專利名稱：新型寬帶超聲壓電復合換能器的制作方法
技術領域：
本發明屬于壓電學及敏感技術領域。利用壓電器件進行力學量、聲學信號測量的領域，其主要用于艦船、潛艇的水下聲學寬帶接收或發射換能器。
背景技術：
現有技術的超聲壓電復合換能器是在壓電陶瓷片兩側各粘接一片厚度相同的拱形圓帽電極，構成金屬——陶瓷壓電復合換能器。它是利用金屬端帽的這種特殊形狀，將壓電陶瓷片的橫向壓電效應轉換并放大成縱向壓電效應，使得換能器的等效壓電常數增大。這種器件文獻記載很多，例如歐洲專利EP-238187『鈸式接觸微音器』、德國專利DE3508719『鈸式拾音器』、世界專利WO200119136『電聲換能器』，它們都涉及到了該種形式的壓電復合換能器。由于上、下兩電極粘接和元件的幾何尺寸的不對稱性，可引起換能器產生多諧振，這是使用者所不期望的。
發明內容
本發明的目的利用金屬——陶瓷壓電復合換能器上、下兩電極結構的不對稱特性，設計一種既能保持該種結構換能器的較高的壓電性，又能制作出實用、工藝簡單的寬帶超聲壓電復合換能器，用于寬帶窄脈沖接收或發射換能器。
為達到上述目的，本發明的寬帶超聲壓電復合換能器，包括壓電陶瓷片(1)和粘接在壓電陶瓷片(1)上的上端帽電極(2)、下端帽電極(3)，其特征是上端帽電極(2)厚度tb1與下端帽電極(3)厚度tb2不相同，其中tb1和tb2的取值范圍分別為0.15mm～0.59mm。
本發明的技術方案進一步包括上端帽電極(2)厚度tb1小于下端帽電極(3)厚度tb2，或上端帽電極(2)厚度tb1大于下端帽電極(3)厚度tb2的情況。
本發明的新型寬帶超聲壓電復合換能器的優點是1)充分利用了結構不對稱現象，實現了特定工作帶寬的要求，在不改變該換能器基本結構的前提下，僅僅改變上、下端帽電極的材料厚度，使上、下端帽電極在工作時產生兩個不同的諧振頻率。
2)本方案使得新型寬帶超聲壓電復合換能器的設計簡單化，在實際設計時，只要測出兩個不同端帽電極材料厚度的換能器的諧振頻率，就可確定相關公式中的系數B，從而設計出所需要的寬帶換能器。
3)由于本方案沒有改變換能器的基本結構，因此，換能器本身的壓電系數沒有改變，制作方法沒有改變，制作工藝仍保持原來的方法，簡單易行。
圖1為新型寬帶超聲壓電復合換能器變端帽電極厚度結構截面圖。
具體實施方案下面結合附圖和實施例對本發明新型寬帶超聲壓電復合換能器做進一步詳細描述。
本發明新型寬帶超聲壓電復合換能器第一個實施例是采用兩端帽電極的不同材料厚度，上、下端帽內腔深度相同，其特征是上端帽電極2厚度tb1小于下端帽電極3厚度tb2，其中tb1和tb2的差值范圍分別為0.15mm～0.59mm。
當本發明新型寬帶超聲壓電復合換能器的第一工作諧振頻率fB1和工作帶寬(即fB2-fB1)確定后，端帽電極材料厚度差Δtb可根據下式fB2＝B·Δtb+fB1(1)計算出Δtb，從而可以根據已知的一個端帽電極厚度得到另外一個端帽電極厚度。
式中B為實驗常數，它是這樣得到的上下電極厚度均為a1時，測得一個諧振頻率f1，上下電極厚度均為a2時，測得一個諧振頻率f2，則B為|f1-f2|與|a1-a2|之間的比值，這是由于諧振頻率的大小與上、下端帽電極的材料厚度成線性關系，故該比值是一個常數，fB1為上端帽電極2、下端帽電極3材料厚度相同時的第一工作諧振頻率。
給定如下參數壓電陶瓷片1的厚度tp＝1mm、壓電陶瓷片1的直徑dp＝12mm、端帽電極2和3的內腔直徑de2＝9mm、端帽電極2和3的頂端直徑de1＝3mm、端帽電極2和3的內腔深度te1＝te2＝0.5mm時，fB1＝33KHz(上、下端帽電極材料厚度都為tb1＝0.15mm)，B＝52KHz/mm時，如果設計帶寬ΔfB＝7KHz，即fB2＝40KHz，根據式(1)可得到Δtb＝0.1mm，即tb2＝tb1+Δtb＝0.25mm，這樣可以得到下端帽電極3的厚度tb2。
本發明新型寬帶超聲壓電復合換能器第二個實施例是當其它條件與第一實施例相同時，如果設計帶寬ΔfB＝13KHz，即fB2＝46KHz，根據式(1)可得到Δtb＝0.25mm，即tb2＝tb1+Δtb＝0.4mm，這樣可以得到下端帽電極3的厚度tb2。
本發明新型寬帶超聲壓電復合換能器第三個實施例是當其它條件與第一實施例相同時，如果設計帶寬ΔfB＝23KHz，即fB2＝56KHz，根據式(1)可得到Δtb＝0.44mm，即tb2＝tb1+Δtb＝0.59mm，這樣可以得到下端帽電極3的厚度tb2。
本發明新型寬帶超聲壓電復合換能器第四個實施也是采用兩端帽電極材料厚度不同的方案，與以上三個實施例不同之處在于上端帽電極2材料厚度大于下端帽電極3材料厚度，其它與第一個實施例相同。因此，不再贅述。
上述四種實施例都是在給定帶寬ΔfB，從而計算出另一個端帽電極tb2的厚度。也可以先設定端帽電極tb2的厚度，從而計算出相應的帶寬ΔfB。
上述幾種實施例都是在給定特定的壓電陶瓷片的厚度、壓電陶瓷片的直徑、端帽電極的內腔直徑、端帽電極的頂端直徑情況下獲得的。在實際應用中上述參數也是可以改變的，當有的參數改變時，其計算方法也是應用公式(1)，只是系數B不同而已。
權利要求
1.一種寬帶超聲壓電復合換能器，包括壓電陶瓷片(1)和粘接在壓電陶瓷片(1)上的上端帽電極(2)、下端帽電極(3)，其特征是上端帽電極(2)厚度tb1與下端帽電極(3)厚度tb2不相同，其中tb1和tb2的取值范圍分別為0.15mm～0.59mm。
2.如權利要求1所述的寬帶超聲壓電復合換能器，其中上端帽電極(2)厚度tb1小于下端帽電極(3)厚度tb2。
3.如權利要求1所述的寬帶超聲壓電復合換能器，其中上端帽電極(2)厚度tb1大于下端帽電極(3)厚度tb2。
全文摘要
本發明屬于壓電學及敏感技術領域。用于艦船、潛艇的水下聲學寬帶接收或發射換能器。本發明的新型寬帶超聲壓電復合換能器包括壓電陶瓷片和粘接在壓電陶瓷片上、下兩端帽電極。在不改變該換能器基本結構的前提下，采用兩端帽電極的不同材料厚度實現新型寬帶超聲壓電復合換能器。優點是充分利用了結構不對稱現象，實現了特定工作帶寬的要求，使設計簡化。
文檔編號B06B1/06GK1621163SQ20041010173
公開日2005年6月1日 申請日期2004年12月24日 優先權日2004年12月24日
發明者李鄧化, 王麗娜, 居偉俊, 賈美娟 申請人:北京信息工程學院