[发明专利]基于剪切振动和弯张振动的压电振子、换能器及制作方法

说明书

本发明涉及一种基于剪切振动和弯张振动的压电振子、弯张换能器及其制作方法。本发明突破传统1‑3型压电复合材料换能器应用d₃₃模态的限制，选用具有更高压电常数和机电耦合系数的d₁₅模态来充当振动元，同时克服d₁₅模态产生剪切振动的弱点，将其剪切振动通过特殊的结构设计转化为弯张外壳上下表面的弯张振动，以此来达到应用剪切振动模态产生横波的目的，并制作低频高功率小尺寸换能器，满足水下远距离通信、探测等需求。在水声领域，该基于剪切振动和弯张振动的压电振子能够提高声呐系统的作用距离以及探测精度，为军事探测、预警、民用航海、捕鱼等提供有效帮助。

技术领域

本发明属于压电换能器技术领域，具体涉及一种基于剪切振动和弯张振动的压电振子、弯张换能器及其制作方法。

背景技术

压电复合材料作为换能器的核心敏感材料经过近半个世纪的快速发展。因其既具有压电相材料的性能又可以通过添加聚合物相来提高材料的综合性能，故在超声无损检测、地质探测、水下声呐等方面有着无可替代的作用。

压电陶瓷的剪切振动模态作为典型振动模态的一种，其极化方向和电场方向垂直分布，在极化方向和电场方向组成的平面内产生剪切形变。对于大多数压电元件，压电陶瓷剪切振动模态的压电系数d₁₅比d₃₃系数高出50-70％，且其频率常数、介电常数都较低。

目前，国内外对于压电材料d₁₅模态有了一部分研究，大部分都是通过结构设计来利用d₁₅独特的剪切形变，且多用于能量收集领域。如美国新泽西州立大学的Ahmad等人设计了一种应用d₁₅模式的压电复合材料，压电陶瓷柱以45度角放置于聚合物中。然而由于其工艺复杂，性能提升不明显，没能得到广泛应用。上海硅酸盐研究所罗豪甦项目组将工作于d₁₅模态的PMNPT单晶应用于俘能器上，通过质量块和悬臂梁的作用，将外界振动转化为压电单晶的切向形变，取得了较高的输出电功率。湘潭大学的郑学军等人将两块工作于d₁₅模态的PZT压电陶瓷串联应用于压电俘能器上，性能得到了进一步提高。巴西圣保罗大学的Trindade等人应用d₁₅模态设计了一种复合材料。该压电材料的压电应变常数d₁₅和介电常数并没有减小，而压电电压常数e₁₅和剪切模量却降低了90％。北京航空航天大学的梁艳等人提出基于d₁₅剪切机电耦合的接触型行波压电微电机，采用单体PZT作为定子，定子在交变电场的作用下产生一阶和二阶的弯曲振动模态，摆动的定子表面产生行波并以顺时针或逆时针的方向摩擦转子使其转动。该结构较同类型产品优势在于小型化，转速高，扭矩大。清华大学的胡军等人应用压电陶瓷的d₁₅模态构成压电圆管，通过剪切振动带动磁性材料旋转形成磁电耦合，较非d₁₅模态的剪切换能器相比能量密度大幅提高，证明其在磁传感器，换能器以及俘能器等方面有较好的应用前景。中南大学冶金国家重点实验室的张窦教授提出剪切压电纤维复合材料(SPFC)的新颖结构，其极化方向是厚度方向，在水平方向交替施加电场。在驱动条件下，SPFC显示出较大的剪切应变。至此，越来越多的科研学者青睐于d₁₅的优良特性，可见，d₁₅剪切振动模态还有着极大的研究价值和广阔的应用前景。

发明内容

为了突破传统1-3型压电复合材料换能器应用d₃₃模态的限制，本发明提供一种基于剪切振动(d₁₅模态)和弯张振动的低频大功率小尺寸换能器及其制作方法，创新性地选用具有更高压电常数和机电耦合系数的d₁₅模态来充当振动元，同时克服d₁₅模态产生剪切振动的弱点，将其剪切振动通过特殊的结构设计转化为弯张外壳上下表面的弯张振动，以此来达到应用剪切振动模态产生横波的目的，并制作低频高功率小尺寸换能器，以满足水下远距离通信、探测等需求。

本发明采用的技术方案如下：