基于不同厚度的压电材料层的叠堆压电换能器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于不同厚度的压电材料层的叠堆压电换能器，压电材料层优选采用压电复合材料，如1-3型压电复合材料等，或者是压电陶瓷、压电单晶等传统压电材料。本发明专利技术的叠堆的压电材料振子，由于各压电材料层的厚度不同，各压电材料层的谐振频率不同，使得叠堆的压电材料振子存在多种模态即多个谐振频率。通过合理设计各压电材料层的厚度，使压电振子中各压电材料层的谐振频率相互靠近并耦合，在较宽的频率范围内同时工作，可以使其组合频率响应不产生间断和过深的凹谷，在这一频带内将形成复合多模振动，即能有效地拓展换能器的工作带宽，实现高频、宽带地收发声波。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水声探测
，具体涉及一种采用厚度不同的压电材料叠堆而成 的压电振子，将其应用于换能器中实现发射和接收水声信号从而实现水中探测。
技术介绍
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。 压电振子是换能器的核心部件，振子的性能决定着换能器的工作性能，因此，要想 制作高性能的水声换能器，首先要提高压电振子的性能。在制作压电振子的材料中，压电复 合材料因其声阻抗小、带宽大、机械品质因数高等优点被广泛应用。压电复合材料是由压电 材料、聚合物、金属等通过复合工艺制成的一种多相材料，复合材料中的每个相可以以〇、1、 2、或3维方式自我连通。目前的复合材料有1-3型、3-1型、3-2型、3-3型、0-3型、2-2型复 合材料，以及月牙和帽状金属-压电陶瓷晶片，其中1-3型压电复合材料应用最为广泛。现 有的1-3型复合材料压电换能器主要有以下几种： 1、1-3型压电复合材料换能器 1-3型压电复合材料换能器（陈俊波，王月兵，仲林建，1-3型压电复合材料和普通 PZT换能器性能对比分析，声学与电子工程，2007, to 1. 87 (3) : 25-27)通过切割-填充法制 备了 1-3型压电复合材料，并分别用两片相同尺寸的1-3型压电复合材料和PZT陶瓷片制 作成活塞型换能器。换能器的压电元件选用厚度为9_、直径为42. 7_的圆片，用去耦材料 固定，并安装在金属外壳内，辐射面用聚氨酯灌封。经测量得到了两种换能器在空气中和水 中的导纳曲线，水中发送电压响应、接收灵敏度和指向性曲线。通过对比分析，得出1-3型 压电复合材料换能器比普通PZT压电换能器的收发性能有明显改善。由于1-3型换能器横 向耦合小，故呈现出单一的厚度谐振，带宽变宽。 2、1-3型压电复合材料宽带水声换能器 1-3型压电复合材料宽带水声换能器（张凯，蓝宇，李琪，1-3型压电复合材料宽带 水声换能器研究，声学学报，2011，Vol. 36(6)，631-637)采用厚度振动模态理论、横向模态 理论和有限元方法对1-3型压电复合材料换能器进行研究，应用ANSYS软件建立换能器的 有限元模型，然后进行结构优化，最终制作了一个利用厚度振动模态和一阶横向模态模态 的1-3型压电复合材料宽带换能器。其工作带宽为190-390kHz。研究结果表明，利用厚度 振动模态和一阶横向模态可以拓展1-3型压电复合材料换能器的带宽。 3、单晶复合材料宽带换能器 在文献（S. Cochran, M. Parker, and P. Marin-Franch，Ultrabroadband single crystal composite transducers for underwater ultrasound， IEEE Ultrasonics Symposium，2005, 231-234)中，英国学者S. Cochran等人利用PMN-PT单晶制作复合材料，并 在复合材料上添加匹配层制作单晶复合材料宽带换能器。制成的单晶复合材料换能器_3dB 相对带宽为125%，与理论计算的135%相近。单晶复合材料换能器与传统的陶瓷复合材料 换能器相比，带宽增加了近四倍。 综上，在拓展换能器带宽的方法中，第一种在传统压电材料中灌注聚合物能够拓 展带宽，但其拓展带宽的能力有限；第二种利用厚度振动与横向振动耦合亦能增大带宽，但 是振子的尺寸不容易控制，制作起来较困难。第三种在压电复合材料上添加匹配层，带宽能 够显著增大，但匹配层的性能会随着时间的变化而改变，从而使得换能器性能不稳定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述问题，提供一种由不同厚度的压电材料叠堆而成的压 电换能器，以拓展高频换能器的宽带。 为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案： -种压电换能器，包括叠堆的具有不同厚度的压电材料层，各压电材料层的谐振 频率相互靠近并耦合。 进一步地，所述压电材料层采用的压电材料优选为压电复合材料，此外也可以是 压电陶瓷、压电单晶等传统压电材料。 进一步地，所述压电复合材料是1-3型压电复合材料，2-2型复合材料，0-3型复 合材料等，在压电复合材料中，压电相材质为压电陶瓷或压电单晶，聚合物相材质为环氧树 月旨、聚氨酯、硅橡胶等。 进一步地，所述压电材料层的上下表面被覆电极层，所述电极的材料为金、银、导 电月父等。 进一步地，所述叠堆的具有不同厚度的压电材料层由两片或多片不同厚度的压电 材料层粘接而成。 进一步地，所述叠堆的具有不同厚度的压电材料层由平面形状的压电材料叠堆而 成，或者由曲面形状（如圆弧状）的压电材料叠堆而成。 进一步地，所述压电材料层的厚度t为2~10mm，各压电材料层的厚度差At为 0 ~Imm0 本专利技术的叠堆压电材料振子，由于各压电材料层的厚度不同，各压电材料层的谐 振频率不同，使得叠堆的压电材料振子存在多种模态（多个谐振频率）。通过合理设计各压 电材料层的厚度，使压电振子中各压电材料层的谐振频率相互靠近并耦合，在较宽的频率 范围内同时工作，可以使其组合频率响应不产生间断和过深的凹谷，在这一频带内将形成 复合多模振动，即能有效地拓展换能器的工作带宽，实现高频、宽带地收发声波。【附图说明】 图1为实施例中换能器的结构示意图。 图2为实施例中1-3型复合材料的结构示意图。 图3为实施例中1-3型压电复合材料制作流程的示意图。 图4为实施例中两片不同厚度的压电复合材料叠堆的示意图。 图5为实施例中压电振子侧面的示意图（两层结构）。 图6为实施例中不同厚度压电复合材料的谐振频率耦合示意图。 图7为实施例中两片叠堆复合材料压电振子在空气中的谐振频率和带宽性能示 意图。 图8为实施例中I号压电振子制作成的换能器的发送电压响应曲线图。 图9为实施例中三片不同厚度复合材料叠堆的示意图。 图10为实施例中压电振子侧面的示意图（三层结构）。 图11为实施例中三片叠堆复合材料压电振子在空气中的谐振频率和带宽性能示 意图。 图12为实施例中两片不同厚度陶瓷片叠堆的电导曲线图。 图13为实施例中两片不同厚度单晶片叠堆的电导曲线图。 图14为实施例中不同厚度的圆弧状压电材料叠堆结构示意图。 图中符号说明：1.压电相；2.聚合物相；3.压电基底；4.粘接层；5.电极；tp t2、 $、I3〗为压电复合材料厚度。【具体实施方式】 下面通过具体实施例并配合附图，对本专利技术做详细的说明。 实施例1 :两片不同厚度的复合材料叠堆 图1为本实施例中两片复合材料叠堆换能器的结构示意图。如该图所示，该换能 器包括两片不同厚度的1-3型压电复合材料，即图中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电换能器，其特征在于，包括叠堆的具有不同厚度的压电材料层，各压电材料层的谐振频率相互靠近并耦合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谷传欣，李汶洁，秦雷，仲超，王丽坤，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11