校讲义《水声换能器设计与制作工艺》实验指导书水声工程学院王文芝目录1.实验一压电瓷材料主要参数测试 (1)2.实验二环氧树脂粘结与灌封工艺实验 (4)3.实验三薄壁圆管换能器的制作 (6)4.实验四复合棒换能器的制作 (10)5.实验五聚氨酯橡胶的灌封工艺 (13)6.实验六薄圆片径向振动换能器的制作 (15)7.实验七薄长片长度振动换能器的设计与制作 (18)8.实验八水声换能器电声性能参数测量实验 (20)9.实验九氯丁橡胶硫化工艺实验 (26)10.实验十超声应用实验 (27)实验一、压电瓷材料主要参数测试一、实验目的：掌握压电瓷材料性能参数的测试方法，了解主要参数的计算方法。

二、实验容：1.学习实验仪器的使用；2.用“谐振-反谐振”法测试PZT-4、PZT-5的主要参数；3.电容电桥测量T C ，δtg ；4.用NW1232低频频率特性测试仪测量1,,m n m f f f ；5.用ZJ-3A 型准静态33d 测量仪测量各元件的33d 值。

三、实验仪器：信号源 GFG ——8250A 一台毫伏表 DF2175 二台π型网络转接器 自制 一个低频频率特性测试仪 NW1232 一台准静态33d 测量仪 ZJ-3A 一台电容电桥 一台四、实验原理：通过“谐振-反谐振”方法，测试压电瓷材料的串联谐振频率s f 、并联谐振频率1s p f f 及等，计算出各主要参数。

实验仪器：五、仪器连接：六：实验方法：1.按图连接好仪器。

2.打开仪器开关，将样品夹到夹持架两顶尖处，注意夹持力要尽量小，以样品不掉下来即可，夹持点应选在样品的中心处。

3.调节输入电压，测量薄圆片和薄长条片材料时，使V=1V ，测量长圆柱试样时，使V=3V 。

4.调节信号频率，按测量参数的需要测出试样的1,,m n m f f f ，测量1,m m f f 时，将转接器开关拨到2T R ，测量n f 时将转接器开关拨到3T R ，注意观察输出电压，当输出电压出现第一个峰值时，此时的信号频率即为m f ，继续调节输入信号频率，当输出电压出现第一个谷值时，此时频率为n f ，当输出电压出现第二个峰值时，此时的输入信号频率为1m f 。

5.用NW1232低频频率特性测试仪测量1,,m n m f f f 时，选扫频方式为“线性”，检波方式为“线性”，调节扫频宽度可观测到频率特性曲线，再将扫频方式改为“手动”，可在相应位置测出1,,m n m f f f 。

6.ZJ-3A 静态33d 测量仪使用方法见附页。

七、实验步骤：1、用薄圆片试样（PZT-4，PZT-5二种）测试材料的δεσtg k T p ,,,332、用薄长方片试样（PZT-4，PZT-5二种）测试材料的311131),(,d Y S k E3、用长圆柱试样（PZT-4）测试材料的333333,,d S k E ，S 33D要求：每个频率反复测量3次，取平均值。

附页 ZJ-3A型准静态33d 测量仪操作方法一般手续 下面的一般手续适用于试样电容值小于0.01F μ(对×1档)或小于0.001F μ(对×0.1档)的情况。

1.用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好。

2.把附件盒的塑料片插入测量头的上下两探头之间，调节测量头顶端的手轮，使塑料片刚好压住为止。

3.把仪器后面板上的“力-33d ”选择开关置“33d ”一侧。

（如置“力”一侧，则面板表上显示的低频交变力值，应为“250”左右，这是低频交变力0.25N 的对应值）。

4.使仪器后面板上的33d 量程选择开关，按被测试样的33d 估计值，处于适当位置，如无法确定估计值，则从大量程开始。

（d量程选择开关置×1一侧）。

335.在仪器通电预热10分钟后，调节仪器前面板上的调零旋钮使面板表指示在“0”与“-0”之间。

6.去掉塑料圆片，插入待测试样于上下两探头之间（参考图1），调节手轮使探头与样品刚好夹持好住，静压力应尽量小，使面板表指示值不跳动即可。

静压力不宜过大，如力过大，会引起压电非线性，甚至损坏测量头。

但也不能过小，以致试样松动，指示值不稳定。

待指示值稳定后，即可读取d的数值33和极性。

当测量大量同样厚度的试样时，则可轻轻压下测量头的胶木板，取出已测试样，插入一个待测样品后，松开胶木板即可；不必再调节测量头上方的调节手轮，这样既方便，且还使静压力保持一致。

7.为减小测量误差，零点如有变化或换档时，需重新调零。

实验二环氧树脂粘结与灌封工艺实验一、实验目的：学习环氧树脂粘结与灌封工艺，掌握粘结与灌封用环氧树脂的配方与调制方法。

二、实验容：1、配制粘结与灌封用环氧树脂胶；2、用环氧树脂胶粘结金属片。

三、实验仪器及材料：电子天平1台组合工具1套环氧树脂适量邻苯二甲酸二丁脂适量多乙烯多胺适量乙醇适量金属片3个螺钉1个四、实验步骤粘结工艺实验：1、选择合适的配方：（配方一）环氧树脂 (100)邻苯二甲酸二丁脂 (20)多乙烯多胺………………………14～17呋喃树脂 (25)（配方二）环氧树脂 (100)一缩二乙二醇 (5)2、粘结物体表面处理：金属片表面磨砂后用乙醇清洗。

3、按配方调制环氧树脂胶：用天平称量容器，首先加入环氧树脂，之后加入增塑剂，最后加入固化剂，将混合液搅拌均匀备用。

如果有需要可加入填料。

4、先在要粘结的物体表面均匀地涂上环氧树脂胶，越薄越好，再将粘结的物体表面对合在一起，加压，擦去多余的胶。

5、按配方规定的固化条件进行固化。

灌封工艺：（附加介绍，后续实验将会用到）1、选择合适的配方：环氧树脂 (100)邻苯二甲酸二丁脂 (20)多乙烯多胺………………………14～17呋喃树脂 (25)2、预处理：用乙醇清洗模具及灌封体表面。

3、在模具表面均匀地涂上脱模剂：低温润滑脂或真空脂。

4、按配方调制环氧树脂胶：用天平称量容器，首先加入环氧树脂，之后加入增塑剂，最后加入固化剂，将混合液搅拌均匀备用。

如果有需要可加入填料。

5、将调制好的环氧树脂胶放置10分钟左右，待胶液中的气泡浮起后用热风将其吹除。

6、将吹除气泡后的环氧树脂胶到入模具中，继续观察有无气泡出现，发现气泡及时去除，直到不再产生气泡为止7、放置在室温环境中，24小时后固化反应完成。

思考题：1、环氧树脂胶中有气泡会对灌封后的换能器产生什么影响？2、粘结过程中为什么要严格地进行清洁处理？实验三、薄壁圆管换能器的制作一、实验目的：掌握薄壁圆管接收换能器的设计、制作方法，了解这类换能器生产制作的工艺过程。

二、实验容：1.设计并制作一只中心工作频率kHz 60=r f 的圆柱型水听器。

2.计算低频开路电压灵敏度。

3.计算水听器的垂直指向性开角 Hz 60kHz,100k ?23==-f db 其中θ。

三、实验仪器及材料：频率特性测试仪 NW1232 1台兆欧表 1只组合工具 1套压电瓷薄壁圆管 PZT-5 一个金属电缆接头 自制 1个电缆 双芯屏蔽 1根定位垫 自制 2个减振垫 自制 2个四、设计理论依据：（电压元件的选取、设计过程、零部件图纸）。

1.薄壁圆管换能器自由振动时的共振频率的计算薄壁压电瓷圆管自由振动时的共振频率方程：4222222))((ωσωγωωω=--l r1=γ时，对于薄壁短圆管的共振频率：)Hz (121211E S aa V f ρππγ==式中：a ——圆管的平均半径；单位:m ；ρ——压电瓷的密度，单位：kg/m 3;E S 11——短路弹性柔顺系数，单位：m 2/N 。

2.径向极化时低频开路接收电压灵敏度的计算 管端屏蔽时：)Pa /V ()11(3133g g b VM ++-==ρρρ 管端暴露时：)Pa /V ()2(1131330⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++-==ρρρρg g b VM 管端有端盖时：)Pa /V ()1211(3133ρρρρρ++++-==g g b VM 其中：b a /=ρa ——压电瓷圆管的半径，单位：m ；b ——压电瓷圆管的外半径，单位：m ；V ——水听器开路输出电压，单位：V ；0ρ——水听器表面受到的声压：单位：Pa ；33g ——压电常数，单位：V.m/N ；31g ——压电常数，单位：V.m/N 。

3.定向平面为XOZ 的垂直指向性函数为：θθθsin 2)sin 2sin()(kl klD =Vk ω=——介质中的纵波波数。

主瓣波束宽度：)60.0(sin 22)42.0(sin 221613ll dB dB λθλθ----==其中：λ——介质中的声波波长，单位：m ；l ——圆柱换能器的辐射面长度，单位：m 。

五、制作工艺过程： ①按设计要求加工外部零件；②对PZT 元件进行高温（100~200℃）老化若干天；③测试元件性能，挑选性能附合要求，一致性好的元件各用；④用细去污粉擦洗元件，用清水冲净、擦干，再高温烘1小时后自然降温，之后元件不要再用手触摸，以免再次被油污，而影响粘结强度；⑤对部件进行处理：去毛刺、检验配合尺寸等；⑥对电缆接头进行预处理；⑦用酒精或丙酮对各部件去油污、清洗；⑧电缆处理：剥线、芯线镀锡、焊接过渡线；用兆欧表、三用表检查电缆的绝缘状态及连通状态；硫化或灌封预处理；⑨PZT元件焊接处事先镀锡，注意焊接时间尽量短，以免将银电极焊掉；⑩依次安装换能器零件，将电缆的屏蔽线与电缆接头连通，电缆的芯线分别焊于圆管的外电极上，并在电缆的另外一端作标记。

○11将各零件位置置于同轴状态，拧上螺杆。

○12用兆欧表检查换能器的绝缘状态，要附合相关要求；○13用频率特性测试仪检查换能器的工作状态是否正常，合格进行下一步；○14上述检查合格后，进行透声层灌封；○15完成电缆的密封工作（这一工序可以在装配前完成）；○16测量换能器各项性能指标。

六、测试结果1.换能器在空气中的阻抗特性测试结果；2.换能器在水中的阻抗特性测试结果；3.换能器在水中的开路电压灵敏度及频响曲线。

实验四、复合棒换能器的制作一、实验目的：掌握复合棒发射换能器的设计、制作方法，了解复合棒换能器的制作工艺。

二、实验容：1.设计并制作一只复合棒发射换能器，中心工作频率kHz 300 f 。

2.在空气中测试阻抗特性。

三、实验仪器及材料：频率特性测试仪 NW1232 1台 准静态33d 测量仪 ZJ-3A 1台 兆欧表 1只， 预应力施加装置 自制 1台， 组合工具 1套， 压电瓷元件 PZT-4 2个， 硬铝前盖板 自制 1个， 黄铜后盖板 自制 1个， 预应力螺杆 自制 1个， 电极片 自制 2个， 定位模具 自制 1个， 环氧树脂 618型 适量 固化剂 适量 增塑剂 适量四、设计理论依据：（包括元件的选取，计算过程及零部件图纸） 1.节面位置的选择：节面位置选在两压电瓷元件的结合面上，即：21e e l l =。