CN102097093B

CN102097093B - 一种深水宽带球形换能器

Info

Publication number: CN102097093B
Application number: CN2010105680910A
Authority: CN
Inventors: 戴郁郁; 莫喜平
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-11-26
Also published as: CN102097093A

Abstract

本发明涉及一种深水宽带球形换能器，该换能器包括：压电陶瓷球(1)、螺母(11)、穿孔螺钉(6)、电缆头(8)、水密头(9)、电缆(10)、耐压壳体和水密层(4)；电缆(10)在电缆头(8)的出电缆端处包覆有水密头(9)；电缆头(8)的灌注端通过穿孔螺钉(6)与压电陶瓷球(1)连接于一体；压电陶瓷球(1)外覆盖有耐压壳体；电缆头(8)的灌注端和耐压壳体外一体包覆有水密层(4)；其特征在于，耐压壳体由内而外依次包括：采用不同的材料灌注的柔顺层(2)和耐压层(3)；柔顺层的材料参数的模量范围为1×10⁶Pa到1×10¹¹Pa；耐压层的材料参数的模量范围为1×10⁷Pa到3×10¹¹Pa；耐压层的材料参数的模量比柔顺层的材料参数的模量相差0Pa到3×10¹¹Pa。

Description

一种深水宽带球形换能器

技术领域

本发明涉及一种能广泛应用于深海水声探测的仪器。特别涉及一种深水宽带球形换能器。

背景技术

占地球表面71％的海洋一直以来都是人们获得食物来源、矿藏资源的重要场所。人类自远古以来就临海而居、捕鱼为食，海洋一直是人类获得食物的重要来源。到了现代随着地球生存空间的日益拥挤和矿藏资源的日渐枯竭，海洋里蕴含着的丰富鱼类和矿藏资源就显得更具吸引力。以锰为例，据2008年的统计资料表明我国的锰矿资源为2.3亿吨，而仅太平洋下的锰结核所包含的储量就至少有17000亿吨，而且海底矿藏还具有不需开挖，富集度高的优点，这给开发利用带来了极大的便宜。除此之外，海洋还是保家卫国、抵御侵略的主要战场。第二次工业革命以后，随着大型轮船的发明，曾作为国家自然屏障的大海已不再能有效拒敌，如何能有效的发现敌人打击侵略成为一项重要的战略任务。我们知道光波和无线电波等小波长的波在海水中不能够有效传播。声音是目前已知的最为有效的水下探测手段。经过几十年的发展已经研制了许许多多的满足各种指标的水下发声器件。然而海洋平均深度为3700米，这么深的海水会产生370个大气压的静水压力，如此大的静水压力会导致常规的换能器毁坏和失效。如何在如此大的静水压力环境下进行有效的发声一直以来是换能器研究人员所关心的问题。

在深海探测、成像、通讯等领域中经常应用到宽带、耐压、无空间指向性又具有高灵敏度的换能器声源和声信号接收器。实现耐静水压的主要手段有压力平衡、压力释放、压力补偿等。目前绝大部分的深水工作的换能器都是采用压力平衡的设计方法，对压力释放和压力补偿这两种耐压机制研究得很少。充油和溢流设计通常采用压电圆环作为有源材料，同时利用压电圆管和管内液腔激发的双重谐振模态来实现宽带发射。然而由于圆环内外壁都同时参与辐射，辐射时内外壁相位相反，从而体积位移相互抵消，辐射效率不高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能够在耐静水压下高效辐射的宽带无空间指向性水下声信号发生器。

为实现上述发明目的，本发明提出一种深水宽带球形换能器。该换能器包括：压电陶瓷球1、螺母11、穿孔螺钉6、电缆头8、水密头9、电缆10、耐压壳体和水密层4；

所述的电缆10在所述电缆头8的出电缆端处包覆有所述的水密头9；所述电缆头8的灌注端与所述压电陶瓷球1通过穿孔螺钉6和螺母11连接于一体；

所述压电陶瓷球1外覆盖有耐压壳体；

所述电缆头8的灌注端和所述耐压壳体外一体包覆有所述水密层4；

其特征在于，

所述的耐压壳体由内而外依次包括：柔顺层2和耐压层3；所述的柔顺层2和所述的耐压层3采用不同的材料灌注，所述的柔顺层的材料参数的模量范围为1×10⁶Pa到1×10¹¹Pa；所述的耐压层的材料参数的模量范围为1×10⁷Pa到3×10¹¹Pa；所述的耐压层的材料参数的模量比所述的柔顺层的材料参数的模量相差0Pa到2.99999×10¹¹Pa。

所述的耐压壳体由内而外依次包括：柔顺层2和耐压层3；两层介质作为压力释放机制；如果压力作用在所述的换能器表面上，则大部分力载荷被耐压层3吸收，大部分位移载荷被柔顺层2吸收，最后只有小部分力载荷和位移载荷作用到压电陶瓷球1的表面上。

所述的柔顺层2采用无机掺杂改性的环氧材料制成；所述的柔顺层2的厚度为0.5mm~20mm。

所述的耐压层3采用金属材料或浇注型环氧材料；所述的耐压层3的厚度为1.5mm~50mm。

所述的水密层4采用聚氨酯橡胶材料；所述的水密层4的厚度为1.5mm~30mm。

所述的压电陶瓷球1采用PZT-5压电陶瓷球。

所述的水密头9采用的材料是硫化橡胶。

该换能器还包括：

两个去耦垫5，所述的去耦垫5套设在所述的穿孔螺钉6的杆上，其中，一个位于穿孔螺钉头和压电陶瓷球1内壁之间，另一个位于螺母11和压电陶瓷球1外壁之间；和

一硅胶去耦管7，该硅胶去耦管7套设在所述的穿孔螺钉6的杆和压电陶瓷球1 的开孔之间，位于两个去耦垫5之间。

本发明的优点在于，本发明的换能器是一种能够工作在大静水压力环境下的声信号发生器和接收器，没有空间指向性。本发明中的耐压壳体包括耐压层和柔顺层，该耐压壳体释放作用在陶瓷球表面的压力，达到保护的目的；通过对耐压壳体结构和材料参数的改变有效地拓宽换能器的带宽；本设计方案中利用耐压层释放压力载荷而利用柔顺层释放位移载荷，其只对耐压壳体的强度有要求而对刚度没有要求，因此可以降低耐压壳体的刚度，从而降低了耐压壳体的特性阻抗，便于声波的透射。同时在深水环境中一部分压力透过耐压壳体作用到陶瓷球表面，相当于对其使加了预应力，便于换能器的大功率发射。本发明相对于其他深水工作的换能器来说具有设计结构简单的特点，可以通过结构的优化材料的替换显著地改变换能器的耐压性能、宽带性能和透射性能。本发明采用多层密封结构具有很好的水密性能，对一次性水密成功的要求低。

附图说明

图1为本发明中的耐压层使用金属材料的深水宽带球形换能器结构图；

图2为本发明中的耐压层使用浇注型环氧材料的深水宽带球形换能器结构图。

附图标识

1、压电陶瓷球 2、柔顺层 3、耐压层

4、水密层 5、去耦垫 6、穿孔螺钉

7、硅胶去耦管 8、电缆头 9、水密头

10、电缆 11、螺母

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

实施例一

图1为本发明中的耐压层使用金属材料的深水宽带球形换能器结构图。本实例采用牌号为LY12的硬铝作为本发明换能器的耐压层的材料。该换能器包括压电陶瓷球1、柔顺层2、耐压层3、水密层4、去耦垫5、穿孔螺钉6、硅胶去耦管7、电缆头8、水密头9、电缆10和螺母11。其中，耐压层分为两部分。因为耐压层材料采用金属固体材料。两部分合起来作为耐压层为内部机构提供保护。在本实施例中，耐压层的厚度设计为3.5mm。其中，在图1中，上半部分的耐压层在压电陶瓷球1的开孔处开了一个喇叭型的孔，用于穿孔螺钉穿出。同时喇叭型的孔里灌注与柔顺层2的材料一致的环氧材料。当压力作用在上平面的时候，胶体起到挤压固定的作用。

步骤1)：压电陶瓷球1选用PZT-5材料，尺寸为φ22mm×φ30mm，陶瓷球上有一个φ6mm的孔，用于导出内壁电极。取一穿孔螺钉6，并在螺钉上套上一层1mm的去耦垫5和硅胶去耦管7，然后把压电陶瓷球1的内引线和外引线穿过穿孔螺钉6，穿孔螺钉6连带去耦垫5和硅胶去耦管7穿过开孔插入压电陶瓷球内，回拉卡死，在穿孔螺钉6上再套上一个去耦垫5，然后拧上一个螺母11。

步骤2)：对电缆头8进行喷砂打磨处理，然后用丙酮清理。把穿孔螺钉6拧到电缆头8具有车外螺纹端上固定，然后装入耐压层的下半部分，接着扣合下半部分的耐压层，两层的结合处用618环氧粘接。其中，通过调节穿孔螺钉6的旋入长度调节陶瓷球位置，便于控制压电陶瓷球1处在灌注模具中间。

步骤3)：利用耐压层作为柔顺层2的灌注模具。柔顺层2采用无机掺杂改性的618环氧，厚度设计为3mm，高温烘箱固化12个小时，然后脱模取出，冷却后脱模清理。

步骤4)：当柔顺层2固化好以后，打磨清理耐压层3的外表面，然后在外表面灌注一层3.5mm厚的JA-2S聚氨酯橡胶作为水密层4。JA-2S聚氨酯橡胶同时具有很好的透声性能，有利于换能器产生的声波透射出去。在高温80度的情况下固化12个小时，冷却脱模。

步骤5)：采用丁晴橡胶用平板硫化机对电缆头8的出电缆端进行硫化形成一个水密头9。

实施例二

图2为本发明中的耐压层使用浇注型环氧材料的深水宽带球形换能器结构图，在本实例中，采用浇注型环氧材料作为本发明换能器的耐压层材料。该换能器包括压电陶瓷球1、柔顺层2、耐压层3、水密层4、去耦垫5、穿孔螺钉6、硅胶去耦管7、电缆头8、水密头9、电缆10和螺母11。其中，耐压层采用的不是固体材料，可通过灌注成型得到一体的耐压层。且采用浇注型环氧浇注一体成型有利于提高设计的可靠性。

步骤1)：本例的第一步跟实施例一完全一样。

步骤2)：柔顺层2材料采用6101号环氧材料，并对环氧材料进行增塑改性处理。灌注厚度为3mm，其他设计参照实施例一进行。

步骤3)：换能器的耐压层3采用碳纤维增强型618环氧材料灌注成型，灌注厚度为7mm。

步骤4)：水密层4采用JA-2S浇注型聚氨酯橡胶，浇注厚度为3mm。其流程参考实施例一第四步进行。

步骤5)：同例一步骤5。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种深水宽带球形换能器，该换能器包括：压电陶瓷球（1）、螺母（11）、穿孔螺钉（6）、电缆头（8）、水密头（9）、电缆（10）、耐压壳体和水密层（4）；

所述的电缆（10）在所述电缆头（8）的出电缆端处包覆有所述的水密头（9）；所述电缆头（8）的灌注端通过穿孔螺钉（6）与所述压电陶瓷球（1）连接于一体；

所述压电陶瓷球（1）外覆盖有耐压壳体；

所述电缆头（8）的灌注端和所述耐压壳体外一体包覆有所述水密层（4）；

其特征在于，

所述的耐压壳体由内而外依次包括：柔顺层（2）和耐压层（3）；所述的柔顺层（2）和所述的耐压层（3）采用不同的材料灌注，所述柔顺层的材料参数的模量范围为1×10⁶Pa到1×10¹¹Pa；所述的耐压层的材料参数的模量范围为1×10⁷Pa到3×10¹¹Pa；所述的耐压层的材料参数的模量与所述的柔顺层的材料参数的模量相差0Pa到2.99999×10¹¹Pa。

2.根据权利要求1所述的深水宽带球形换能器，其特征在于，所述的柔顺层采用无机掺杂改性的环氧材料制成；所述的柔顺层的厚度为0.5mm~20mm。

3.根据权利要求1所述的深水宽带球形换能器，其特征在于，所述的耐压层采用金属材料或浇注型环氧材料；所述的耐压层的厚度为1.5mm~50mm。

4.根据权利要求1所述的深水宽带球形换能器，其特征在于，所述的水密层采用聚氨酯橡胶材料；所述的水密层的厚度为1.5mm~30mm。

5.根据权利要求1所述的深水宽带球形换能器，其特征在于，所述的压电陶瓷球采用PZT-5压电陶瓷球。

6.根据权利要求1所述的深水宽带球形换能器，其特征在于，所述的水密头（9）采用的材料是硫化橡胶。

7.根据权利要求1或5所述的深水宽带球形换能器，其特征在于，该换能器还包括：

两个去耦垫（5），所述的去耦垫（5）套设在所述的穿孔螺钉（6）的杆上，其中，一个位于穿孔螺钉头和压电陶瓷球（1）内壁之间，另一个位于螺母（11）和压电陶瓷球（1）外壁之间；和

一硅胶去耦管（7），该硅胶去耦管（7）套设在所述的穿孔螺钉（6）的杆和压电陶瓷球（1）的开孔之间，位于两个去耦垫（5）之间。