构 成防水透声层。 0018 本发明的有益效果为 ： 结构简单、 工艺可靠、 轴向尺寸约为同频段工作的普通压电 陶瓷纵振换能器的 1/。
13、3、 工作带宽约为 2.5 个倍频程。其小尺寸、 宽带特性可以减小基阵重 量尺寸， 适用于 UUV 等小平台声纳设备。 附图说明 0019 图 1 为 32 模式单晶纵振换能器振子的结构示意图。 0020 图 2 为 32 模式压电振子的工作示意图。 0021 图 3 为 32 模式单晶纵振换能器的结构示意图。 0022 图 4 为 32 模式单晶纵振换能器的发送电压响应曲线示意图。 0023 附图中的标号分别为 ： 铍前盖板 1、 压电驱动单元 2、 钨合金后盖板 3、 螺母 4、 钛预 应力螺杆 5、 换能器振子 6、 防水透声层 7、 金属外壳 8、 去耦橡胶 9、 防水电缆 10。 具。
14、体实施方式 0024 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明 ： 0025 如图 1-4 所示， 这种 32 模式单晶纵振换能器， 主要包括换能器振子 6、 防水透声层 7、 去耦橡胶 9、 金属外壳 8 和防水电缆 10， 所述的换能器振子 6 被包裹于去耦橡胶 9 内， 且 换能器振子 6 的上端灌注有防水透水层 7， 该组合成的装置外层包裹有一层金属外壳 8 ； 所 述的防水电缆 10 位于金属外壳 8 的底部， 贯穿于金属外壳 8 底部且直至嵌入于去耦橡胶 9 内 ； 其中所述的换能器振子 6 由铍前盖板 1、 压电驱动单元 2、 钨合金后盖板 3、 螺母 4 和钛 预应力螺杆 5 。
15、组成， 铍前盖板 1、 压电驱动单元 2 和钨合金后盖板 3 构成了振子的主体， 螺 母 4 和钛预应力螺杆 5 是纵振换能器振子预应力施加结构。3 片压电驱动单元 2 沿圆周方 向成 120 度排列， 压电驱动单元 2 在铍前盖板 1 和钨合金后盖板 3 之间， 通过螺母 4 和钛预 应力螺杆 5 将铍前盖板 1、 压电驱动单元 2 和钨合金后盖板 3 锁紧 ； 在铍前盖板 1 端面灌注 2mm 厚的聚氨酯胶层， 构成防水透声层 7。所述的压电驱动单元 2 采用 32 模式的压电单晶 片， 即在 Z 方向施加交变电压， 在 Y 方向产生振动位移。 说 明 书 CN 104217710 A 4。
16、 3/4 页 5 0026 其中， 铍前盖板 1， 需采用重量轻、 硬度硬的铍材料。压电驱动单元 2， 需采用具有 压电性能高的弛豫铁电单晶材料 ； 钨合金后盖板 3， 需采用重量重、 硬度硬的钨合金材料 ； 钛预应力螺杆 5 为预应力螺杆， 需采用顺性好的钛合金材料。 0027 上述技术方案中， 铍前盖板 1 在压电驱动单元 2 的前端， 与水接触， 将换能器的机 械振动转化为声辐射能量。采用重量轻的铍材料可以增大铍前盖板 1 的振动位移， 从而提 高换能器辐射声能量 ； 采用硬度硬的材料可以避免铍前盖板 1 的弯曲振动， 消除铍前盖板 1 产生反相振动抵消辐射声能量的影响， 从而保证换能器。
17、的宽带发射特性。 0028 上述技术方案中， 钨合金后盖板 3 在压电驱动单元 2 的后端， 采用重量重、 硬度硬 的钨合金材料， 可以减弱钨合金后盖板 3 的振动位移， 避免换能器振子的振动能量向后传 递， 从而保证声能量从铍前盖板 1 辐射到水中。 0029 上述技术方案中， 螺母 4 和钛预应力螺杆 5 将铍前盖板 1、 压电驱动单元 2 和钨合 金后盖板 3 锁紧， 起到了施加预应力的作用。 0030 上述技术方案中， 所述的压电驱动单元 2 除了可以采用弛豫铁电单晶材料外， 还 可以采用其他具有压电效应的换能材料， 例如 ： 压电单晶体、 压电陶瓷等。 0031 上述技术方案中， 防。
18、水透声层 7， 可以采用聚氨酯橡胶、 氯丁橡胶、 丁基橡胶。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、 短路而导致换能器件的损坏。 同时材料 7 的特性阻抗需与水匹配， 声衰减系数低， 并且保证换能器与水介质之间具有良 好的声能传递。 0032 上述技术方案中， 去耦橡胶 9 为软木橡胶， 它是一种去耦材料， 与相邻两边介质 ( 例如 ： 压电陶瓷、 金属等 ) 的特性阻抗失配， 它的衰减系数较大， 起到了隔声作用， 插入损 失很大， 声波不会通过。这样保证了声波只能从上表面辐射到水介质中。 0033 本发明所述的这种 32 模式单晶纵振换能器的制备方法， 该方法包括如下。
19、步骤 ： 0034 1、 将钛预应力螺杆 5 与铍前盖板 1 用螺纹固定， 并用 504 胶粘接螺纹， 常温固化 ； 0035 2、 将环氧树脂胶涂抹于铍前盖板1与压电驱动单元2、 压电驱动单元2与钨合金后 盖板 3 的接触面上 ； 0036 3、 按照图1所示的结构装配换能器， 装配铍前盖板1、 压电驱动单元2、 钨合金后盖 板 3、 螺母 4 和钛预应力螺杆 5 构成换能器振子 6 ； 0037 4、 利用千斤顶沿换能器轴向给压电驱动单元 2 施加 20MPa 的压力， 用套筒扳手将 螺母 4 拧紧后释放千斤顶压力 ； 0038 5、 放入 80 度烘箱中固化 4 小时 ； 0039 6、。
20、 用高温镀银导线将 3 片压电驱动单元 2 按照电并联的方式焊接在一起 ； 0040 7、 将换能器振子 6 装入金属外壳 8 中， 在铍前盖板 1 端面灌注 2mm 厚的聚氨酯胶 层， 构成防水透声层 7， 最终完成了 32 模式单晶纵振换能器的制作。 0041 本发明的工作原理是采用 32 模式振动的压电单晶片作为驱动源， 前盖板采用轻 而硬的铍金属材料， 后盖板采用重而硬的钨合金金属材料， 利用前盖板大的振动位移， 同时 利用单晶片的高机电耦合系数的特点， 从而产生宽频带的声发射响应， 其发送电压响应曲 线如图4所示。 图4为该实施例实测的发送电压响应曲线。 从图中可以看出-7dB频带宽度 从16kHz91kHz， 约为2.5个倍频程， 通带内发射电压响应最大值为136dB(0dBref ： 1Pa/ V)。 说 明 书 CN 104217710 A 5 4/4 页 6 0042 除上述实施例外， 本发明还可以有其他实施方式， 凡采用等同替换或等效变换形 成的技术方案， 均落在本发明要求的保护范围。 说 明 书 CN 104217710 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104217710 A 7 2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104217710 A 8 。