[发明专利]一种采用PVDF压电薄膜的弯张换能器

说明书

技术领域

本发明属水声探测技术领域，具体涉及一种利用PVDF压电薄膜代替弯张换能器的金属外壳，应用其压电效应收发信号而实现水中探测的新型弯张换能器。

背景技术

弯曲伸张换能器（简称弯张换能器，flextensional transducer）是获得低频大功率和宽带声信号的小巧的水声探测换能器。壳体通常是曲面的反转体、曲线的回旋体或椭圆的平移体。弯张换能器的工作原理是：利用压电陶瓷晶片堆的纵向伸缩振动激励壳体作弯曲振动，耦合成弯曲伸张振动模式。由弯张模的低频共振特性可得到有效的低频辐射。为得到较高的辐射功率和较大的体积位移，在装配换能器时需要给晶片堆施加一定的预应力（压力），以保证在深水高驱动工作时的安全应力。在深水工作时，为了使壳体能承受较大的静水压力并有效地辐射声波，需要采取压力补偿。

弯张换能器是典型的低频大功率发射器，具有体积小、重量轻的特点。弯张换能器利用壳体的弯曲振动辐射声波，其谐振频率远低于驱动堆纵振的谐振频率，因此可以在体积不大的情况下实现较低的谐振频率。弯曲的壳体具有位移放大作用，可以将驱动堆上的振动通过此放大作用转化成壳体上更大的弯曲振动，同样辐射面积的前提下，可以得到更大的位移。弯张换能器可以做成溢流式或非溢流式，溢流式弯张换能器的工作深度非常大，而非溢流弯张换能器可以用过填充液体及在液体中填充柔性管的方式来增大工作深度。

但是，随着换能器发射功率的不断增加以及谐振频率的降低，现有的弯张换能器已经不能满足需要。

PVDF（聚偏二氟乙烯）是一种柔软的塑性薄膜，是目前应用广泛的铁电和压电高分子材料。PVDF压电元件对湿度、温度和化学物质高度稳定，机械强度也较好。用PVDF做成的换能器，具有结构简单、重量轻、失真小、稳定性高等优点，因此是一种比较理想的新型换能材料。

压电高聚物PVDF具有很强的压电性（比压电石英晶体高3～5倍），压电常数分量g₃₃很大（比锆钛酸铅的大十余倍），尤其是静水压压电常数g_n比压电陶瓷PZT-5的大得多，用做水听器具有较高的灵敏度。而且，PVDF密度小，声速较低，声阻抗低，能很好地和空气、水和人体组织匹配，横向耦合小，机械品质因数低，宽带。而且其厚度共振频率可以达到很高，因而可以做成灵敏的宽频带水听器，亦可做成频率较高的超声换能器。PVDF密度小，不到陶瓷的四分之一,便于在潜水艇表面施工安装.。

PVDF弯张换能器能够更好地满足低频、宽带、高发送电压响应、高接收灵敏度、大功率、小型化和水平全向指向性的要求。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有弯张换能器的不足，提出一种利用PVDF压电薄膜实现收发信号的新型弯张换能器，具有低频、宽带、高接收灵敏度、大功率声辐射和水平全向指向性特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种采用PVDF压电薄膜的弯张换能器，包括压电陶瓷晶片堆和PVDF薄膜，所述PVDF薄膜包围所述压电陶瓷晶片堆并通过连接件与所述压电陶瓷晶片堆连接。

进一步地，还包括使所述PVDF薄膜产生预应力的装置。

进一步地，所述连接件为设于所述压电陶瓷晶片堆两端的质量块，起到调节谐振频率以及固定PVDF薄膜的作用，所述使PVDF薄膜产生预应力的装置包括：

固定块，与所述质量块相接，

固定螺钉，设于所述固定块上，

拉伸螺钉，穿过所述固定块并与所述质量块相接，用于使所述固定块和所述质量块之间的空隙加大以对PVDF薄膜进行拉伸，

预应力螺钉，穿过所述压电陶瓷晶片堆与所述固定块，用于固定拉伸后的PVDF薄膜。

进一步地，所述PVDF薄膜施加的预应力为10N～200N。

进一步地，所述压电陶瓷晶片堆包括正向极化压电陶瓷片、金属垫片和反向极化压电陶瓷片，通过所述金属垫片引出电极，所有正极互相连通作为发射正极，所有负极互相连通作为发射负极。

进一步地，所述PVDF薄膜为空心圆柱形，包裹住压电陶瓷晶片堆，从而实现水平全向指向性收发信号的目的。

进一步地，所述PVDF薄膜的厚度为50um以上。

进一步地，所述PVDF薄膜可以为PVDF薄膜与其它柔性材料（如塑料等）通过粘接构成的薄膜；所述PVDF薄膜可以为两层或多层PVDF薄膜通过叠堆构成的薄膜，极化方向可以是同向也可以是反向。

进一步地，所述连接件采用变幅杆式结构。