[发明专利]基于力学控制环节的水声纵向换能器制作方法及系统

说明书

本发明提供了一种基于力学控制环节的水声纵向换能器制作方法及系统，包括如下步骤：预装步骤：预装配水声纵向换能器；压力施加步骤：计算压力施加参数，并根据压力施加参数对预装配的水声纵向换能器施加压力。本发明引入力学控制环节，实现了水声纵向换能器上预应力的定量施加工作，通过引入电子万能试验机和固定夹具等工作设备，提高了水声纵向换能器的制作效率，并提升了水声纵向换能器的制作良品率。

技术领域

本发明涉及水声工程工艺技术及水声换能器设计与制造的技术领域，具体地，涉及一种基于力学控制环节的水声纵向换能器制作方法及系统。

背景技术

压电陶瓷材料具有较高的电声转换性能以及使用可靠性，被广泛应用于水声换能器领域，成为了多类水声换能器的主要压电元件。尤其在水声纵向换能器上，以压电陶瓷为压电元件，组成一个或多个压电陶瓷堆，通过压电陶瓷堆的振动带动金属结构体产生振动，进而透过水密层向水中辐射声能量，更是成为了水声纵向换能器的主要工作模式。

由于水声纵向换能器是利用压电陶瓷堆沿轴线方向的振动产生能量，因此，为了增加换能器各部件之间的连接强度，确保换能器具备良好的振动传递与声学辐射性能，通常会使用粘接剂对换能器的前后盖板，压电晶堆与金属电极片等组成结构进行胶合处理，提高换能器的整体抗拉能力。但是，在换能器电极间电压较大时，压电元件上的应力与振幅将会比较大，将可能超出压电陶瓷材料的抗拉能力，造成换能器损坏。在压电陶瓷上应力较大时，胶合层上也将出现较强的轴向拉伸状态，此时胶合层容易发生破裂，影响换能器正常工作，进而造成换能器损坏。

因此可以发现，在大电压条件下，简单的胶合处理已无法满足水声纵向换能器设计与制作的需要。针对这一情况，就需要采用技术手段对压电陶瓷与胶合层施加预应力，从而满足水声纵向换能器大电压发射的需要。

在常规的水声纵向换能器设计与制作过程中，预应力的施加通常是简单地使用力矩扳手旋紧固定螺杆完成的。即简易固定水声纵向换能器各组成部件，使用力矩扳手紧固预应力螺杆，从而完成水声纵向换能器上的预应力施加工作。这种方法被称为力矩扳手紧固螺栓法，可以对水声纵向换能器施加一定预应力，得到了多家研究所与学校的采用。

公开号为CN108243367A的中国发明专利文献公开了一种水声学发射换能器及其制作方法，水声学发射换能器包括：透声主体、发射用压电元件、接收用压电元件、反声障板；发射用压电元件、接收用压电元件被设置于透声主体中；接收用压电元件被配置为接受发射用压电元件发出的水声信号。

针对上述中的相关技术，发明人认为传统的力矩扳手紧固螺栓法通常存在以下几个问题：1、缺少理论计算支撑：使用传统力矩扳手紧固螺栓法对水声纵向换能器施加预应力的工作往往缺少理论支撑，缺乏理论对应施加在换能器上的预应力大小进行计算，预应力的大小往往由工作人员临时决定，水声纵向换能器长期制作的一致性缺少理论计算支撑。2、预应力控制困难：在水声纵向换能器的预应力施加过程中，使用传统力矩扳手紧固螺栓法虽然可以对换能器施加一定的预应力，但无法定量控制施加在换能器上的预应力大小，无法做到预应力的精确施加与定量分析。3、换能器频率偏移：在水声纵向换能器的多项相关研究中已经发现，在使用传统力矩扳手紧固螺栓法对换能器施加预应力时，预应力难以保持统一，因此将在一定程度上造成换能器的频率特性产生偏移，影响水声纵向换能器大批量制作时的频率一致性。4、制作环节效率低：在力矩扳手紧固螺栓法的工艺过程中，需要严格根据换能器尺寸设计固定用夹具。此类机械夹具一般由多个模块拼装组成，模块的拆装操作较为繁琐，且机械夹具质量较大，单人很难进行操作，降低了预应力施加的工作效率。5.同轴性控制困难：力矩扳手紧固螺栓法对压电陶瓷堆和胶合层施加预应力是通过螺栓的旋转挤压实现的，这种间接方式将可能造成压电陶瓷堆或电极片位置产生偏离，进而破坏水声纵向换能器的同轴性，影响换能器振动特性。6、工艺流程清洁度低：力矩扳手紧固螺栓法操作过程中需要使用的工具较多，工具与换能器之间产生的表面接触也比较多，且力矩扳手紧固螺栓法的人工操作环节复杂，不易对换能器表面进行完善的清理，这些因素均对换能器表面的清洁度产生较大的影响，容易造成清洁度低的问题。

发明内容