阅读说明：本技术 一种复合式宽带换能器 (Combined type broadband transducer ) 是由 刘慧生 莫喜平 崔斌 于 2018-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种复合式宽带换能器,其包括：弯曲板(1)、若干第一压电陶瓷片(2)和若干第一钹(3)；若干第一压电陶瓷片(2)固定连接弯曲板(1)的一侧,且第一钹(3)对应地固定连接第一压电陶瓷片(2)之上；第一钹(3)的中部与第一压电陶瓷片(2)不直接接触,且留有空间；利用复合结构的多模态实现较宽的带宽,克服了传统二叠片、三叠片式换能器和钹式换能器带宽窄的缺点；同时兼具二叠片、三叠片弯曲和钹弯张振动的低频、小尺寸、重量轻的特性。(The invention relates to a composite broadband transducer, comprising: the piezoelectric ceramic plate comprises a curved plate (1), a plurality of first piezoelectric ceramic plates (2) and a plurality of first cymbals (3); the first piezoelectric ceramic plates (2) are fixedly connected with one side of the bending plate (1), and the first cymbals (3) are correspondingly and fixedly connected onto the first piezoelectric ceramic plates (2); the middle part of the first cymbal (3) is not directly contacted with the first piezoelectric ceramic piece (2), and a space is reserved; the wide bandwidth is realized by utilizing the multi-mode of the composite structure, and the defect of narrow bandwidth of the traditional two-lamination, three-lamination type transducer and cymbal type transducer is overcome; meanwhile, the dual-lamination dual-bending cymbal has the characteristics of low frequency, small size and light weight of dual-lamination, three-lamination bending and cymbal bending vibration.)

一种复合式宽带换能器

技术领域

本发明属于水声技术领域，具体涉及一种复合式宽带换能器。

背景技术

声波是一种在液体、固体中远距传播的能量载体。利用声信号在媒介中的传播特性，人类可获得液体、固体的相关特性信息，这为人类认识海洋、开发海洋、石油勘探等提供了一种有效手段。

换能器作为一种声波信号产生的装置，在水声领域，有着重要的作用。而随着人类对海洋等复杂环境领域研究的深入，对换能器的要求也在提高。如为了信息传输量的增大，抗多途效应，响应快等，都需要换能器的带宽增加。

目前，传统的低频、小尺寸、重量轻的换能器包括如：二叠片式换能器、三叠片式换能器和钹式换能器；

其中，如图8所示，三叠片式换能器包括：弯曲板1、第一压电陶瓷片2和第二压电陶瓷片4；其中，第一压电陶瓷片2和第二压电陶瓷片4位于弯曲板1的两侧，；

二叠片式换能器包括：弯曲板1和第一压电陶瓷片2；其中，第一压电陶瓷片2 位于弯曲板1的一侧；即二叠片式换能器去除如图8所示的第二压电陶瓷4；

如图9所示，钹式换能器包括：第一压电陶瓷2、第一钹3和第二钹5；第一钹 3和第二钹5位于2弯曲板1的两侧。

但是，这些传统的低频、小尺寸、重量轻的换能器存在工作带宽窄的缺陷，造成了其在水声通信、测井等使用过程中波形起振慢、拖波长、信息传输慢、响应慢、获取信息少、偏离谐振点源级衰减快等问题。增加该类换能器工作带宽成为一个急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的换能器存在上述缺陷，本发明提出了一种复合式宽带换能器，其包括：弯曲板、若干第一压电陶瓷片和若干第一钹；若干第一压电陶瓷片固定连接弯曲板的一侧，且第一钹对应地固定连接第一压电陶瓷片之上；第一钹的中部与第一压电陶瓷片不直接接触，且留有空间。

作为上述技术方案的改进之一，第一压电陶瓷片固定弯曲板的一侧形成的第一连接面涂覆环氧，通过定位施加预应力，粘结所述第一连接面，并在80℃烘箱中烘 4小时以上。第一钹对应地固定在第一压电陶瓷片之上形成的第二连接面，通过定位施加预应力，粘结所述第二连接面，并在80℃烘箱中烘4小时以上。

作为上述技术方案的改进之一，第一压电陶瓷片与第一钹一一对应，且二者的个数相对。

作为上述技术方案的改进之一，第一压电陶瓷片采用具有压电性的功能性陶瓷材料，即非金属材料制成，如PZT材料；弯曲板、第一钹采用金属或非金属材质制成，三者的形状均为圆形或矩形。

作为上述技术方案的改进之一，所述弯曲板和第一钹的径向开设若干放射状窄缝。

作为上述技术方案的改进之一，所述复合式宽带换能器还包括：若干第二压电陶瓷片和若干第二钹；若干第二压电陶瓷片固定连接弯曲板的另一侧，且与若干第一压电陶瓷片相对称；第二钹固定连接在第二压电陶瓷片之下，且与第一钹相对称；第二钹的中部与第二压电陶瓷片不直接接触，且留有空间。

作为上述技术方案的改进之一，第二压电陶瓷片与第二钹一一对应，且二者的个数相对。

作为上述技术方案的改进之一，第二压电陶瓷片具有压电性的功能性陶瓷材料，即非金属材料制成，如PZT材料；第二钹采用金属或非金属材料制成，且二者的形状均为圆形或矩形；其中，第二压电陶瓷片与第一压电陶瓷片的形状相同，第二钹与第一钹的形状相同。

作为上述技术方案的改进之一，所述第二钹的径向开设若干放射状窄缝。

作为上述技术方案的改进之一，第二压电陶瓷片固定弯曲板的另一侧形成的第三连接面涂覆环氧，通过定位施加预应力，粘结所述第三连接面，并在80℃烘箱中烘4小时以上。第二钹对应地固定在第二压电陶瓷片之下形成的第四连接面，通过定位施加预应力，粘结所述第四连接面，并在80℃烘箱中烘4小时以上。其中，第一压电陶瓷片，第二压电陶瓷片，弯曲板各连接面可同时涂覆环氧，通过定位施加预应力，并在80℃烘箱中烘4小时以上。在此基础上，第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片4、弯曲板的粘接面可同时涂覆环氧，通过定位施加预应力，并在80℃烘箱中烘4小时以上，第一钹、第二钹的粘接面和已粘接好的结构的粘接面同时涂覆环氧，通过定位施加预应力，并在80℃烘箱中烘4小时以上。

作为上述技术方案的改进之一，第一钹、第二钹和弯曲板为金属材质时，第一压电陶瓷和第二压电陶瓷采用正极、负极分别并联的连接方式，把作为输入或输出的正负极分别焊接到钹和弯曲板上；焊接好后,依据双面工作或单面工作方式采用整体或部分灌注聚氨酯,并在80℃烘箱中烘4小时以上。

第一钹、第二钹和弯曲板为非金属材质时，第一压电陶瓷和第二压电陶瓷采用正极、负极分别并联的连接方式，把作为输入或输出的正极、负极直接从压电陶瓷正、负极引出。焊接好后,依据双面工作或单面工作方式采用整体或部分灌注聚氨酯, 并在80℃烘箱中烘4小时以上。

作为上述技术方案的改进之一，所述复合式宽带换能器分为两种工作方式：单面辐射和双面辐射；其中，

换能器采用单面工作方式时，所述复合式宽带换能器内嵌在刚性水密壳体内；并在二者的接触面放置去耦材料，如真空橡皮等；刚性水密壳体一部分和换能器单面灌注聚氨酯。将其放到80℃烘箱中烘4小时以上。

换能器采用双面工作方式时，换能器整体灌注聚氨酯，或部分灌注，确保使压电陶瓷水密，正负极不同时和工作环境介质接触即可。

本发明的优点在于：

本发明的换能器克服了传统或二叠片或三叠片换能器和钹式换能器谐振工作时带宽窄的缺点，利用复合结构的多模态实现较宽的工作带宽，从而有效解决工作带宽窄带来的相应问题；同时兼具二叠片、三叠片弯曲和钹弯张振动的低频、小尺寸、重量轻的特性。

附图说明

图1是本发明的一种复合式宽带换能器(即复合双钹换能器)的剖视图；

图2是本发明的另一个实施例的一种复合式宽带换能器(即复合单钹换能器) 的剖视图；

图3是本发明的一种复合式宽带换能器内嵌刚性水密壳体的单面工作的剖视图；

图4是本发明的若干复合式宽带换能器组成的换能器组阵的结构示意图；

图5是本发明的本发明的另一个实施例的一种复合式宽带换能器(即复合单钹换能器)的第一钹开设若干条窄缝的结构示意图；

图6是本发明的另一个实施例的一种复合式宽带换能器(即矩形复合双钹换能器)的结构示意图；

图6a是本发明的又一个实施例的一种复合式宽带换能器(即矩形复合双钹开口换能器)的结构示意图；

图7是本发明的一种复合式宽带换能器的发射响应示意图；

图8是现有的三叠片式换能器的结构示意图；

图9是现有的钹式换能器的结构示意图。

附图标记：

1、弯曲板 2、第一压电陶瓷片

3、第一钹 4、第二压电陶瓷片

5、第二钹 6、刚性水密壳体

7、聚氨酯 8、单向声波辐射

9、窄缝

具体实施方式

实施例1、

如图1所示，本发明提出了一种复合式宽带换能器，即复合双钹换能器，其包括：弯曲板1、若干第一压电陶瓷片2、若干第一钹3、若干第二压电陶瓷片4和若干第二钹5；若干第一压电陶瓷片2固定连接弯曲板1的上侧，且第一钹3对应地固定连接第一压电陶瓷片2之上；第一钹3的中部与第一压电陶瓷片2不直接接触，且留有空间；若干第二压电陶瓷片4固定连接弯曲板1的下侧，且与若干第一压电陶瓷片2相对称；第二钹5固定连接在第二压电陶瓷片4之下，且与第一钹3相对称；第二钹5的中部与第二压电陶瓷片4不直接接触，且留有空间。

作为上述技术方案的改进之一，如图1和3所示，第一压电陶瓷片2固定连接弯曲板1的上侧形成的第一连接面涂覆环氧，通过定位施加预应力，粘结所述第一连接面，并在80℃烘箱中烘4小时以上。第一钹3对应地固定连接在第一压电陶瓷片2之上形成的第二连接面，通过定位施加预应力，粘结所述第二连接面，并在80℃烘箱中烘4小时以上。第二压电陶瓷片4固定连接弯曲板1的下侧形成的第三连接面涂覆环氧，通过定位施加预应力，粘结所述第三连接面，并在80℃烘箱中烘4小时以上。第二钹5对应地固定连接在第二压电陶瓷片4之下形成的第四连接面，通过定位施加预应力，粘结所述第四连接面，并在80℃烘箱中烘4小时以上。

第一压电陶瓷片2，第二压电陶瓷片4，弯曲板1各连接面可同时涂覆环氧，通过定位施加预应力，并在80℃烘箱中烘4小时以上。在此基础上，第一钹3、第二钹5的粘接面和第一压电陶瓷片2、第二压电陶瓷片4的粘接面同时涂覆环氧，通过定位施加预应力，并在80℃烘箱中烘4小时以上。

作为上述技术方案的改进之一，第一压电陶瓷片2与第一钹3一一对应，且二者的个数相对。第二压电陶瓷片4与第二钹5一一对应，且二者的个数相对。

作为上述技术方案的改进之一，如图1所示，第一压电陶瓷片2采用具有压电性的功能性陶瓷材料，即非金属材料制成，如PZT材料；弯曲板1、第一钹3采用金属或非金属材料制成，且与第一压电陶瓷片2的形状均为圆形。第二压电陶瓷片4 采用具有压电性的功能性陶瓷材料，即非金属材料制成，如PZT材料，第二钹5采用金属或非金属材料制成，且与第二压电陶瓷片4的形状均为圆形；其中，第二压电陶瓷片4与第一压电陶瓷片2的形状相同，第二钹5与第一钹3的形状相同。

作为上述技术方案的改进之一，如图5所示，所述第一钹3和第二钹5的径向开设若干放射状窄缝。

作为上述技术方案的改进之一，如图4所示，将6个双钹换能器分布在弯曲板1 上，组成换能器组阵。

作为上述技术方案的改进之一，第一钹3、第二钹5和弯曲板1为金属材质时，第一压电陶瓷1和第二压电陶瓷4采用正极、负极分别并联的连接方式，把作为输入或输出的正负极分别焊接到钹3和弯曲板1上；焊接好后,依据双面工作或单面工作方式采用整体或部分灌注聚氨酯,并在80℃烘箱中烘4小时以上。

第一钹3、第二钹5和弯曲板1为非金属材质时，第一压电陶瓷1和第二压电陶瓷4采用正极、负极分别并联的连接方式，把作为输入或输出的正极、负极直接从压电陶瓷正、负极引出。焊接好后,依据双面工作或单面工作方式采用整体或部分灌注聚氨酯,并在80℃烘箱中烘4小时以上。

如图7所示，f1为弯曲板和压电陶瓷复合结构的弯曲模态，f2为钹的固有模态，换能器采用此复合结构，在接近的工作频段内有两个模态，而非单一结构的一个模态，从而达到展宽带宽的目的。

实施例2、

如图2所示，本发明提出了另外一种复合式宽带换能器，即复合单钹换能器，其包括：弯曲板1、若干第一压电陶瓷片2、若干第一钹3和若干第二压电陶瓷片4；若干第一压电陶瓷片2固定连接弯曲板1的上侧，且第一钹3对应地固定连接第一压电陶瓷片2之上；第一钹3的中部与第一压电陶瓷片2不直接接触，且留有空间；若干第二压电陶瓷片4固定连接弯曲板1的下侧，且与若干第一压电陶瓷片2相对称。

作为上述技术方案的改进之一，第一压电陶瓷片2与第一钹3一一对应，且二者的个数相对。

作为上述技术方案的改进之一，第一压电陶瓷片2采用具有压电性的功能性陶瓷材料，即非金属材料制成，如PZT材料；弯曲板1、第一钹3采用金属或非金属材料制成，和第一压电陶瓷片2的形状均为圆形。第二压电陶瓷片4采用具有压电性的功能性陶瓷材料，即非金属材料制成，如PZT材料；第二压电陶瓷片4的形状均为圆形；其中，第二压电陶瓷片4与第一压电陶瓷片2的形状相同。

作为上述技术方案的改进之一，

第一钹3和弯曲板1为金属材料时，第一压电陶瓷1和第二压电陶瓷4采用正极、负极分别并联的连接方式，把作为输入或输出的正负极分别焊接到钹3和弯曲板1上。焊接好后,依据双面工作或单面工作方式采用整体或部分灌注聚氨酯,并在 80℃烘箱中烘4小时以上。

第一钹3和弯曲板1为非金属材料时，第一压电陶瓷1和第二压电陶瓷4采用正极、负极分别并联的连接方式，把作为输入或输出的正负极直接从压电陶瓷正、负极引出。焊接好后,依据双面工作或单面工作方式采用整体或部分灌注聚氨酯,并在80℃烘箱中烘4小时以上。

实施例3、

如图6所示，本发明提出了另外一种复合式宽带换能器，即矩形复合双钹换能器，其包括：弯曲板1、若干第一压电陶瓷片2、若干第一钹3、若干第二压电陶瓷片4和若干第二钹5；若干第一压电陶瓷片2固定连接弯曲板1的上侧，且第一钹3 对应地固定连接第一压电陶瓷片2之上；第一钹3的中部与第一压电陶瓷片2不直接接触，且留有空间；若干第二压电陶瓷片4固定连接弯曲板1的下侧，且与若干第一压电陶瓷片2相对称；第二钹5固定连接在第二压电陶瓷片4之下，且与第一钹3相对称；第二钹5的中部与第二压电陶瓷片4不直接接触，且留有空间。

作为上述技术方案的改进之一，第一压电陶瓷片2与第一钹3一一对应，且二者的个数相对。第二压电陶瓷片4与第二钹5一一对应，且二者的个数相对。

作为上述技术方案的改进之一，第一压电陶瓷片2采用具有压电性的功能性材料制成，即非金属材料，如PZT材料；弯曲板1、第一钹3采用金属或非金属材料制成，和第一压电陶瓷片2的形状均为矩形。第二压电陶瓷片4采用具有压电性的功能性陶瓷材料，即非金属材料制成，如PZT材料；第二钹5采用金属或非金属材料制成，和第二压电陶瓷片4的形状均为矩形；其中，第二压电陶瓷片4与第一压电陶瓷片2的形状相同，第二钹5与第一钹3的形状相同。

作为上述技术方案的改进之一，如图6所示，所述第一钹3和第二钹5均为向外凸起，且其内留有横截面为梯形的全封闭空间。在其他具体实施例中，如图6a所示，所述第一钹3和第二钹5均为向外凸起，且其内留有横截面为梯形的非全封闭空间。

作为上述技术方案的改进之一，

第一钹3、第二钹5和弯曲板1为金属材料时，第一压电陶瓷1和第二压电陶瓷 4采用正极、负极分别并联的连接方式，把作为输入或输出的正负极分别焊接到钹3 和弯曲板1上。焊接好后,依据双面工作或单面工作方式采用整体或部分灌注聚氨酯, 并在80℃烘箱中烘4小时以上。

第一钹3、第二钹5和弯曲板1为非金属材料时，第一压电陶瓷1和第二压电陶瓷4采用正极、负极分别并联的连接方式，把作为输入或输出的正负极直接从压电陶瓷正、负极引出。焊接好后,依据双面工作或单面工作方式采用整体或部分灌注聚氨酯,并在80℃烘箱中烘4小时以上。

作为上述技术方案的改进之一，在上述的实施例中，所述复合式宽带换能器分为两种工作方式：单面辐射和双面辐射；其中，

所述换能器采用单面工作方式时，如图3所示，所述复合式宽带换能器内嵌在刚性水密壳体内；并在二者的接触面放置去耦材料，如真空橡皮等；用于；刚性水密壳体内关注聚氨酯，用于。将其放到80℃烘箱中烘4小时以上。在其他具体实施例中，将多个复合式宽带换能器对称地置于圆筒结构的两端，且在换能器与圆筒结构的接触面放置去耦材料，并灌注水密胶体。

所述换能器采用双面工作方式时，换能器整体灌注聚氨酯，或部分灌注，使压电陶瓷水密，正负极不同时和工作环境介质接触即可。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。