[发明专利]一种曲面压电复合材料的制备方法及叠堆圆管换能器

说明书

技术领域

本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种适用于水声换能器的曲面压电复合材料的制备方法，以及采用该曲面压电复合材料的叠堆圆管换能器。

背景技术

换能器是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的装置，通常所说的换能器是指电声换能器，能实现电能与声能之间的相互转换，发射换能器将电能转换成机械能，再转换成声能，用来发射声波，接收换能器将声能转换成机械能，再转换成电能，用来接收声波。由于声波是迄今人类所掌握的唯一能在浩瀚大海中远距离传递信息和能量的载体，因此目前水下探测、通讯、导航、测绘等主要依赖水下电声换能器（又称水声换能器）。换能器基阵是将多个换能器排列组成阵列（收发均可），以形成更大探测范围和探测更远的距离。

随着水声技术迅速发展要求不断的提高换能器的性能，主要聚焦于以下几个方面：（1）降低换能器的工作频率。频率越低海水吸收衰减越小，换能器发射的声波传播距离越远。（2）拓展工作带宽。工作频带宽可发射和接收更多的信息，并便于换能器基阵的信号处理。（3）提高发射电压响应和接收灵敏度，以增加主动声纳的作用距离及微弱信号（如静音潜艇）的探测能力。水声探测中要求换能器发射/接收更多的信息，即一个换能器需要覆盖更宽的工作频段，从而减少换能器使用数量，另外换能器基阵的广泛应用，其信号处理不但要求换能器基元的一致性，还需要基元具有宽带特性，因为宽带信号相干处理，可使系统获得更强的增益和更远的探测距离；宽带信号脉冲压缩，可提高换能器基阵的分辨率。因此换能器宽带技术的研究突显出越来越重要的地位。

传统的宽带换能器主要有复合材料换能器和多模耦合换能器。前者是采用陶瓷-聚合物复合材料制作的换能器，它通过降低复合材料元件的机械品质因素（Q_m）值来拓展带宽。另一类多模耦合换能器，其拓宽频带的基础是多模态耦合理论。随着宽带换能器的应用范围不断扩大，进一步拓展换能器工作频带的需求也日益增强，促使人们进一步开发新的宽带技术，继而催生了多种新型复合材料换能器，如采用1-3型压电复合材料等。

现有的换能器分别采用降低材料Q_m值和多模振动耦合两种方法拓宽频带宽度，近期出现的复合材料多模换能器，将两种方法有机结合进一步拓展了换能器的工作频带。但由于1-3型复合材料目前的制备工艺（切割陶瓷-浇注树脂）难于曲面成型，造成现行的复合材料换能器均为面阵结构，导致其辐射波束仅限于平面，开角较小，限制了换能器的探测范围。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种曲面压电复合材料的制备方法以及应用该曲面压电复合材料的叠堆圆管换能器，能够制备曲面状（圆管或圆弧）的压电复合材料，实现高频宽带水平全向的辐射声波，弥补现有复合材料宽带换能器波束开角有限的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种曲面压电复合材料的制备方法，其步骤包括：

1）在第一方向对压电陶瓷进行切割；

2）在第一方向的切割缝隙内浇注树脂；

3）在与第一方向垂直的第二方向对浇注树脂后的压电陶瓷进行切割；

4）在第二方向的切割缝隙内填充柔性材料，形成可弯曲的复合材料片材；

5）对填充柔性材料后的复合材料片材进行弯曲，形成曲面形状；

6）对第二方向填充的柔性材料进行溶蚀；

7）在溶蚀后的第二方向的缝隙内浇注树脂，形成曲面形状的压电复合材料。

进一步地，步骤2）、步骤7）所述树脂为环氧树脂，还可以采用聚氨酯等材料；步骤4）所述柔性材料为橡胶材料。

进一步地，步骤5）应用模具对填充橡胶的复合材料进行弯曲，曲面形状为圆弧或圆管；步骤7）在二次浇注环氧树脂后进行脱模。

进一步地，在步骤7）之后还包括制备电极的步骤。

一种叠堆圆管换能器，其敏感元件包括若干叠堆的压电圆管，所述压电圆管采用上述曲面压电复合材料。

进一步地，所述若干叠堆的压电圆管的外径相同，内径不同，各压电圆管同轴叠堆。

进一步地，所述叠堆圆管换能器还包括支架、盖板、电极引线、防水透声壳层和输出电缆；支架贯穿叠堆的各压电圆管，与两端的盖板共同对叠堆的压电圆管进行固定和定位；叠堆的压电圆管的电极并联，其电极引线与输出电缆连接；防水透声层封于整个换能器外部。

进一步地，所述盖板和与其接触的压电圆管之间设有垫圈，所述叠堆的压电圆管之间设有垫圈。

进一步地，所述防水透声层的材料为聚氨酯橡胶。