專利名稱：一種高頻寬波束球冠形發(fā)射換能器制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水中換能器領(lǐng)域，主要是一種高頻寬波束球冠形發(fā)射換能器制備方法。
背景技術(shù)：
高頻寬波束球冠形發(fā)射換能器在國內(nèi)尚未見報(bào)導(dǎo)。國際上，英國CodaOctopus Ltd 公司在2006年初推出的產(chǎn)品“choscope-HI”，其中高頻發(fā)射換能器是由1_3壓電復(fù)合材料彎曲而成，對(duì)制作設(shè)備要求很高，當(dāng)成形材料時(shí)，彎曲的過程必須事先設(shè)計(jì)好，從而減少應(yīng)力，最終達(dá)到靜力平衡。在彎曲時(shí)，外表面受拉力而內(nèi)表面受壓應(yīng)力。為了減少內(nèi)部應(yīng)力， 材料會(huì)延展，壓縮以及移動(dòng)，作為基體材料的聚合體應(yīng)選擇容易成形的，且要求有較少的壓縮性，有較高的玻璃狀的溫度傳輸特性。其發(fā)射換能器的優(yōu)點(diǎn)是精度高，缺點(diǎn)是制作成本及難度高，且在制作過程中易存在側(cè)移、變形等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種高頻寬波束球冠形發(fā)射換能器制備方法，主要被應(yīng)用于海上工程實(shí)施、海港監(jiān)視、蛙人探測、水雷和水雷類目標(biāo)識(shí)別、水下航行器的避障及導(dǎo)航等。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案這種高頻寬波束球冠形發(fā)射換能器制備方法，采用球冠式布陣，球冠的四側(cè)截成方形；陣元按照一定間距布好后，布好陣后，在陣元的縫隙中填充聚合物；對(duì)匹配層進(jìn)行灌注，先對(duì)匹配層進(jìn)行抽真空處理，灌注時(shí)也需對(duì)其進(jìn)行抽真空及加溫處理；在匹配層外側(cè)灌注一層球冠形的聚氨酯；連接正極，陣元的正極為并聯(lián)，引出一根正極導(dǎo)線，將正極一側(cè)粘接于聚氨酯泡沫基座的球冠表面，待膠層固化后， 將陣元的負(fù)極共負(fù)，引出一根負(fù)極的導(dǎo)線，將裝配好的球冠陣后背襯與后座粘接，導(dǎo)線從走線槽引出。作為優(yōu)選，將大的壓電陶瓷切割成小的陶瓷顆粒，即為布陣的陣元，陣元采用PZT4 材料，陣元的厚度為4. 8mm，橫向尺寸為3mmX;3m。作為優(yōu)選，述的后背襯的曲率半徑取為86mm，后背襯的材料為高密度聚氨酯泡沫， 陣元的間距為0. 7mm。本發(fā)明有益的效果是采用前匹配層以及后背襯技術(shù)，利用球冠式布陣以及灌注聚合物填充的方式，從而獲得了方形的聲輻射區(qū)域，300kHz的水平和垂直波束寬度均大于等于46度。電壓發(fā)送響應(yīng)265 330kHz范圍內(nèi)的起伏為6dB，每瓦源級(jí)超過177dB。本發(fā)明可應(yīng)用于海港監(jiān)視、蛙人探測、水下目標(biāo)識(shí)別、水下航行器的避障及導(dǎo)航等。制作工藝簡單，高頻的波束寬度大，同時(shí)，每瓦源級(jí)高。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意3
圖2是水中的導(dǎo)納曲線圖；圖3是發(fā)送電壓響應(yīng)曲線；圖4是水平指向性示意圖；圖5是垂直指向性示意圖；圖6是基陣對(duì)角線的指向性示意圖；圖7是基陣波束示意圖。附圖標(biāo)記說明壓電陶瓷1，聚合物2，后背襯3，匹配層4，聚氨酯泡沫基座5，后座 6。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明本發(fā)明了一種球冠形高頻寬波束大功率換能器，采用前匹配層以及后背襯技術(shù)， 利用先球冠式布陣，然后灌注聚合物填充的方式，從而獲得了方形的聲輻射區(qū)域。換能器的工作頻率為300kHz，通過分析和實(shí)驗(yàn)，確定了球冠的最佳曲率半徑和尺寸以及陣元間的最佳間距。該換能器300kHz的水平和垂直波束寬度均大于等于46度(_3dB起伏)，如圖4 及圖5所示。電壓發(fā)送響應(yīng)265 330kHz范圍內(nèi)的起伏為6dB(圖3)，在300kHz時(shí)，施加 846. 9w電功率，聲源級(jí)為206. 8dB，每瓦源級(jí)超過177dB。步驟1 陣元的設(shè)計(jì)為了滿足300kHz的工作頻率，需要優(yōu)化陣元的尺寸，利用陣元的厚度振動(dòng)，避免其強(qiáng)耦合振動(dòng)區(qū)域，由于工作頻率300kHz，陣元的厚度為5mm左右，通過調(diào)整橫向尺寸，控制陣元的諧振頻率，因橫向尺寸與縱向振動(dòng)尺寸較為接近時(shí)，其耦合振動(dòng)較強(qiáng)，不利于厚度方向的振動(dòng)，因此橫向尺寸盡量小于厚度方向，同時(shí)，考慮制備的可操作性以及實(shí)際的工作頻率，選定陣元的厚度為4. 8mm，橫向尺寸為3mmX 3mm，在符合頻率要求的情況下減小耦合振動(dòng)。另一方面，由于是發(fā)射換能器，陣元采用PZT4材料，且為了保證陣元之間的高度一致性，利用大圓片的壓電陶瓷1切割成小的陶瓷顆粒，即為布陣的陣元。步驟2:后背襯的設(shè)計(jì)后背襯的曲率半徑也就是整個(gè)球冠形的曲率半徑，其與陣元的尺寸和數(shù)目、陣元的間距以及換能器的波束寬度之間相互關(guān)聯(lián)，多個(gè)參數(shù)需要一起優(yōu)化設(shè)計(jì)。球冠開角的大小直接與發(fā)射換能器的波束寬度相關(guān)聯(lián)，開角越大，波束寬度也越寬，同時(shí)，球冠的半徑也關(guān)系著布陣的陣元數(shù)目，半徑越大，陣元布得越多，半徑越小時(shí)，陣元布得越少，由于陣元為方形的陶瓷顆粒，球冠半徑較小會(huì)導(dǎo)致陣元的間距變大，從而使得指向性的起伏較大。根據(jù)上述分析，球冠的半徑取為86mm。后背襯不但要起到確定曲率半徑的作用，還要求能夠吸收聲輻射以及減震降噪， 同時(shí)要保證換能器的耐壓支撐，我們選擇材料為高密度聚氨酯泡沫。步驟3 球冠形布陣不同于一般的復(fù)合材料制備，為了得到方形的寬波束輻射區(qū)域，我們采用球冠式布陣，考慮指向性的寬波束以及布陣工藝的可操作性，陣元的間距為0. 7mm，球冠的半徑為 86mm，球冠的四側(cè)截成方形，如圖1所示。
陣元按照設(shè)計(jì)好的間距布好后，連接正極，陣元的正極為并聯(lián)，引出一根正極導(dǎo)線。將正極一側(cè)粘接于聚氨酯泡沫基座5的球冠表面，待膠層固化后，將陣元的負(fù)極共負(fù)， 引出一根負(fù)極的導(dǎo)線。將裝配好的球冠陣后背襯3與金屬后座6粘接，導(dǎo)線從走線槽引出。步驟4:灌注聚合物布好陣后，在陣元的縫隙中填充聚合物2，在聚合物的灌注過程中，要首先對(duì)聚合物膠進(jìn)行抽真空處理，防止空氣泡的藏匿，同時(shí)，灌注時(shí)也需對(duì)其進(jìn)行抽真空及加溫處理， 以保證每個(gè)陣元間均充滿聚合物，提高性能的一致性。這樣先布陣后灌注的制作方式工藝簡單，不會(huì)發(fā)生復(fù)合材料彎曲時(shí)由于外表面受拉力而內(nèi)表面受壓應(yīng)力而導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力失衡現(xiàn)象，也不會(huì)像復(fù)合材料中靠近外邊界的陶瓷柱因只有較少的支撐來保持它們豎直，從而內(nèi)部的力施加在外部的陶瓷柱促使它們逐漸傾斜，產(chǎn)生一個(gè)“側(cè)升”或卷曲現(xiàn)象。聚合物灌注后，對(duì)球冠表面及側(cè)面進(jìn)行打毛處理，或者噴砂，但需要控制操作的力度或氣壓，以防止球冠陣產(chǎn)生裂痕，從而影響最終的性能。步驟5 匹配層設(shè)計(jì)以及灌注為了保證波束寬度在_3dB內(nèi)起伏，同時(shí)獲得更寬的帶寬，我們采用了匹配層技術(shù)，這對(duì)換能器整體的性能有了進(jìn)一步的提高。球冠陣上所有陣元都做相同的一維振動(dòng)，且陣元之間的間隙較小，因此可以認(rèn)為界面處匹配層4的振速是均勻的，且等于陣元表面的振速。在界面處應(yīng)力仍是連續(xù)的，即匹配層所受的力等于所有陣元施加的力，基于以上原因，可以把所有陣元等效為單個(gè)有源器件的等效電路。匹配層采用多組分混合而成，經(jīng)過分析，匹配層的厚度為2mm。在匹配層的灌注過程中，要首先對(duì)匹配層進(jìn)行抽真空處理，防止空氣泡的藏匿，同時(shí)，灌注時(shí)也需對(duì)其進(jìn)行抽真空及加溫處理，以保證匹配層灌注的質(zhì)量。步驟6 球冠陣水密為滿足球冠陣在水中的使用以及性能測試，對(duì)其表面進(jìn)行水密處理，在匹配層外側(cè)灌注一層3mm厚度的水密材料，材料為聚氨酯，外觀為球冠形。灌注后將球冠陣的正負(fù)極導(dǎo)線通過帶屏蔽的電纜引出，電纜與球冠陣金屬后座之間通過水密電纜頭連接。圖2為水中導(dǎo)納曲線，圖6為基陣對(duì)角線的波束圖，_3dB的波束寬度為62°，整個(gè)基陣的三維波束如圖7所示。最后應(yīng)說明，以上實(shí)例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案并且不限與此，而是在應(yīng)用上可以延伸到其它的修改，變化，應(yīng)用，并且認(rèn)為所有這樣的修改，變化，應(yīng)用，實(shí)施實(shí)例都在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高頻寬波束球冠形發(fā)射換能器制備方法，其特征是采用球冠式布陣，球冠的四側(cè)截成方形；陣元按照一定間距布好后，布好陣后，在陣元的縫隙中填充聚合物；對(duì)匹配層進(jìn)行灌注，先對(duì)匹配層進(jìn)行抽真空處理，灌注時(shí)也需對(duì)其進(jìn)行抽真空及加溫處理；在匹配層外側(cè)灌注一層球冠形的聚氨酯；連接正極，陣元的正極為并聯(lián)，引出一根正極導(dǎo)線，將正極一側(cè)粘接于聚氨酯泡沫基座的球冠表面，待膠層固化后，將陣元的負(fù)極共負(fù)，引出一根負(fù)極的導(dǎo)線，將裝配好的球冠陣后背襯與后座粘接，導(dǎo)線從走線槽引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻寬波束球冠形發(fā)射換能器制備方法，其特征是將大的壓電陶瓷切割成小的陶瓷顆粒，即為布陣的陣元，陣元采用PZT4材料，陣元的厚度為 4. 8mm，橫向尺寸為3mmX 3m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻寬波束球冠形發(fā)射換能器制備方法，其特征是所述的后背襯的曲率半徑取為86mm，后背襯的材料為高密度聚氨酯泡沫，陣元的間距為0. 7mm。
全文摘要
本發(fā)明是一種高頻寬波束球冠形發(fā)射換能器制備方法，采用球冠式布陣，球冠的四側(cè)截成方形；陣元按照一定間距布好后，布好陣后，在陣元的縫隙中填充聚合物；對(duì)匹配層進(jìn)行灌注，先對(duì)匹配層進(jìn)行抽真空處理，灌注時(shí)也需對(duì)其進(jìn)行抽真空及加溫處理；在匹配層外側(cè)灌注一層球冠形的聚氨酯；連接正極，陣元的正極為并聯(lián)，引出一根正極導(dǎo)線，將正極一側(cè)粘接于聚氨酯泡沫基座的球冠表面，待膠層固化后，將陣元的負(fù)極共負(fù)，引出一根負(fù)極的導(dǎo)線，將裝配好的球冠陣后背襯與后座粘接，導(dǎo)線從走線槽引出。本發(fā)明有益的效果是本發(fā)明可應(yīng)用于海港監(jiān)視、蛙人探測、水下目標(biāo)識(shí)別、水下航行器的避障及導(dǎo)航等；制作工藝簡單，高頻的波束寬度大，同時(shí)，每瓦源級(jí)高。
文檔編號(hào)H01L41/24GK102176508SQ20101062096
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者仲林建, 唐義政, 唐軍, 朱城海, 李建成, 鐘琴琴 申請(qǐng)人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所