帶匹配層的疊堆復合材料圓柱陣換能器及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于水聲換能器技術領域，具體涉及一種帶匹配層的疊堆復合材料圓柱陣 換能器及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 水聲換能器作為能量轉換器件，其主要作用是作為水聲設備與介質進行信息交流 的前端能量轉換系統，并在一定頻帶內按規定的信號形式激發產生聲波和不失真地感知與 接收水中聲波信號。為了減少換能器的使用數量和更多的發射/接收信息，要求換能器覆 蓋更寬的工作頻段，即需要最大限度的拓展換能器的帶寬。此外，換能器基陣的廣泛引用也 要求基元具有更寬的帶寬，因為寬帶信號相干處理，可使系統獲得更強的增益和更遠的探 測距離；對寬帶信號進行脈沖壓縮，也可提高換能器基陣的分辨率。因此，如何拓展換能器 的帶寬一直是換能器研宄的重點。現行拓展換能器寬帶主要有三個途徑：（1)通過復合柔 性材料，增大損耗，降低換能元件的機械品質因素（Q m)值，即復合材料；（2)多振動模態耦 合；（3)被覆匹配層。
[0003] (1)復合材料寬帶換能器。復合材料是由壓電相（如PZT)和聚合物相構成的的多 相材料，它克服了單相壓電材料的缺點，保留了壓電相材料的強壓電性，具有較低的Q m值。 由于換能元件的帶寬與材料〇>值成反比，因此壓電復合材料尤其適合制作寬帶換能器。
[0004] (2)多模耦合振動寬帶換能器。用壓電復合材料來代替壓電陶瓷可以拓寬帶寬，但 拓寬量有限。進一步擴展帶寬，須采用多模耦合，換能器的多模耦合振動拓寬頻帶的基礎是 多模態耦合理論。對于一個換能器，其振動系統通常存在多個諧振頻率（多個模態），當系 統中兩種或兩種以上的振動模態相互靠近，兩種模態對應的諧振峰值下降3dB(或6dB)時 能夠相交而不產生明顯的凹谷，則這兩種模態將形成雙模態振動耦合，頻帶得到展寬。合理 設計換能器振動元件的結構參數，使其產生兩種或兩種以上的振動模態并相互耦合，可以 達到拓展帶寬的目的。多模耦合方式有多種，如縱振換能器中的縱彎耦合技術、復合結構、 單端激勵等。
[0005] (3)匹配層寬帶換能器。匹配層主要有兩方面的作用，其一是阻抗匹配，通常換能 器輻射面材料的特性阻抗比水和空氣介質大得多，聲能不易輻射出去，在輻射面與聲傳播 介質之間插入一層或多層過渡匹配層就可以提高聲傳輸特性。匹配層的另一作用就是使振 動系統產生多諧振動以拓寬換能器的工作頻帶。它是在輻射面敏感材料上貼覆一層特性阻 抗較小的匹配層，調節其厚度、聲速、密度，使敏感層及匹配層產生多諧振動并耦合以拓展 換能器的帶寬。
[0006] (4)結合兩項寬帶技術的換能器。哈爾濱工程大學的張凱等人（藍宇，張凱.1-1-3 型壓電復合材料寬帶換能器[J].哈爾濱工程大學學報，2011，32 (11) :1479-1483.)引入單 端激勵原理，將1-3型壓電復合材料改進為1-1-3型壓電復合材料，即一維連通的壓電細柱 和一維連通的金屬細柱串接，再平行排列于三維連通的聚合物中。通過將一、二、三階厚度 振動模態的耦合拓展帶寬，換能器的工作頻率為300kHz，頻帶寬度較單模復合材料的拓展 近3倍，發送電壓響應達154dB以上。該結構同時應用復合材料和多模耦合兩種寬帶技術拓 寬帶寬。另外，國外有人研宄利用添加匹配層的方法來拓展1-3型復合材料換能器帶寬，如 土耳其 I. CerenElmash 等人（Elmash I C, Koymen H A. A wideband and a wid-beamwidth acoustictransducer design for underwater acoustic communications. OCEANS 2006-AsiaPacific. SingaPore，2007:l-5P)制作了 λ/4(λ 為換能器發射聲波波長）厚度 的1-3型壓電復合材料，并在其上添加了 λ/4厚度的匹配層以及鋁質的背襯，設計制作了 一種覆蓋有匹配層的寬帶復合材料換能器。該結構不但進一步拓展了換能器的帶寬，并且 還可實現與水更好的匹配，提高了聲的傳輸特性。在該結構中，使用了復合材料和匹配層兩 種寬帶技術拓寬換能器帶寬。
[0007] 綜上，雖然采用復合材料分別結合多模振動或匹配層的換能器已有研宄，但這類 換能器由于受復合材料制備工藝的限制只能成型平面，使其波束開角受到限制。而曲面換 能器多模耦合和匹配層技術的寬帶換能器大多采用壓電陶瓷作為敏感材料，其Q值遠大于 復合材料，即材料帶寬遠小于復合材料。因此，如能將現行的三種寬帶技術融合于一個振動 元件，并可成型曲面，勢必將大幅度拓展換能器的帶寬，并可實現大波束開角輻射聲波。
【發明內容】
[0008] 本發明針對上述問題，提供一種帶匹配層的疊堆復合材料圓柱陣換能器及其制備 方法，通過綜合現有的換能器拓展帶寬的三種技術實現換能器帶寬的拓展。
[0009] 本發明采用的技術方案如下：
[0010] 一種帶匹配層的疊堆復合材料圓柱陣換能器，包括外徑相同、管壁厚度不同的同 軸疊堆的壓電復合材料圓管；所述壓電復合材料圓管的管壁包括多個壓電振子，以及填充 于各壓電振子之間的柔性材料；所述壓電復合材料圓管的外壁貼覆匹配層。
[0011] 優選地，所述壓電振子為壓電陶瓷，此外還可以是壓電單晶、有機壓電材料等材 料；所述柔性材料為環氧樹脂，此外還可以是聚氨酯、硅橡膠等材料；疊堆的壓電復合材料 圓管之間設有墊圈，如橡膠墊圈等。
[0012] 優選地，所述壓電復合材料圓管中壓電振子的體積百分比約為40%。
[0013] 優選地，所述匹配層的厚度為1/4聲波波長，或在1/4波長左右進行微調；匹配層 的材料可以是添加有鋁粉或鎢粉的環氧樹脂等。
[0014] 進一步地，所述換能器還包括上下墊圈、支架、蓋板、電極引線和防水透聲層，疊堆 的壓電復合材料圓管通過支架、上下墊圈和蓋板固定，電極引線與輸出電纜相連，換能器的 整體外圍膠封防水透聲層。
[0015] -種制備上述帶匹配層的疊堆復合材料圓柱陣換能器的方法，其步驟包括：
[0016] 1)切割壓電材料圓管：對壓電材料圓管（如壓電陶瓷圓管）進行切割，形成多個 壓電振子；
[0017] 2)澆注柔性材料：在切割后的多個壓電振子直接填充柔性材料（如環氧樹脂），形 成壓電復合材料圓管；
[0018] 3)被覆電極：在壓電復合材料圓管的曲面上被覆電極材料；
[0019] 4)串疊圓管：將制備的外徑相同、管壁厚度不同的壓電復合材料圓管進行同軸疊 堆；
[0020] 5)貼覆匹配層：在疊堆的壓電復合材料圓管的外壁貼覆匹配層。
[0021] 進一步地，在步驟2)之后進行打磨整形，然后進行步驟3)的被覆電極步驟。
[0022] 進一步地，步驟4)在疊堆的壓電復合材料圓管間采用橡膠墊圈進行粘結。
[0023] 進一步地，在步驟5)之后，將疊堆的壓電復合材料圓管通過支架、上下墊圈和蓋 板固定，并引出電極與輸出電纜相連，然后在換能器的整體外圍膠封防水透聲層。
[0024] 與現有技術相比，本發明的有益效果如下：
[0025] 本發明采用同軸疊堆的外徑相同、管壁厚度不同的復合材料圓管，通過調節兩