【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种收发一体榫卯型水声换能器，属于压电材料及其传感器领域。
技术介绍
1、水声换能器是一种能够将声波信号与电信号相互转换的设备，广泛应用于水下探测、通信、测量和监测等领域。其工作原理是通过振动元件将电信号转换为声波，并将声波返回转换为电信号。水声换能器在海洋科学、军事探测、环境监测等方面发挥着重要作用，随着科技进步和应用需求的不断增加，对其性能提出了更高的要求。
2、在水声换能器的设计与制造中，1-3型压电复合材料因其优异的电声性能而备受瞩目。这种复合材料由压电陶瓷与聚合物二相结合，具备以下几大优点：首先，1-3型压电复合材料具有高机电耦合系数，能够有效提高换能器声能的转换效率；其次，该材料具有高稳定性，能够在不同环境条件下保持良好的性能，适应水下复杂的使用环境；此外，1-3型复合材料的低声阻抗特性使其在水中能够有效降低声波反射，提高信号传输的有效性。因此，这些优点使得1-3型压电复合材料常被用于开发高性能的水声换能器。
3、然而，目前的1-3型水声换能器在实际应用中仍存在一些不足之处，尤其是在发射带宽和换能器发射、接收的集成性方面。传统的水声换能器多为单一功能，即只能用于发射或接收，导致系统在进行复杂信号处理时效率低下，性能受限。现有的换能器发射带宽较小，限制了其在宽频率范围内的应用能力，这在某些需要高精度定位和探测的场景中尤为突出。因此，亟需开发出将发射和接收功能集成于一体的新型水声换能器，以提高整体性能和应用灵活性。通过创新材料与设计理念，将发射和接收功能进行有效整合，能够实现更高的系
4、总之，随着技术的进步，水声换能器的设计与制造面临着新的机遇和挑战，尤其是在材料选择与功能集成方面。未来的研究应聚焦于提升1-3型水声换能器的发射带宽和集成性，以满足日益增长的市场需求和应用场景。
技术实现思路
1、为了解决现有1-3型水声换能器发射带宽低、发射和接收集成性低等问题，本专利技术提供一种收发一体榫卯型水声换能器，采用榫卯形压电模块作为敏感单元，可同时兼备宽带发射和高灵敏接收性能。所述榫卯形压电模块由榫形单元和卯形单元组成，两个单元厚度相近且沿厚度方向层叠复合，具有耦合的双谐振峰电学性能，从而达到提高发射带宽目的。所述榫卯形压电模块均含有气隙单元，由于气隙单元不含任何聚合物材料，压电柱间耦合可降至最低，能够使换能器具有高灵敏接收性能。
2、本专利技术是通过如下技术方案实现的：
3、本专利技术公开的一种收发一体榫卯型水声换能器，包含榫卯形压电模块、背衬层、多芯线缆、后端盖和水密层。
4、榫卯形压电模块主要由榫形单元、卯形单元、电极单元和橡胶单元组成。
5、榫形单元中间部分矩阵的高度高于外围矩阵高度，高出部分称为刚性榫头模块；其余部分称为气隙单元；刚性聚合物填充在刚性榫头模块阵列间；榫形单元端面覆盖电极单元；刚性榫头模块上覆盖第一电极板；气隙单元覆盖第二电极板；上述电极单元分别用引线导出。
6、卯形单元中间部分矩阵的高度低于外围矩阵高度，凹陷部分称为刚性卯眼模块；其余部分称为气隙单元；刚性聚合物填充在刚性卯眼模块阵列间；卯形单元端面覆盖电极单元；刚性卯眼模块上覆盖第一电极板；气隙单元覆盖第二电极板；上述电极单元分别用引线导出。
7、榫形单元与卯形单元通过橡胶单元进行连接；刚性榫头模块与刚性卯眼模块通过橡胶单元沿纵向堆叠后，实现多模带宽拓展。
8、背衬层固定在榫卯形压电模块底部，起到支撑压电模块和吸收杂波作用；多芯线缆固定在背衬层底部，一端连接上述全部引线，另一端从后端盖槽孔内侧引出。
9、水密层包裹榫卯形压电模块、背衬层以及后端盖的顶端面。
10、作为优选，刚性榫头模块和刚性卯眼模块作为换能器的发射单元，实现换能器的高机械强度宽带发射；榫形单元和卯形单元的气隙单元作为换能器的接收单元，用于换能器的高灵敏接收，满足换能器收发一体功能；
11、作为优选，所述榫形单元和卯形单元的材料选用pzt陶瓷或pmn-pt单晶，以保证高强度发射和高灵敏度接收性能；且阵列内的小柱具有完全相同的结构参数。
12、作为优选，所述刚性聚合物材料为环氧树脂或pmma材料，用于将所述压电阵列间的小柱分离同时提高所述压电阵列的稳定性和抗压性。
13、作为优选，所述刚性榫头模块和刚性卯眼模块中的压电小柱的高宽比不低于4：1；压电小柱宽度与阵列间隙宽度的比值在0.24～0.35之间，以保证压电相的体积分数控制在材料的高机电转换能力范围。
14、作为优选，所述榫形单元和卯形单元沿厚度方向叠堆，其中刚性榫头模块凸起的部分应与刚性榫头结构凹陷的部分完全契合。
15、作为优选，所述橡胶单元采用低杨氏模量的解耦材类橡胶制作；所述连接单元的厚度均不超过1mm，且外形尺寸与所述榫形单元和卯形单元适配。
16、作为优选，所述电极单元包括第一电极板和第二电极板；所述电极单元采用金属材料制成，厚度不超过0.5mm。
17、作为优选，所述背衬层采用硬度较高且孔隙较多的泡沫材料制成。所述硬度较高指硬度高于硬度预设阈值，孔隙较多指高于孔隙数量预设阈值。
18、作为优选，所述水密层采用匹配性强、透声性较好的聚氨酯材料制成；所述水密层的厚度控制在1/4～3/4波长内。
19、作为优选，所述多芯线缆用于连接所述电极单元引线。
20、作为优选，所述后端盖采用金属材质制成；且外形尺寸与所述背衬层尺寸适配。
21、有益效果：
22、1、本专利技术公开的一种收发一体榫卯型水声换能器，采用榫卯结构压电模块作为振动元件可实现双谐振耦合频带拓展，可有效提高传统换能器的频带宽度。此外，榫卯形压电模块将发射单元和接收单元有效分离，既保证换能器的宽频带发射性能，又保证换能器的高灵敏接收性能。
23、2、本专利技术公开的一种收发一体榫卯型水声换能器，采用榫卯一体结构同时实现换能器的发射、接收功能，具有轻质量、小尺寸、高集成的优势。
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1.一种收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：包含榫卯形压电模块、背衬层、多芯线缆、后端盖和水密层；
2.如权利要求1所述收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：刚性榫头模块和刚性卯眼模块作为换能器的发射单元，实现换能器的高机械强度宽带发射；榫形单元和卯形单元的气隙单元作为换能器的接收单元，用于换能器的高灵敏接收，满足换能器收发一体功能。
3.如权利要求1或2所述收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：所述榫形单元和卯形单元的材料选用PZT陶瓷或PMN-PT单晶，以保证高强度发射和高灵敏度接收性能；且阵列内的小柱具有完全相同的结构参数。
4.如权利要求1或2所述收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：所述刚性聚合物材料为环氧树脂或PMMA材料，用于将所述压电阵列间的小柱分离同时提高所述压电阵列的稳定性和抗压性。
5.如权利要求1或2所述收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：所述刚性榫头模块和刚性卯眼模块中的压电小柱的高宽比不低于4：1；压电小柱宽度与阵列间隙宽度的比值在0.24～0.35之间，以保证压电相的体积分数控制在材料的高机电转换能
6.如权利要求1或2所述收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：所述榫形单元和卯形单元沿厚度方向叠堆，其中刚性榫头模块凸起的部分应与刚性榫头结构凹陷的部分完全契合。
7.如权利要求1或2所述收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：所述橡胶单元采用低杨氏模量的解耦材类橡胶制作；所述连接单元的厚度均不超过1mm，且外形尺寸与所述榫形单元和卯形单元适配。
8.如权利要求1或2所述收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：所述电极单元包括第一电极板和第二电极板；所述电极单元采用金属材料制成，厚度不超过0.5mm。
9.如权利要求1或2所述收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：所述背衬层采用硬度较高且孔隙较多的泡沫材料制成；所述硬度较高指硬度高于硬度预设阈值，孔隙较多指高于孔隙数量预设阈值；
10.如权利要求1或2所述收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：所述水密层采用匹配性强、透声性较好的聚氨酯材料制成；所述水密层的厚度控制在1/4～3/4波长内；
...【技术特征摘要】
1.一种收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：包含榫卯形压电模块、背衬层、多芯线缆、后端盖和水密层；
2.如权利要求1所述收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：刚性榫头模块和刚性卯眼模块作为换能器的发射单元，实现换能器的高机械强度宽带发射；榫形单元和卯形单元的气隙单元作为换能器的接收单元，用于换能器的高灵敏接收，满足换能器收发一体功能。
3.如权利要求1或2所述收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：所述榫形单元和卯形单元的材料选用pzt陶瓷或pmn-pt单晶，以保证高强度发射和高灵敏度接收性能；且阵列内的小柱具有完全相同的结构参数。
4.如权利要求1或2所述收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：所述刚性聚合物材料为环氧树脂或pmma材料，用于将所述压电阵列间的小柱分离同时提高所述压电阵列的稳定性和抗压性。
5.如权利要求1或2所述收发一体榫卯型水声换能器，其特征在于：所述刚性榫头模块和刚性卯眼模块中的压电小柱的高宽比不低于4：1；压电小柱宽度与阵列间隙宽度的比值在0.24～0.35之间，以保证...
【专利技术属性】
技术研发人员：张金英，王嘉程，杨佳兴，张野效桐，韩学磊，史博天，张睿恒，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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