一种基于3D打印技术的水声发射换能器

一种基于3d打印技术的水声发射换能器
技术领域
1.本实用新型涉及声呐领域，具体为一种基于3d打印技术的水声发射换能器。


背景技术：

2.声波是目前为止人类唯一所能够掌握的在海洋中传递信息和能量的载体。随之衍生的声纳就是人们利用声波研制的，声纳可以对水下目标进行探测、定位、识别和通信。发射换能器是水下声纳系统的重要组成部分，是水下探测、识别、通信必不可少的工具，它一般有机械振动系统和电磁储能元件。如果将电振荡信号加到储能元件上就会引起电场或者磁场的变化。这种变化借助压电或者磁导致伸缩现象，对机械振动系统产生一个推力，使其进入振动状态，然后带动周围介质振动，通过向介质中辐射声波，最终形成电信号和声信号的转变。
3.3d打印技术通常又被称为增材制造。这项技术不需要传统的刀具、夹具和复杂的加工程序，只需要一台具备三维设计能力的计算机，通过计算机控制与它连接的3d打印机，就可以通过熔融焊接焊接等手段将打印材料逐层构件，从而快速、精确地制造出任意形状的物件。目前3d打印的主要材料包括尼龙、石膏、陶瓷、钛合金和橡胶等材料。3d打印技术可以细分为多个类型，主要是靠材料和构层方式来区分。就目前而言最先进的是直接金属激光烧结，掌握该技术的组织在全球范围内也屈指可数。sls式3d打印机具有成形速度快、系统工作稳定、表面质量较好，比较光滑等优点。通过3d打印技术可以快速打印出设计的压电陶瓷晶片，所制造出的发射转换器具有较大的发射响应和振动传递，为此提供一种基于3d打印技术的水声发射换能器。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种基于3d打印技术的水声发射换能器，以解决上述背景技术提出的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于3d 打印技术的水声发射换能器，包括金属外壳、预应力螺钉、背衬、压电陶瓷晶片堆、发射端、防水透声聚氨酯层和硬质泡沫塑料，压电陶瓷晶片由pzt-4型压电陶瓷打印成薄圆环，内控用于安装预应力螺钉，相邻陶瓷片之间极化方向相反，两陶瓷片之间夹有薄铜片引出电极，发射端采用倒装喇叭口形状的变幅杆和压电陶瓷晶片堆连接，背衬夹于预应力螺钉和压电陶瓷晶片堆之间，预应力螺钉通过弹性垫圈贯穿背衬和压电陶瓷晶片堆和发射端连接，最后整个结构用硬质泡沫塑料包裹，再有金属外壳封装。
6.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述预应力螺钉用于固定发射端、压电陶瓷晶片堆和背衬，同时施加预应力于压电陶瓷晶片堆，以增大压电振子阻抗，从而提高所能承受的发射功率。
7.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述背衬采用大密度的钢制成，所述背衬长度的变化决定着发射换能器谐振频率的变化。
8.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述压电陶瓷晶片堆由 pzt-4型压电陶瓷直接打印而成，两相邻陶瓷片之间极性相反并且中间夹有黄铜垫片，形成压电陶瓷晶片堆。
9.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述发射端由铝制成，形状为倒装喇叭口，作用是将压电陶瓷堆叠结构的振动集中到一个较小的发射头上。
10.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述防水透声聚氨酯层用于发射端与外界接口的密封以及增大与铝外壳的接触面积，达到更好的密封效果。
11.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述硬质泡沫塑料用于固定内部整体结构。
12.本实用新型的有益效果是：本实用新型的水声发射换能器采用 3d打印压电陶瓷晶片，并且预应力螺钉施加一定给晶片堆，增大了压电振子的阻抗，提高发射功率；本实用新型的水声发射换能器的发射端采用倒装喇叭口形状的变幅杆，使得辐射波束的开角，从而增大了换能器的指向性开角。
附图说明
13.图1为本实用新型的结构示意图。
14.图中：1.防水透声聚氨酯层；2.硬质泡沫塑料；3.弹性垫圈；4. 金属外壳；5.背衬；6.预应力螺钉；7.正向极化压电陶瓷；8.反向极化压电陶瓷；9.发射端。
具体实施方式
15.下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
16.实施例：请参阅图1，本实用新型提供一种技术方案：一种基于 3d打印技术的水声发射换能器，包括防水透声聚氨酯层1、硬质泡沫塑料2、弹性垫圈3、金属外壳4、背衬5、预应力螺钉6、正向极化压电陶瓷7、反向极化压电陶瓷8和发射端9，正向极化压电陶瓷7 和反向极化压电陶瓷8构成压电陶瓷晶片堆，压电陶瓷晶片由pzt-4 型压电陶瓷打印成薄圆环，内控用于安装预应力螺钉6，相邻陶瓷片之间极化方向相反，两陶瓷片之间夹有薄铜片引出电极，发射端9采用倒装喇叭口形状的变幅杆和压电陶瓷晶片堆连接，背衬5夹于预应力螺钉6和压电陶瓷晶片堆之间，预应力螺钉6通过弹性垫圈3贯穿背衬5和压电陶瓷晶片堆和发射端9连接，最后整个结构用硬质泡沫塑料2包裹，再有金属外壳4封装。
17.金属外壳4由铝制作而成，也可由铜、钢等金属制成，负责器件的电磁屏蔽，以及压电陶瓷晶片和发射端的密封。
18.预应力螺钉6用于固定发射端、压电陶瓷晶片堆和背衬，同时施加一定的预应力于压电陶瓷晶片堆，以增大压电振子阻抗，从而提高所能承受的发射功率。
19.背衬5采用密度较大的钢制成，背衬长度的变化决定着发射换能器谐振频率的变化。
20.压电陶瓷晶片堆由pzt-4型压电陶瓷直接打印而成，两相邻陶瓷片之间极性相反并且中间夹有黄铜垫片，形成压电陶瓷晶片堆。
21.发射端9由铝制成，形状为倒装喇叭口，作用是将压电陶瓷堆叠结构的振动集中到
一个较小的发射头上。
22.防水透声聚氨酯层1用于发射端9与外界接口的密封以及增大与铝外壳的接触面积，达到更好的密封效果。
23.硬质泡沫塑料2用于固定内部整体结构。
24.工作原理：一种基于3d打印技术的水声发射换能器，包括防水透声聚氨酯层1、硬质泡沫塑料2、弹性垫圈3、金属外壳4、背衬 5、预应力螺钉6、正向极化压电陶瓷7、反向极化压电陶瓷8、发射端9，将压电陶瓷制成薄圆环在机械上串联于预应力螺钉上，电路上并联构成压电振子且相邻陶瓷片极性相反。当在振子上施加交变电压时，振子将产生轴向振动，从而使发射端9和背衬5产生振动比，然后发射端向外辐射声波，本实用新型换能器的发射功率较大，同时也具有较高的灵敏度。
25.上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。


技术特征：
1.一种基于3d打印技术的水声发射换能器，其特征在于，包括金属外壳、预应力螺钉、背衬、压电陶瓷晶片堆、发射端、防水透声聚氨酯层和硬质泡沫塑料，压电陶瓷晶片由pzt-4型压电陶瓷打印成薄圆环，内控用于安装预应力螺钉，相邻陶瓷片之间极化方向相反，两陶瓷片之间夹有薄铜片引出电极，发射端采用倒装喇叭口形状的变幅杆和压电陶瓷晶片堆连接，背衬夹于预应力螺钉和压电陶瓷晶片堆之间，预应力螺钉通过弹性垫圈贯穿背衬和压电陶瓷晶片堆和发射端连接，最后整个结构用硬质泡沫塑料包裹，再有金属外壳封装。2.根据权利要求1所述一种基于3d打印技术的水声发射换能器，其特征在于，所述预应力螺钉用于固定发射端、压电陶瓷晶片堆和背衬，同时施加预应力于压电陶瓷晶片堆，以增大压电振子阻抗，提高所能承受的发射功率。3.根据权利要求1所述一种基于3d打印技术的水声发射换能器，其特征在于，所述背衬采用大密度的钢制成，所述背衬长度的变化决定着发射换能器谐振频率的变化。4.根据权利要求1所述一种基于3d打印技术的水声发射换能器，其特征在于，所述压电陶瓷晶片堆由pzt-4型压电陶瓷直接打印而成，两相邻陶瓷片之间极性相反并且中间夹有黄铜垫片，形成压电陶瓷晶片堆。5.根据权利要求1所述一种基于3d打印技术的水声发射换能器，其特征在于，所述发射端由铝制成，形状为倒装喇叭口。6.根据权利要求1所述一种基于3d打印技术的水声发射换能器，其特征在于，所述防水透声聚氨酯层用于发射端与外界接口的密封以及增大与铝外壳的接触面积，达到更好的密封效果。7.根据权利要求1所述一种基于3d打印技术的水声发射换能器，其特征在于，所述硬质泡沫塑料用于固定内部整体结构。

技术总结
本实用新型公开了一种基于3D打印技术的水声发射换能器，包括金属外壳、预应力螺钉、背衬、压电陶瓷晶片堆、发射端、防水透声聚氨酯层和硬质泡沫塑料。所述压电陶瓷晶片在3D打印机中完全打印，相邻两陶瓷片极性相反且中间有黄铜垫片，其前后分别粘接发射端和背衬。所述发射端通过黄铜片与压电陶瓷晶片堆连接。所述预应力螺钉和背衬粘结并贯穿背衬、压电陶瓷晶片堆和发射端连接。本实用新型的水声发射换能器通过采用夹心式堆叠晶片结构获得了较大的发射响应，各部分使用环氧树脂连接实现了良好的振动传递，发射端采用复合变幅杆，解决了已有发射换能器发射面积大的问题。发射换能器发射面积大的问题。发射换能器发射面积大的问题。


技术研发人员：陈劲松 翟亚进 王亚洲 袁振东 姚俊杰 顾焱 张许涵
受保护的技术使用者：江苏海洋大学
技术研发日：2021.03.18
技术公布日：2022/2/7