CN102118664A - 一种基于慢波导技术的双谐振宽带宽波束耐深水换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于慢波导技术的双谐振宽带宽波束耐深水换能器，包括不锈钢后座、密封螺钉、去耦层、梯形陶瓷条、铜电极片、玻璃布带和不锈钢丝、橡皮囊，橡皮囊的内部填充有甲基硅油，不锈钢后座上设置有进油孔、出油孔和电极引出端；梯形陶瓷条和铜电极片在圆周方向通过环氧胶粘接固化排列成一个圆环，梯形陶瓷条的电极为并联连接，圆环外侧依次设置用于施加预应力的玻璃布带和不锈钢丝，构成完整的压电拼镶陶瓷环；将压电拼镶陶瓷环中正负极连接导线通过电极引出端引出，电极引出端通过环氧胶与不锈钢后座粘接密封连接。本发明有益的效果是：本发明采用的方式是用梯形陶瓷条和电极铜皮结合来实现圆环几乎完全是陶瓷，从而有效降低了圆环的直径。在提高换能器两阶频率间的耦合度的情况下，便提高了换能器的阻抗平坦性，最终提高换能器的响应平坦性。

Description

一种基于慢波导技术的双谐振宽带宽波束耐深水换能器

技术领域

本发明涉及水声换能器技术领域，主要是一种基于慢波导技术的双谐振宽带宽波束耐深水换能器。

背景技术

随着水声通信技术和深海探测技术的不断发展，对具有耐深水、宽带特性，能宽波束发射声波的换能器提出了要求，但由于种种原因，目前采用的方法都存在一定的局限性。主要有：1、纵弯换能器加反声障板，这种方法通过纵振加前盖板弯曲模式耦合工作来实现换能器的宽带工作，通过声障板的反声作用来拓宽换能器的波束宽度，但其存在不能在几千米深的水下工作的缺陷。2、采用压电陶瓷球冠作为功能元件，利用陶瓷球的自身全向振动特性来获取宽波束，同时通过减小自身阻抗与辐射阻抗比来获取高带宽，但其存在压电陶瓷球制作难，换能器成本高的缺陷，最关键的是其阻抗平坦性不够好的问题。3、普通溢流环换能器，作为一种通用的换能器，显示出了宽带、小体积、耐深水等特性。但采用内外连通的设计方法决定了这种换能器的垂直指向性通常为“∞”形，不适宜在较宽声场空间内使用，使得该换能器在有些需要特定指向性的场合无法适用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提供一种基于慢波导技术的双谐振宽带宽波束耐深水换能器，尤其适用于具有耐深水特性，能宽带工作、水平无指向性、垂直宽波束的换能器技术领域。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种基于慢波导技术的双谐振宽带宽波束耐深水换能器，包括不锈钢后座、密封螺钉、去耦层、梯形陶瓷条、铜电极片、玻璃布带和不锈钢丝、橡皮囊，橡皮囊的内部填充有甲基硅油，不锈钢后座上设置有进油孔、出油孔和电极引出端；梯形陶瓷条和铜电极片在圆周方向通过环氧胶粘接固化排列成一个圆环，梯形陶瓷条的电极为并联连接，圆环外侧依次设置用于施加预应力的玻璃布带和不锈钢丝，构成完整的压电拼镶陶瓷环；将压电拼镶陶瓷环中正负极连接导线通过电极引出端引出，电极引出端通过环氧胶与不锈钢后座粘接密封连接。

所述的压电拼镶陶瓷环设置在橡皮囊内侧，压电拼镶陶瓷环的上方设置有去耦层，去耦层上方设置有不锈钢后座，不锈钢后座外径与橡皮囊内径接触部位通过氯丁胶粘接，构成换能器外部结构。

所述压电拼镶陶瓷环通过橡皮囊内侧的台阶上下定位连接，通过内外径的配合周向定位连接。

本发明将慢波导技术应用于溢流环换能器，即改变了溢流环换能器腔体内液体介质的柔性系数和特性参数。其作用在于使得换能器在发挥普通溢流环换能器优点如宽带特性、水平无指向性、耐深水特性的同时，实现宽波束特性。其原理是：慢波导介质不改变溢流环换能器具有液腔频率和径向频率的特征，只是由于其低声速特性，使得声波在圆环轴向上的相位产生延迟，从而可形成类似心脏形的垂直指向性。要保证换能器在宽带和宽波束性能上的兼顾，则须通过对换能器拼镶圆环特性参数和液腔高度的合理设计，设计的关键在于：在径向频率确定的情况下，尽可能减小圆环的直径，以提高液腔频率，从而提高径向频率和液腔频率的耦合度。

本发明有益的效果是：本发明采用的方式是用梯形陶瓷条和电极铜皮结合来实现圆环几乎完全是陶瓷，从而有效降低了圆环的直径。在提高换能器两阶频率间的耦合度的情况下，便提高了换能器的阻抗平坦性，最终提高换能器的响应平坦性。另外，还须在与原有溢流环换能器的有效配合的基础上，调节慢波导介质的高度，这里慢波导介质的高度取陶瓷环高度的1.5倍左右为宜，从而实现宽频带范围内较宽的垂直波束宽度。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是本发明的左视结构示意图；

图3是本发明的俯视结构示意图；

图4是本发明的爆炸结构示意图。

图中：1-不锈钢后座，2-密封螺钉，3-去耦层，4-梯形陶瓷条，5-铜电极片，6-玻璃布带和不锈钢丝，7-橡皮囊，8-甲基硅油，9-进油孔，10-出油孔，11-电极引出端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图所示，这种基于慢波导技术的双谐振宽带宽波束耐深水换能器，包括不锈钢后座1、密封螺钉2、去耦层3、梯形陶瓷条4、铜电极片5、玻璃布带和不锈钢丝、橡皮囊7，橡皮囊7的内部填充有甲基硅油8，不锈钢后座1上设置有进油孔9出油孔10和电极引出端11；梯形陶瓷条4和铜电极片5在圆周方向通过环氧胶粘接固化排列成一个圆环，梯形陶瓷条4的电极为并联连接，圆环外侧依次设置用于施加预应力的玻璃布带和不锈钢丝6，构成完整的压电拼镶陶瓷环；将压电拼镶陶瓷环中正负极连接导线通过电极引出端11引出，电极引出端11通过环氧胶与不锈钢后座1粘接密封连接。所述的压电拼镶陶瓷环设置在橡皮囊7内侧，通过橡皮囊7内侧的台阶上下定位连接，通过内外径的配合周向定位连接。压电拼镶陶瓷环的上方设置有去耦层3，去耦层3上方设置有不锈钢后座1，不锈钢后座1外径与橡皮囊7内径接触部位通过氯丁胶粘接，构成换能器外部结构。

本发明的实现须经过下列几个步骤：

步骤1、拼镶压电圆环制作

将梯形陶瓷条4、铜电极片5在圆周方向通过环氧胶粘接固化排列成一个圆环，陶瓷条的电极为并联连接，环外侧依次采用玻璃布带和不锈钢丝6施加预应力，最终构成完整的压电拼镶陶瓷环。

步骤2：换能器成型

将步骤1制成的压电拼镶陶瓷环放入橡皮囊7内侧，通过橡皮囊7内侧的台阶进行上下定位，通过内外径的配合进行周向定位，再将直径基本与陶瓷环相同的软木橡胶制成的去耦层3到陶瓷环的上方，再将不锈钢后座1放到去耦层3上方，不锈钢后座1外径与橡皮囊内径接触部位，采用氯丁胶粘接，构成换能器外部结构。

在制成的换能器外部结构的基础上，将陶瓷环中正负极连接导线通过电极引出端11引出，并用环氧胶将电极引出端11与不锈钢后座1进行粘接密封。

步骤3、换能器充甲基硅油

在步骤2的基础上，从进油孔9对换能器充入甲基硅油，再通过出油孔10排气，并观察油灌满情况，待油灌满后，用密封螺钉2分别将进油孔9和出油孔10密封。

换能器装配好后，当将该换能器放入水中，并通过电极引出端11对换能器施加电信号时，其具有下列特征：①、由慢波导介质即内部填充甲基硅油7形成的液柱与陶瓷环共振具有明显的液腔共振频率；②、陶瓷环径向振动具有明显的径向共振频率；③、由于慢波导介质的低声速特性可使原本圆环外侧与内侧的反相振动产生相位延迟，从而使圆环换能器在轴向形成类似心脏形的指向性；④、由于橡皮囊的柔软和可伸缩特性，加上换能器内部填充的甲基硅油使得换能器能承受高静水压力。

本发明较好地解决了深海水声通信换能器所需的宽带、宽波束、耐深水等技术难题。本发明的特征是将慢波导技术应用于溢流环换能器，即改变了普通溢流环换能器腔体内液体介质的柔性系数和特性阻抗。其作用在于使得在发挥溢流环换能器优点如宽带特性、水平无指向性、耐深水特性的同时，可通过对换能器拼镶圆环和液腔高度的合理设计，提高换能器液腔频率和径向频率之间的耦合度，进而提高换能器的阻抗平坦性，最终提高换能器的响应平坦性；还可通过调节慢波导介质的特性参数，加上与原有溢流环换能器的有效配合，可通过在圆环轴向上的相位延迟形成类似心脏形的垂直指向性。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于慢波导技术的双谐振宽带宽波束耐深水换能器，其特征是：包括不锈钢后座(1)、密封螺钉(2)、去耦层(3)、梯形陶瓷条(4)、铜电极片(5)、玻璃布带和不锈钢丝和橡皮囊(7)，橡皮囊(7)的内部填充有甲基硅油(8)，不锈钢后座(1)上设置有进油孔(9)、出油孔(10)和电极引出端(11)；梯形陶瓷条(4)和铜电极片(5)在圆周方向通过环氧胶粘接固化排列成一个圆环，梯形陶瓷条(4)的电极为并联连接，圆环外侧依次设置用于施加预应力的玻璃布带和不锈钢丝(6)，构成完整的压电拼镶陶瓷环；将压电拼镶陶瓷环中正负极连接导线通过电极引出端(11)引出，电极引出端(11)通过环氧胶与不锈钢后座(1)粘接密封连接。

2.根据权利要求1所述的基于慢波导技术的双谐振宽带宽波束耐深水换能器，其特征是：所述的压电拼镶陶瓷环设置在橡皮囊(7)内侧，压电拼镶陶瓷环的上方设置有去耦层(3)，去耦层(3)上方设置有不锈钢后座(1)，不锈钢后座(1)外径与橡皮囊(7)内径接触部位通过氯丁胶粘接，构成换能器外部结构。

3.根据权利要求2所述的基于慢波导技术的双谐振宽带宽波束耐深水换能器，其特征是：所述压电拼镶陶瓷环通过橡皮囊(7)内侧的台阶上下定位连接，通过内外径的配合周向定位连接。

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