一种施加预应力的叠堆压电圆管换能器制造技术

本发明专利技术提供一种施加预应力的叠堆压电圆管换能器，包括内衬管，套装在所述内衬管外部的叠堆多层压电圆管，以及对所述叠堆多层压电圆管施加预应力的装置。本发明专利技术采用多个叠堆压电圆管叠堆，振子的振动为多个圆管径向振动的迭加，以提高换能器的灵敏度；由于各圆管的半径不等，各管的谐振频率不同，使得换能器振动系统存在多种振动模态，可扩展换能器的工作频带；应用柱状圆管的结构，使换能器可获得水平全向的波束指向性；采用玻璃纤维缠绕叠堆压电圆管，施加预应力提高压电换能器可承载功率，进而提高换能器的可靠性。

Stacked piezoelectric cylindrical tube transducer applying prestress

The invention provides a pre-stressed stack piezoelectric cylindrical transducer, including inner liner, liner set in the internal and external stack multiple piezoelectric tube, as well as on the stack of multiple piezoelectric tube device of prestress. The invention adopts a plurality of stacked piezoelectric cylindrical tube stack, the vibration of the vibrator for multiple tube radial vibration superposition, in order to improve the sensitivity of the transducer; due to the unequal radius of tube, the tube with different resonant frequencies, the transducer system has many kinds of vibration modes, can expand the bandwidth of a transducer application of cylindrical tube; the beam structure, make the transducer can obtain Omni directivity; using glass fiber winding stack piezoelectric tube, pre-stressed piezoelectric transducer can improve power load, and improve the reliability of the transducer.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水声探测
，具体涉及一种采用多层压电陶瓷圆管加预应力叠堆构成水中探测的换能器，以实现水声信号的发射和接收。该换能器可广泛应用于水下通信、探测、目标定位、跟踪等，是声纳使用的重要部件。
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。各种水声换能器中，圆柱型压电换能器由于沿半径方向有均匀的指向性，灵敏度较高，且结构简单，因而广泛用于水声技术、超声技术、海洋开发和地质勘探中。现有的圆柱型压电换能器主要有以下几种：(1)圆柱型压电陶瓷水声换能器圆柱型压电陶瓷水声换能器的换能元件为压电陶瓷圆管，其极化方向常沿着半径方向。当换能器工作于发射状态时，压电陶瓷圆管在电场的作用下，借助反向压电效应，发生伸张或收缩，从而向媒质发射声波。当换能器工作于接收状态时，压电陶瓷圆管在声信号的作用<br>下发生伸张或收缩，借助正向压电效应，转换为电信号输出。压电陶瓷圆管水听器（栾桂冬，张金铎，王仁乾，压电换能器和换能器阵，修订版，北京大学出版社，2005）就是其中一种，其压电振子由几个压电陶瓷圆管串接构成，各圆管之间用橡胶衬垫隔离，管内填充反射材料或吸声材料，外部硫化一层透声橡胶或浇注一层透声聚氨酯。若需要增加水听器的灵敏度，可在金属套管内装配前置放大器。该水听器仅用于接收声信号，工作频率通常在100kHz以下。(2)多层圆柱型换能器多层圆柱型换能器（曹承伟，多层有限高度圆柱型水声换能器的研究，声学学报，1988，vol.13（6），424-431.）是一种基于压电陶瓷圆管的多层结构，主要由压电陶瓷管、油层、金属圆柱壳、端盖板、低声阻材料、橡胶等构成。换能器置于无限大水域中，其中低声阻材料声压为零，压电陶瓷圆管采用径向极化。这种换能器的共振频率低，可达十几kHz，带宽大，但灵敏度有限。(3)复合管状压电超声换能器复合管状压电超声换能器（刘世清，姚哗，复合管功率超声压电换能器的径向振动特性，机械工程学报，2008,vol.44(10):239-244）是在压电陶瓷管外部加金属预应力管。文献“刘世清，姚哗，复合管功率超声压电换能器的径向振动特性，机械工程学报，2008,vol.44(10):239-244”中记载的径向复合短圆管压电超声换能器内部为径向极化压电陶瓷薄壁短圆管，外部为金属短圆管，两者通过热处理方式径向紧密结合在一起，金属圆管对压电陶瓷管施加相当大径向预应力，使之可工作于大功率径向振动状态。压电陶瓷圆管的管壁厚度远小于其直径，换能器长度小于管的直径，即换能器径长比较大，或称短圆管换能器。若对换能器施加的径向激励电压频率可使换能器的径向振动达到机械谐振状态，此时，换能器的厚度及长度方向振动将很弱，可以忽略，而只考虑其半径方向的伸缩振动。对加预应力管的复合管压电换能器，存在最大有效预应力，它取决于金属管内外半径比及其材料性质。从金属铝材料下的换能器的共振频率曲线看，换能器的共振频率在二十几kHz左右，如果金属铝圆管改为铜材料，换能器共振频率能略有提高。另一类常用的水声换能器是叠堆晶片换能器，它采用叠堆晶片制作，具有发射电压响应（发射灵敏度）高，体积小，重量轻等特点，可产生大的声能密度，常用作大功率水声信号发射。目前，这类换能器主要有以下几种。(1)复合棒压电换能器复合棒压电换能器也称为夹心式压电换能器或喇叭形压电换能器（Inoue,T.;Nada,T.;Tsuchiya,T.;Nakanishi,T.Tonpilzpiezoelectricerswithacousticmatchingplatesforunderwatercolorimagetransmission,IEEETrans.Ultrason.Ferroelect.,Freq.Contr.,Vol.40.2,1993;QingshanYao;Lyngby.Broadbandtonpilzunderwateracoustictransducersbasedonmultimodeoptimization,IEEEVFFC.Vol.44.5,1997）。它是一种常用的大功率发射换能器，用作接收亦有较高的灵敏度。复合棒压电换能器由多个相同的压电陶瓷圆环，机械上串联电路上并联叠堆胶合构成压电振子，当在振子上施加交变电压时，振子将产生轴向伸缩振动（纵振模态），由于前盖板较后盖板轻，振子将推动前盖板振动，从而向外辐射声波。预应力螺钉用于固定前盖板、晶片堆及后盖板，同时在晶片堆上施加一定的预应力，以使晶片间及振子与前后盖板之间有良好的振动传递。金属节板将振子固定在外壳或支架上。由于采用多个晶片叠堆，振子的振动为各晶片振动的迭加，因而可产生较大的能量密度，即这种换能器的灵敏度较高。又由于压电陶瓷纵振模态频率较高，而且其发射头为喇叭状，因此这种换能器主要工作在中高频率段（几十kHz～几百kHz），其发射指向性图的波束宽度（开角）较小。(2)双端发射复合棒压电换能器（Janustransducer）Janus换能器，即双端纵振动换能器（FitzgeraldJamesW.UnderwaterElectroacousticTransducers,ProeTransducersSonicUltrason,Orlando,Bath,U.K,FL,1991,J.N.Decarpigny;J.C.Debus1;B.Tocquet;D.Boucher.In-airanalysisofPiezoelectrictonpilztransducersinawidefrequencybandusingamixedfiniteelement-planewavemethod.J.Acoust.Soc,Amer.,Vol.78,No.5,1985），是双面对称发射的复合棒压电换能器。其两端质量块为同材质的轻金属，振子的振动可通过两端辐射声波。其优点是结构紧凑，设计简单；功率重量比好，能发射中、高功率；与支撑结构有较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于，包括内衬管，套装在所述内衬管外部的叠堆多层压电圆管，以及对所述叠堆多层压电圆管施加预应力的装置。

【技术特征摘要】
1.一种施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于，包括内衬管，套装在所述内衬管外
部的叠堆多层压电圆管，以及对所述叠堆多层压电圆管施加预应力的装置。
2.如权利要求1所述的施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于：所述压电圆管为压
电陶瓷或压电单晶。
3.如权利要求1所述的施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于：所述叠堆多层压电
圆管中相邻压电圆管的极化方向相反，各压电圆管在电学上并联，内外壁被覆电极层。
4.如权利要求1所述的施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于：所述叠堆多层压电
圆管由多层压电管壳同轴粘扣在所述内衬管外壁构成，内层内衬管为一个完整圆管，其余
各层压电陶瓷圆管由两个半圆管对接而成，各层压电圆管的厚度相同，半径由内向外依次
增加，相邻层的压电圆管中内层圆管的外径与外层圆管的内径近似相同，内衬管与压电圆
管的高度相同，整个管层由内向外逐个粘接叠堆。
5.如权利要求1所述的施加预应力的叠堆压电圆管换能器，其特征在于：所述内衬管采用冷
胀热缩材料制成，其厚度为0.3mm～3mm；所述叠堆多层压...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽坤，秦雷，张彬，仲超，
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