一種基于壓電單晶材料的低頻大功率發射換能器實現方法與流程

本發明屬于換能器技術領域，尤其涉及一種基于壓電單晶材料的低頻大功率發射換能器實現方法。

背景技術：

目前聲納技術仍是進行水下目標(潛艇、魚雷和水雷等)遠距離探測的主要手段。隨著潛艇聲隱身技術的發展，傳統的被動聲納探測方法遇到了很大的困難，低頻主動聲納日益成為水下遠程目標探測的主要手段之一。為了提高聲納的作用距離，就需要降低聲納的工作頻率，提高輻射聲功率。

換能器在諧振頻率下輻射的聲功率可寫為其中ηea為電聲轉化效率，ωr為機械角頻率，qm為機械品質因數，ke為換能器有效耦合系數，cf為自由電容量，v為激勵電壓。從公式中看出頻率越低，功率容量越小，但提高換能器的有效耦合系數和自由電容量，可以增加換能器的輻射聲功率。因此有必要采用新型有源材料來設計低頻大功率換能器。與pzt相比，單晶材料具有高的壓電系數、高的介電系數、高的柔順系數、導致其具有高的耦合系數，低的聲速、大的相對形變，因此非常適合用來做寬帶大功率發射換能器。

盡管單晶材料具有一系列優勢，但并不能簡單的用單晶材料直接替換陶瓷材料就能取得好的效果，而必須根據單晶材料的特點進行優化設計，比如最佳工作點的選取、晶堆的負載平衡等都需要仔細考慮。另外，低頻換能器尺寸一般較大，因此有源部分的壓電材料尺寸也較大。目前由于無法生產大片的壓電單晶材料，因此必須采用小塊拼裝的方式得到大塊的壓電單晶材料。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術存在的不足，而提供一種基于壓電單晶材料的低頻大功率發射換能器實現方法，利用單晶材料進一步提高發射換能器的功率，提供一種新的低頻大功率換能器的實現方法，具有體積小、頻率低、功率大的優點。

本發明的目的是通過如下技術方案來完成的。這種基于壓電單晶材料的低頻大功率發射換能器實現方法，所述的換能器主要由單晶堆、端塊、彎張殼體、上蓋板和下蓋板組成，具體包括以下步驟：

步驟一：采用聚碳酸酯加工成“田”字形的定位框架，用4塊小單晶片按同一極性嵌入定位框架中，組成一塊大的壓電單晶片，用多塊大壓電單晶片的按傳統方式串接電極片組裝成單晶堆，所有正極用一根導線引出，負極用另一根導線引出，按同樣的方式完成第2個單晶堆的制作；

步驟二：通過兩個端塊把兩個單晶堆并聯裝配在一起，并通過每個端塊上兩個與壓電單晶片面積相等的凹槽來定位這兩個單晶堆，使兩個單晶堆保持平行；

步驟三：對彎張殼體的短軸施加一定壓力，使殼體產生變形，直至長軸內徑大于兩個端塊之間的距離，把兩個單晶堆與兩個端塊一同裝入彎張殼體內，然后卸去施加在彎張殼體短軸上的壓力，使彎張殼體夾緊兩個端塊及兩個單晶堆；

步驟四：將兩個單晶堆的正極與正極相聯，負極與負極相聯，最后連接在水密接插件的正負極上；

步驟五：采用上蓋板和下蓋板對彎張殼體進行密封，上蓋板、下蓋板與彎張殼體之間均采用軟木橡膠去耦；上蓋板中心位置處裝有水密接插件，用來引出換能器的正負極，上蓋板和下蓋板之間采用4個固定螺桿固定，使換能器成為一個整體。

步驟六：采用整體灌注聚氨酯的方式對換能器進行水密處理，在彎張殼體外形成聚氨酯水密層。

更進一步的，所述的定位框架邊框寬1mm，厚度低于單晶片的厚度。

本發明的有益效果為：工作頻率低、體積小、重量輕、功率大。

附圖說明

圖1換能器結構示意圖；

圖2單晶堆結構示意圖；

圖3換能器發射電壓響應示意圖；

圖4換能器水平指向性示意圖。

附圖標記說明：1－彎張殼體、2－端塊、3－單晶堆、4－下蓋板、5－軟木橡膠、6－水密接插件、7－固定螺桿、8-聚氨酯水密層，9－壓電單晶片，10－定位框架、11－電極片、12-上蓋板。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明做詳細的介紹：

參見圖1，為采用本發明實現的一種基于壓電單晶材料的低頻大功率ⅳ型彎張換能器，其采用聚碳酸酯作為定位框架，45#鋼作為端塊，硬鋁合金作為殼體，不銹鋼作為蓋板。

參見圖2，為采用本發明實現的壓電單晶堆，其采用三元系(pin-pmn-pt)弛豫鐵電單晶材料為壓電單晶片，聚碳酸酯作為定位框架，鈹青銅作為電極片。

本發明所述的這種基于壓電單晶材料的低頻大功率發射換能器實現方法，所述的換能器主要由單晶堆3、端塊2、彎張殼體1、上蓋板12和下蓋板4組成，具體包括以下步驟：

步驟一：采用聚碳酸酯加工成“田”字形的定位框架10，用4塊小單晶片按同一極性嵌入定位框架10中，組成一塊大的壓電單晶片9，所述的定位框架10邊框寬1mm，厚度低于單晶片的厚度。用多塊大壓電單晶片9的按傳統方式串接電極片11組裝成單晶堆3，所有正極用一根導線引出，負極用另一根導線引出，按同樣的方式完成第2個單晶堆3的制作；

步驟二：通過兩個端塊2把兩個單晶堆3并聯裝配在一起，并通過每個端塊2上兩個與壓電單晶片9面積相等的凹槽來定位這兩個單晶堆3，使兩個單晶堆3保持平行；

步驟三：對彎張殼體1的短軸施加一定壓力，使殼體產生變形，直至長軸內徑大于兩個端塊2之間的距離，把兩個單晶堆3與兩個端塊2一同裝入彎張殼體1內，然后卸去施加在彎張殼體1短軸上的壓力，使彎張殼體1夾緊兩個端塊2及兩個單晶堆3；

步驟四：將兩個單晶堆3的正極與正極相聯，負極與負極相聯，最后連接在水密接插件6的正負極上；

步驟五：采用上蓋板12和下蓋板4對彎張殼體1進行密封，上蓋板12、下蓋板4與彎張殼體1之間均采用軟木橡膠5去耦；上蓋板12中心位置處裝有水密接插件6，用來引出換能器的正負極，上蓋板12和下蓋板4之間采用4個固定螺桿7固定，使換能器成為一個整體。

步驟六：采用整體灌注聚氨酯的方式對換能器進行水密處理，在彎張殼體1外形成聚氨酯水密層8。

本實施例中換能器采用256塊單晶片，每塊單晶片的長寬高尺寸為20mm×20mm×4mm。定位框架長寬高尺寸為43mm×43mm×4mm。電極片長寬高尺寸為43mm×43mm×0.2mm。端塊長寬高尺寸為140mm×45mm×10mm。兩個單晶堆間距為50mm。殼體長寬高尺寸為230mm×100mm×140mm。整個換能器長寬高分別為240×110mm×160mm，重10公斤。

圖3為該實施例實測的發射電壓響應，可以看出最大發射電壓響應接近150db。

圖4為該實施例實測的1500hz處水平指向性，可以看出非常接近一個圓。

以上對本發明的描述不具有限制性，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明權利要求的保護的情況，作出本發明的其它結構變形和實施方式，均屬于本發明的保護范圍。

技術特征：

技術總結
本發明屬于換能器技術領域，具體涉及一種基于壓電單晶材料的低頻大功率發射換能器實現方法，本發明采用單晶材料作為換能器的有源材料，采用聚碳酸酯加工成“田”字形的定位框架，用4塊小單晶片按同一極性嵌入定位框架中，組成一塊大的壓電單晶片，用多塊大壓電單晶片的按傳統方式串接電極片組裝成單晶堆，所有正極用一根導線引出，負極用另一根導線引出，通過小塊拼裝的方式得到大塊的壓電單晶材料。本發明有益的效果：考慮晶堆的負載平衡和最佳工作點的選取，在低頻有效的提高了換能器的發送電壓響應，該換能器具有體積小、頻率低、功率大的優點。

技術研發人員：胡青;閆國棟;陳揚威;彭康宜;梅小龍
受保護的技術使用者：中國船舶重工集團公司第七一五研究所
技術研發日：2016.12.21
技術公布日：2017.07.14