[发明专利]一种非等厚匹配层压电振子及其制备方法

说明书

本发明涉及一种非等厚匹配层压电振子及其制备方法。该非等厚匹配层压电振子包括压电材料以及覆在所述压电材料表面的非等厚匹配层。压电材料表面为平面或曲面，压电材料表面的不同位置处的匹配层厚度呈连续变化。非等厚匹配层的厚度优选为0.8λ/4～1.2λ/4。该制备方法包括：将压电材料置于非等厚灌注模具内；在非等厚灌注模具内灌注匹配层材料；灌注的匹配层材料固化成型并脱模，得到非等厚匹配层压电振子。本发明弥补了现有等厚度匹配层的换能器发射电压响应起伏较大的缺陷，能够实现换能器带宽的扩展及减小发射电压响应起伏。

技术领域

本发明属于水声探测技术领域，具体涉及一种非等厚匹配层压电振子及其制备方法，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。

背景技术

众所周知声波是开发利用海洋资源的重要手段，这是因为声波在水中的传播距离较光、电磁波等远得多。人们利用声波这种信息载体研制了对水下目标实现探测、定位、识别和通信的电子设备—声纳。按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号的重要器件被称为声纳换能器，也叫水声换能器，它是将电信号与水声信号进行相互转换的器件，是水下通信导航、水产渔业、海洋资源开发、海洋地质地貌探测等领域应用的重要器件。换能器通常由压电振子及其支撑结构、防水透声壳层、电缆等组成。其中压电振子的性能决定了换能器的总体性能，因此压电振子的设计结构在换能器的研制中致关重要。

在换能器的发展进程中，宽带换能器近年来成为了国内外研究的重要方向。相对于窄带换能器，宽带换能器有诸多优势。第一，宽带换能器在传输中更能保持信号的完整性和准确性，可以不失真的传输信号，而窄带换能器的信号波形容易畸变；第二，宽带换能器能够提高通讯的可靠性和保密性、降低误码率。例如，在军事领域多频声制导鱼雷与单频声制导鱼雷相比，不仅提高了抗干扰能力,也大大提高了命中率。用宽带合成孔径声纳，可以提高测绘速率，在一定程度上也可减少运动误差带来的影响。在民用领域，宽带换能器被广泛应用于医疗超声，受到医学界普遍重视和欢迎。

针对这些迫切需求，国内外都大力加强了新型宽带换能器的研究，并取得了显著成效，形成了两种拓展带宽方法：一种是降低敏感材料本身的机械品质因数(Q_m值)来拓展带宽；另一种是利用多模态耦合来拓展带宽。但是，降低材料本身的机械品质因数会导致换能器的灵敏度降低，因此通过降低Q_m值来拓展带宽的能力有限。多模耦合是进一步扩展带宽的有效方法，一种具体的实现方法是添加匹配层。匹配层技术是在换能器压电材料的声辐射面与水介质之间增加一层特性阻抗介于压电材料和水之间的材料，使得压电元件产生的振动波通过匹配层最大限度的传送到水中，此外匹配层还应兼有拓展换能器带宽，以及抑制换能器发送电压响应在工作频带和波束开角内的起伏的功效。匹配层有两方面的作用：其一是提高声能透过率，其二是用它被覆在压电材料表面以产生双模振动，通过双频谐振的耦合来拓宽换能器工作频带。

1、高频匹配层陶瓷换能器。中国科学院声学所东海研究站的童晖等人(童晖,周益明,王佳麟,等.高频宽带换能器研究[J].声学技术,2013(6):524-527.)利用等效电路法分析高频匹配层换能器，其次通过Matlab仿真分析了匹配层材料的密度、声速、厚度变化对换能器电声参数性能的影响，进而对其电声性能进行优化设计，最终制作出一个直径55mm、总厚度为 7.72mm的高频宽带换能器。通过实验测得结果与仿真结果基本一致，实验测得换能器的最大发送电压响应为178dB，工作频带为260～370kHz，带内发送电压响应起伏为3dB，300kHz 时换能器指向性-3dB开角为6.5°。

2、高频宽带圆柱换能器。第七一五研究所的钟琴琴等人(钟琴琴,唐义政,唐军,仲林建. 一种高频宽带大尺寸的圆柱换能器的设计方法[J].声学与电子工程,2012,(02):19-21.)利用拼接陶瓷颗粒并采用匹配层的技术方法，制备了收发共用型高频宽带大尺寸圆柱换能器。其工作频率范围在100kHz±30kHz，发射响应值大于145dB，80kHz水平指向性起伏小于3dB，但90kHz水平指向性起伏超出3dB。