CN102750941A - 一种深水超宽带球形换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深水超宽带球形换能器。所述换能器包括：压电陶瓷球(1)、水密层(4)、穿孔螺钉(7)、去耦管(8)、电缆头(10)和耐压壳体；其特征在于，所述压电陶瓷球(1)上沿竖直的中心轴上下开有两导线孔，压电陶瓷球(1)内表面和外表面分别沿两导线孔的圆周上设置有未覆盖镀银层的隔离区，形成两个独立的半球电极；所述的穿孔螺钉(7)沿导线孔穿设于压电陶瓷球(1)，穿孔螺钉(7)的底部引出的导线分别与两个半球电极外表面的镀银层电联接，其上部侧面引出的导线，分别与两个半球电极内表面的镀银层电联接。本发明的换能器具有非常宽的工作带宽和一定指向性。

Description

一种深水超宽带球形换能器

技术领域

本发明涉及声学探测领域，具体地，本发明涉及深水超宽带球形换能器。

背景技术

声学换能器被称为声学仪器的神经，在水声探测、石油勘探等领域都有着十分重要的应用，换能器性能的稳定直接决定了整个声学系统性能的稳定，性能的优劣直接决定了整个仪器系统的好坏。然而换能器常常需要直接暴露在恶劣的使用环境中，其又是整个仪器中最容易受到损害的部分。以深海勘探的换能器为例，地球上海洋的平均深度达到3700多米，其中最深的地方深度达到11000多米，如果换能器工作在海洋的平均深度的话，换能器表面要承受370个大气压的压力，这么大的静水压力会使大部分的换能器失效或者损坏。而在声学换能器应用的另外一个重要领域：石油测井里，其工作的环境会更加苛刻。自从100多年前工业革命以来，地球上的石油被不断地开采，如今地球上储层浅的石油已经基本被开采完毕，人类不得不向更深的地层寻找石油，资料表明世界上如今钻探得最深的井孔已经达到12600多米，而且这一数据还在不断被刷新。钻探过程中井孔内充满了比水密度还大的泥浆，这样的井孔内的静压力将是一个惊人的数字。如何设计使声学换能器有效地工作在大的静水压力下将是一个非常具有挑战性的工作。

宽带性能是换能器的另外一个十分重要的技术指标。宽带使换能器的一次发射和接收包含了更多的信息量，减少了信号的失真，为后期的信号处理提供了更详细的信号细节。水声通信应用中，在宽频带上对信号进行调制，能够同时传递更多的信息量，提高通信的效率；对信号进行编码可以有很好地提高信息传递的可靠性；对信号进行加密能够提高通信的保密性能。声成像应用中，宽频带的反射信号包含了更多的信息量，有利于提高图像的分辨率；水声对抗中，利用宽带声源可以在整个频段范围内对对方信号进行跟踪和干扰，同时又能够有效的抵抗对方的干扰，提升了攻击武器的命中率也同时提升了自身的生存能力。

常见的深水换能器设计方案主要分为以下几种：压力平衡、压力释放、压力补偿等。压力平衡是通过结构设计使陶瓷处于受力平衡状态，陶瓷内部各点只存在正压应力而没有拉伸应力和剪切应力，其主要的表现形式有溢流和充油；压力释放主要是指利用耐压壳体或者去耦材料释放压力来达到保护陶瓷元件的目的，采用此类设计方案的时候需要注意附加结构对换能器声学性能的影响；压力补偿是当工作表面产生压差的时候在工作面一侧引入补偿压力以实现压力平衡。这种方法主要运用在动圈式的换能器上，常见的此类型换能器如美国海军标准型J系列。其中压力补偿又可分为主动压力补偿和被动压力补偿两类。被动补偿具有实时补偿的优点，然而其所载的补偿气体的数量限制了其工作深度。主动压力补偿利用储气罐装载更多的补偿气体而使换能器能够工作在更深的水域。

换能器的宽带设计方法有很多种，从本质上来说主要可以分为两类：第一种为降低结构的机械品质因数。机械品质因数与换能器的带宽成反比的关系，因此换能器如果减少换能的质量抗或者增加换能器的力阻都有利于换能器带宽的展开。另一种更常见的带宽拓展方法是利用多模态叠加展宽带宽。比如：Tonpilz换能器头质量块的纵弯耦合；Tonpilz换能器头质量块上铺设一层柔性介质形成的纵振动和匹配层耦合；溢流圆管的径向振动和液腔的耦合振动；Janus换能器和Helmholtz谐振腔复合形成的纵振动和谐振腔耦合；Hybrid型换能器中压电元件和磁致伸缩元件共同激发耦合形成的模态；同时激发结构基础模态和高阶模态等等。

通常通过上述的带宽拓展手段能够实现一个倍频程左右的宽带。然而随着合成孔径技术、高分辨率成像技术、水下通讯技术、宽频带干扰技术等的发展，一个倍频程的带宽已不能够满足工程中的需求，为了进一步地拓展带宽，技术人员不得不采用更多模态的耦合来实现，比如纵振动-弯张-匹配层耦合等等。多模态的设计会导致换能器的结构更加复杂，设计过程中的不可控因数更多，设计成本越来越高。

以往的换能器设计过程中经常采用的是结构的基础模态，比如球、圆环的呼吸模态。而实际中，这些结构存在着更多的工作模态，比如偶极子模态，四极子模态等等，如果能想办法激发出这一系列的模态的话，通过这些模态的共同作用，将能够有效地拓展换能器的带宽。而且这种设计思想中只需要对现有结构的激励方式进行改变，而不需要对结构形式做大的改变，这也大大地降低了换能器的设计难度。

发明内容

本发明的目的在于为了克服上述难题，提供了一种深水超宽带球形换能器。

为了实现上述目的，本发明的深水超宽带球形换能器包括：压电陶瓷球1、水密层4、穿孔螺钉7、去耦管8、电缆头10和耐压壳体；

所述压电陶瓷球1上沿竖直的中心轴上下开有两导线孔，压电陶瓷球1内表面和外表面分别沿两导线孔的圆周上设置有未覆盖镀银层的隔离区，形成两个独立的半球电极；

所述的穿孔螺钉7沿导线孔贯穿设于压电陶瓷球1，穿孔螺钉7的底部引出的导线分别与两个半球电极外表面的镀银层电联接，其上部侧面引出的导线，分别与两个半球电极内表面的镀银层电联接。

所述的穿孔螺钉7分别与压电陶瓷球1上的上下两导线孔之间设有第三去耦垫13。

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1×10⁸Pa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3×10¹¹Pa。

所述的柔顺层2采用无机掺杂改性的环氧树脂材料，其厚度为0.5～6mm；所述的耐压层3采用金属材料或浇注型环氧树脂材料，其厚度为1.5～50mm。

所述的水密层4采用聚氨酯橡胶材料，其厚度为1～6mm。

所述的压电陶瓷球采用PZT系列压电陶瓷球。

所述的水密头11采用硫化橡胶材料。

所述的深水超宽带球形换能器还包括在穿孔螺钉7上依次套设的第一去耦垫6、硅胶去耦管8和第二去耦垫9，该第一去耦垫6、硅胶去耦管8和第二去耦垫9均设置于电缆头10灌注端内，用于电缆头10和陶瓷球1以及耐压壳体之间的振动隔离。

本发明为了克服深水静压的问题，使耐压壳体对陶瓷球表面起到保护的目的，本发明中将耐压壳体分为耐压层和柔顺层两层，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，因此可以选用模量较低的材料来设计耐压层，从而降低了耐压壳体的特性阻抗，便于声波的透射；使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。

此外，本发明还采用独立激励的方法，分别对两半陶瓷球加载激励电压，通过对电压幅度和相位差的调整能够有效地激发出陶瓷球的零阶模态和所有奇次阶模态，并且通过对幅度和相位的调整来控制各阶模态的响应幅值，可以丰富的模态和可调的响应幅值能够有效地拓展换能器的带宽；同时，耐压壳体以及水密层具有匹配层的功能，而且各阶模态都有对应的匹配层模态都有不同，因此可以进一步地丰富换能器的工作模态，便于进一步地拓展换能器的带宽，实现超宽带发射，本发明的换能器的工作带宽非常宽的(-6dB带宽接近3个倍频程)。

本发明采用成合结构设计耐压壳体实现换能器的压力释放，同时利用耐压壳体做匹配层，实现带宽拓展。进一步改变结构的激励方式，激励出结构的多阶模态，拓展带宽。

本发明的优点在于，本发明设计的换能器是一种能够工作在大静水压力环境中的工作带宽非常宽的(-6dB带宽接近3个倍频程)具有一定指向性的声信号发生器和接收器；相对于其他深水工作的换能器来说，本发明的换能器具有设计结构简单的特点；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为本发明深水超宽带球形换能器中压电陶瓷球1的驱动框图；

图2为本发明的深水超宽带球形换能器的结构示意图；

图3为A半球球冠出测量到的发射电压响应曲线。

附图标识

1、压电陶瓷球     2、柔顺层     3、耐压层

4、水密层         5、螺帽       6、第一去耦垫

7、穿孔螺钉       8、去耦管     9、第二去耦垫

10、电缆头        11、水密头    12、电缆

13、第三去耦垫

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的深水超宽带球形换能器进行进一步的解释说明。

图1中A、B分别代表两个陶瓷半球。两半陶瓷球采用不同相位的电压分别进行激励，激励电压之间的相位用相位控制器控制。

图2中a代表陶瓷半球A的内电极，a′代表陶瓷半球A的外电极；b代表陶瓷半球B的内电极，b′代表陶瓷半球B的外电极。

图2为本发明的结构示意图，该换能器包括压电陶瓷球1、柔顺层2、耐压层3、水密层4、螺帽5、第一去耦垫6、穿孔螺钉7、去耦管8、第二去耦垫9、电缆头10、水密头11、电缆12、第三去耦垫13。

压电陶瓷球1选用PZT-5材料，尺寸为φ70mm×φ78mm，陶瓷球两端对称开有两导线孔，用于内部电极的导出和陶瓷球的固定，孔径为φ10mm。

换能器中采用M6×113mm的穿孔螺钉7，螺钉内孔孔径为φ4mm，距螺钉头60mm处的螺钉壁上开侧孔，孔径为φ2mm，螺钉头采用楔形结构。

换能器中第一去耦垫6、第二去耦垫9、第三去耦垫13以及去耦管8均采用硅橡胶制成。其中第一去耦垫6和第二去耦垫9厚度为1mm，去耦管8采用φ8mm×φ6mm的硅胶管。

下面提供一种本发明的深水超宽带球形换能器的制备方法。

步骤1)：首先焊接内外电极引线a、b、a′、b′。取穿孔螺钉7，套上一个第三去耦垫13，然后将陶瓷球1的内壁电极引线a、b从穿孔螺钉7的侧壁孔引入螺钉的内孔，再套上另外一半的第三去耦垫13，然后将第三去耦垫13塞入陶瓷球1的开孔。

步骤2)：用丙酮仔细清理陶瓷球1表面，然后在陶瓷球1表面均匀灌注一层厚度为3mm的JA-2S聚氨酯橡胶作为柔顺层2，在80℃温度下固化8到12个小时，脱模清理。

步骤3)：在穿孔螺钉7上套上一个M6的螺帽5。

步骤4)：用丙酮清理柔顺层2表面残留的脱模剂残留，然后在柔顺层2的表面均匀灌注一层厚度为7mm的618型环氧树脂作为耐压层3，在80℃温度下固化8到12个小时，脱模清理。

步骤5)：对电缆头10两端采用喷砂处理，然后清理待用。

步骤6)：将第一去耦垫6以及去耦管8放入电缆头10的灌注端内，然后在穿孔螺钉7上面套上第二去耦垫9，将穿孔螺钉7插入电缆头10的灌注端。

步骤7)：用丙酮进一步清理耐压层3以及电缆头，将其置于灌注模具内，一体灌注一层JA-2S聚氨酯橡胶作为水密层4，在80℃温度下固化8到12个小时，脱模清理。

步骤8)：将陶瓷的电极引线跟四芯电缆12对接起来，采用平板硫化机对电缆头和电缆12进行硫化水密，形成水密头11。

对上述换能器两半陶瓷采用24度的相位差激发的的情况下可以实现近3个倍频程的宽带(响应起伏为±3dB)。如果定义A半球所载电压相位领先于B半球的话，则图3为A半球球冠处测量到的发射电压响应曲线。

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 (8)

1.一种深水超宽带球形换能器，该换能器包括：压电陶瓷球(1)、水密层(4)、穿孔螺钉(7)、去耦管(8)、电缆头(10)和耐压壳体；其特征在于，

所述压电陶瓷球(1)上沿竖直的中心轴上下开有两导线孔，压电陶瓷球(1)内表面和外表面分别沿两导线孔的圆周上设置有未覆盖镀银层的隔离区，形成两个独立的半球电极；

所述的穿孔螺钉(7)沿导线孔贯穿设于压电陶瓷球(1)，穿孔螺钉(7)的底部引出的导线分别与两个半球电极外表面的镀银层电联接，其上部侧面引出的导线，分别与两个半球电极内表面的镀银层电联接。

2.根据权利要求1所述的深水超宽带球形换能器，其特征在于，所述的穿孔螺钉(7)分别与压电陶瓷球(1)上的上下两导线孔之间设有第三去耦垫(13)。

3.根据权利要求1所述的深水超宽带球形换能器，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1×10⁸Pa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小于3×10¹¹Pa。

4.根据权利要求3所述的深水超宽带球形换能器，其特征在于，所述的柔顺层(2)采用无机掺杂改性的环氧树脂材料，其厚度为0.5～6mm；所述的耐压层(3)采用金属材料或浇注型环氧树脂材料，其厚度为1.5～50mm。

5.根据权利要求1所述的深水超宽带球形换能器，其特征在于，所述的水密层(4)采用聚氨酯橡胶材料，其厚度为1～6mm。

6.根据权利要求1所述的深水超宽带球形换能器，其特征在于，所述的压电陶瓷球(1)采用PZT系列压电陶瓷球。

7.根据权利要求1所述的深水超宽带球形换能器，其特征在于，所述的水密头(11)采用硫化橡胶材料。

8.根据权利要求1所述的深水超宽带球形换能器，其特征在于，该换能器还包括在穿孔螺钉(7)上依次套设的第一去耦垫(6)、硅胶去耦管(8)和第二去耦垫(9)，该第一去耦垫(6)、硅胶去耦管(8)和第二去耦垫(9)均设置于电缆头(10)灌注端内。

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