CN102901981B - 一种耐高静水压小型压电水听器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高静水压小型压电水听器及其制作方法，包括高强度聚氨酯包覆层、压电陶瓷圆管、柔性橡胶封堵、定位环、两根细导线，所述的压电陶瓷圆管外形呈圆柱形，压电陶瓷圆管的极化方向为径向极化，压电陶瓷圆管的外圆表面电极有1～2毫米宽的间隔，将外圆表面电极对称分隔为两段，两段圆管的极化方向相反，外圆电极加直流正向电压的为水听器的正电极，外圆电极加直流负向电压的为水听器的负电极；压电陶瓷圆管的内圆表面为公共电极，外形结构上是一个整体的圆管，电路上是两段极性相反的圆管的串联组合，定位环固定在间隔处。本发明的有益效果是：结构简单可靠，体积小，防水耐油，性能稳定。

Description

一种耐高静水压小型压电水听器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种水听器，更具体说，它涉及一种耐高静水压小型压电水听器及其制作方法。

背景技术

随着海洋地震勘探技术的不断进步，深海远距离工程勘探和研究得以飞速发展，勘探地域范围从沿海大陆架逐步向大洋深处延伸。海洋地震勘探电缆是目前获取海底地震数据的重要技术手段，数字化的勘探电缆根据任务、海域和环境条件的限制有多种形式，其中的深海拖曳电缆、海底固定缆和大深度声纳线列阵等用于深海勘探和研究，作业深度可达水下500～4000米。这种环境条件下，包含压电水听器在内的声学传感器所承受的最大静水压可达到40MPa以上。作为上述物探电缆采集弱小声信号的核心部件，要求压电水听器具有小型、低频、宽带、高灵敏度、匹配简单等常规基本特征外，能够适合深海工作，具有耐高静水压能力成为突出特点，同时要求具有良好的压力、温度、时间稳定性。

此前，作为海洋地震勘探电缆专用的压电水听器，按照工作模式分类主要有弯曲圆盘式、薄板弯曲振动式、圆管（圆环）径向振动式等，前面两类水听器由于压电材料的构造、特性和工作形式的限制，只能装备水面和浅海勘探作业电缆和水面舰艇拖曳线列阵声纳，工作深度相对较浅。圆管（圆环）型水听器由于管状构造的优良抗压性，是目前深海勘测作业电缆和大深度声纳线列阵的重要选择。

中国专利200510080342.X《拖曳线列阵用小型耐静压力水听器》中，阐述了一种有两个管内分段电极的压电陶瓷圆管、外壳、上下端盖、中间支撑环、密封胶等组成的水听器，两个压电陶瓷圆管同轴排列，圆管内部电极串联连接，结构件与压电圆管之间用胶粘接，这种水听器声学性能好，并且性能根据需要可进行调节，但是，水听器结构和制作工艺相对较复杂，关键是不能承受高静水压，只能适合作业深度在几米到几百米的浅海环境中使用。

中国专利CN86210266《分段电极圆管水听器》中，阐述了一种三个不同宽度分段电极压电圆管，配合铝制盖板、橡皮垫圈、固定螺杆的组合的水听器，同样相对复杂的结构和工艺，适合作为测量水听器，不适合成缆，同样不能满足大深度高水压的使用环境。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构合理，适用于大深度高水压使用环境的耐高静水压小型压电水听器及其制作方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：这种耐高静水压小型压电水听器，包括高强度聚氨酯包覆层、压电陶瓷圆管、柔性橡胶封堵、定位环、两根细导线等，所述的压电陶瓷圆管外形呈圆柱形，压电陶瓷圆管的极化方向为径向极化，压电陶瓷圆管的外圆表面电极有1～2毫米宽的间隔，将外圆表面电极对称分隔为两段，两段圆管的极化方向相反，外圆电极加直流正向电压的为水听器的正电极，外圆电极加直流负向电压的为水听器的负电极；压电陶瓷圆管的内圆表面为公共电极，外形结构上是一个整体的圆管，电路上是两段极性相反的圆管的串联组合，定位环固定在间隔处；压电陶瓷圆管的两端口用柔性橡胶封堵，内部形成密闭的空腔；细导线分别焊接在分段电极的中央，作为水听器的正、负电极引出线，从水听器端面引出；所述压电陶瓷圆管外表面由透声并耐压的高强度聚氨酯包覆层完全包覆。

作为优选：所述包覆层由高强度聚氨酯通过热浇铸成型工艺将胶体注入专用模具中加温硫化制成，高强度聚氨酯属于聚醚型聚氨酯，硬度为100A，与压电陶瓷圆管表面和PVC护套之间有良好的粘接性。

作为优选：所述包覆层在压电陶瓷圆管周围形成均匀包覆，灌注成型后压电陶瓷圆管位于包覆层中央，压电陶瓷圆管的轴线和包覆层的轴线完全重合，包覆层周边厚度控制在2~5毫米，包覆层顶端的厚度不得小于5毫米。

作为优选：所述压电陶瓷圆管由接收型的锆钛酸铅压电材料制成，圆管的长度尺寸大于或等于圆管直径尺寸的4倍，圆管壁厚约为1毫米。

作为优选：所述柔性橡胶堵头为由硬度小于50A的聚氨酯弹性体、氯丁橡胶或硅橡胶制成的堵头，外形呈圆台状，圆台直径与压电陶瓷圆管直径过盈配合，高度为2～5毫米。

作为优选：所述定位环为由高强度聚氨酯通过热浇铸成型工艺将胶体注入专用模具中加温硫化制成的水听器可夹持部位；定位环厚度为1～2毫米，定位环的外径与包覆层的外径相等，定位环的中间有圆孔，可套入并固定在压电陶瓷圆管的间隔处；定位环上有均匀分布的三个触点，在灌注模具内腔形成支撑；定位环设有便于胶体的流入和气泡的溢出的镂空部分。

作为优选：所述细导线为带PVC挤出护套的标准导线。

这种耐高静水压小型压电水听器的制作方法，压电陶瓷圆管经过刷涂银浆和高温渗银工艺，在压电陶瓷圆管的外表面形成两段电极，分别作为正电极负电极，两段电极间隔为1~2毫米，圆管内部为公共电极；压电陶瓷圆管经过浸泡去油、去氧化层处理后：

1）、首先将定位环套入压电陶瓷圆管的中间间隔处固定；

2）、然后用柔性橡胶堵头封堵压电陶瓷圆管的两面端口；

3）、再将两根带PVC护套的细导线分别焊接在分段电极的中央，作为水听器的正、负电极引出线，焊点位置对称于压电陶瓷圆管的轴线，其中一根导线要穿过定位环上的小孔；上述构件一起装入圆柱形的专用灌注模具中，调整压电陶瓷圆管的相对位置，保证压电陶瓷圆管始终处于模具腔体的中心，压电陶瓷圆管的中心轴线和模具腔体的中心轴线完全重合；

4）、最后将设计配制好的高强度聚氨酯包覆层预聚体缓慢注入模具中，期间去除混入气泡，将水听器连同模具一起放入干燥箱中加温固化，待自然冷却后取出，脱模。

压电陶瓷圆管的极化过程如下：在高温硅油浸浴条件下，首先将标示为“正”的电极段加正向直流电场进行极化，根据压电陶瓷圆管的壁厚尺寸，控制极化电场电压为2kV/mm，与此同时将压电陶瓷圆管的负电极和公共电极之间进行短路保护，保持极化电场一段时间，然后解除电场，这样就完成了正电极的极化过程；其次对标示为“负”的电极段加反向直流高压电场进行极化，同时做好正电极和公共电极之间的短路保护，保持相同的极化电压和极化时间；最后移开电场范围和硅油浸浴。

本发明的有益效果是：具有小型、低频、宽带、高灵敏度、匹配简单等常规基本特征外，能够适合深海工作，具有耐高静水压能力成为突出特点，同时还要求具有良好的压力、温度、时间稳定性。结构简单可靠，体积小，可承受最大40MPa的静水压，同时具有高声压灵敏度为和宽频带，防水耐油，性能稳定，适合批量生产。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是图1的A-A向剖视图；

图3是压电陶瓷圆管剖面示意图；

附图标记说明：压电陶瓷圆管1、柔性橡胶堵头2、导线3、定位环4、包覆层5、正电极6、间隔7、负电极8、公共电极9。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。虽然本发明将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本发明限制在所述实施例中。相反，本发明将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本发明的范围内的替换物、改进型和等同物。

参见图1至图3所示，耐高静水压小型压电水听器，包括高强度聚氨酯包覆层5、压电陶瓷圆管1、柔性橡胶堵头2、定位环4、两根带PVC护套的细导线3等。所述的水听器外形呈圆柱体，外表面由高强度聚氨酯弹性体完全包覆，包覆层5有一定厚度；压电陶瓷圆管1的外圆表面电极有1～2毫米宽的间隔7，将外圆表面电极对称分隔为两段，分别代表压电陶瓷圆管1的正电极6、负电极8；压电陶瓷圆管1的内圆表面为公共电极9，从外形结构上看是一个整体的圆管，从电路上分析是两段极性相反的圆管的串联组合；定位环4固定在圆管的间隔7处；压电陶瓷圆管1的两端端口用柔性橡胶堵头2封堵，内部形成密闭的空腔；两根不同颜色的PVC绝缘护套的细导线3分别焊接在分段电极的中央，作为水听器的正、负电极引出线，从水听器端面引出，焊点位置对称；

高强度聚氨酯包覆层5由聚氨酯预聚体通过热浇铸成型工艺，将胶体注入专用模具中加温硫化制成，无毒无味，符合环保要求。高强度聚氨酯属于聚醚型聚氨酯弹性体，坚固抗压并且声学性能优越，操作工艺简单，配方设计具有吸水率低，防透水，耐腐蚀，抗老化，寿命长等特点，橡胶硬度为100A，与压电陶瓷圆管1表面和PVC护套之间有良好的粘接性，可加入不同的色浆配制成不同的颜色；

高强度聚氨酯包覆层5在压电陶瓷圆管1周围形成均匀包覆。硫化成型后，压电陶瓷圆管1位于包覆层5的中央，压电陶瓷圆管1的轴线和包覆层5的轴线完全重合，周围厚度控制在2～5毫米为最佳，包覆层5顶端的厚度适当加厚，不小于5毫米；

压电陶瓷圆管1由接收型的锆钛酸铅压电材料（国标牌号：PZT-5）制成，圆管的长度尺寸大于或等于圆管直径尺寸的4倍，圆管壁厚约为1毫米；

柔性橡胶堵头2由硬度小于50A的聚氨酯弹性体、氯丁橡胶或硅橡胶制成的堵头，外形呈圆台状，圆台直径与压电陶瓷圆管1直径过盈配合，高度为2～5毫米为宜；

柔性橡胶堵头2将压电陶瓷圆管两端封堵后，内部形成了封闭的空腔，满足无端盖和透声的边界条件，加上圆管特有的耐压构造，使水听器能够抵御外部的强大压力；

定位环4由高强度聚氨酯通过热浇铸成型工艺，将胶体注入专用模具中加温硫化制成，为水听器可夹持部位。定位环厚度为1～2毫米，定位环4的外径与水听器的外径相等，定位环4的中间有圆孔，可套入并固定在压电陶瓷圆管1的间隔处，定位环4上有均匀分布的三个触点，在灌注模具内腔形成支撑，镂空部分便于胶体的流入和气泡的溢出。定位环4的主要作用是，灌注过程中控制压电陶瓷圆管1在始终处于灌注模具的中央，保证压电陶瓷圆管1的中心轴线和水听器的中心轴线完全重合；

两根细导线3带PVC挤出护套的标准导线，长度根据使用要求确定，导线3的一端分别焊接在压电陶瓷圆管1的外圆分段电极表面，有两种不同颜色，分别代表水听器的正、负极，可以从水听器的一个端面或者两个端面同时引出；

压电陶瓷圆管1通过调整和控制压电陶瓷圆管1的长度和半径尺寸，可以适当调节水听器的工作带宽和声压灵敏度，通过调整和控制分段电极的面积和管壁厚度尺寸，可以调节水听器的电容量。

压电陶瓷圆管1经过刷涂银浆和高温渗银工艺后，如图3所示，在压电陶瓷圆管1的外表面形成两段电极，分别做好“正”、“负”极性标示，两段电极间隔为1～2毫米，圆管内部为公共电极9。极化过程如下：在高温硅油浸浴条件下，首先将标示为“正”的电极段加正向直流电场进行极化，根据压电陶瓷圆管1的壁厚尺寸，控制极化电场电压为2kV/mm，与此同时将压电陶瓷圆管1的负电极8和公共电极9之间进行短路保护，保持极化电场一段时间，然后解除电场，这样就完成了正电极6的极化过程；同样对标示为“负”的电极段加反向直流高压电场进行极化，同时做好正电极6和公共电极9之间的短路保护，保持相同的极化电压和极化时间，移开电场范围和硅油浸浴，这样就完成了整个压电陶瓷圆管1分段电极的极化全过程。

压电陶瓷圆管1经过浸泡去油、去氧化层处理后，首先将定位环4套入压电陶瓷圆管1的中间间隔处固定，然后用柔性橡胶堵头2封堵压电陶瓷圆管1的两面端口，再将两根带PVC护套的细导线3分别焊接在分段电极的中央，作为水听器的正、负电极引出线，焊点位置对称于压电陶瓷圆管1的轴线，其中一根导线要穿过定位环4上的小孔。上述构件一起装入圆柱形的专用灌注模具中，调整压电陶瓷圆管1的相对位置，保证压电陶瓷圆管1始终处于模具腔体的中心，压电陶瓷圆管1的中心轴线和模具腔体的中心轴线完全重合，最后，将设计配制好的高强度聚氨酯包覆层5预聚体缓慢注入模具中，期间去除混入气泡，将水听器连同模具一起放入干燥箱中加温固化，待自然冷却后取出，脱模，这样就完成了耐高静水压小型压电水听器的制造全过程。

Claims (6)

1.一种耐高静水压小型压电水听器的制作方法，其中耐高静水压小型压电水听器包括高强度聚氨酯包覆层(5)、压电陶瓷圆管(1)、柔性橡胶堵头(2)、定位环(4)和两根细导线(3)，所述的压电陶瓷圆管(1)外形呈圆柱形，压电陶瓷圆管的极化方向为径向极化，压电陶瓷圆管的外圆表面电极有1～2毫米宽的间隔(7)，将外圆表面电极对称分隔为两段，两段圆管的极化方向相反，外圆表面电极加直流正向电压的为水听器的正电极(6)，外圆表面电极加直流负向电压的为水听器的负电极(8)；压电陶瓷圆管(1)的内圆表面为公共电极(8)，压电陶瓷圆管(1)外形结构上是一个整体的圆管，电路上是两段极性相反的圆管的串联组合，定位环(4)固定在间隔(7)处；压电陶瓷圆管(1)的两端口用柔性橡胶堵头(2)封堵，内部形成密闭的空腔；细导线(3)分别焊接在分段电极的中央，作为水听器的正、负电极引出线，从水听器端面引出；所述压电陶瓷圆管(1)外表面由透声并耐压的高强度聚氨酯包覆层(5)完全包覆；所述定位环(4)为由高强度聚氨酯通过热浇铸成型工艺将胶体注入模具中加温硫化制成的水听器可夹持部位；定位环(4)厚度为1～2毫米，定位环(4)的外径与包覆层(5)的外径相等，定位环(4)的中间有圆孔，能够套入并固定在压电陶瓷圆管(1)的间隔(7)处；定位环(4)上有均匀分布的三个触点，在灌注模具内腔形成支撑；定位环(4)设有便于胶体的流入和气泡的溢出的镂空部分；具体制作方法为：压电陶瓷圆管(1)经过刷涂银浆和高温渗银工艺，在压电陶瓷圆管(1)的外表面形成两段电极，分别作为正电极(6)负电极(8)，两段电极间隔(7)为1～2毫米，圆管内部为公共电极(9)；压电陶瓷圆管(1)经过浸泡去油、去氧化层处理后：

1)、首先将定位环(4)套入压电陶瓷圆管(1)的间隔(7)处固定；

2)、然后用柔性橡胶堵头(2)封堵压电陶瓷圆管(1)的两面端口；

3)、再将两根细导线(3)分别焊接在分段电极的中央，作为水听器的正、负电极引出线，焊点位置对称于压电陶瓷圆管(1)的轴线，其中一根导线要穿过定位环(4)上的小孔；

4)、上述构件一起装入圆柱形的专用灌注模具中，调整压电陶瓷圆管(1)的相对位置，保证压电陶瓷圆管(1)始终处于模具腔体的中心，压电陶瓷圆管(1)的中心轴线和模具腔体的中心轴线完全重合；

5)、最后将设计配制好的高强度聚氨酯包覆层(5)预聚体缓慢注入模具中，期间去除混入气泡，将水听器连同模具一起放入干燥箱中加温固化，待自然冷却后取出，脱模；

压电陶瓷圆管(1)的极化过程如下：在高温硅油浸浴条件下，首先将标示为“正”的电极段加正向直流电场进行极化，根据压电陶瓷圆管(1)的壁厚尺寸，控制极化电场电压为2kV/mm，与此同时将压电陶瓷圆管(1)的负电极(8)和公共电极(9)之间进行短路保护，保持极化电场一段时间，然后解除电场，这样就完成了正电极(6)的极化过程；其次对标示为“负”的电极段加反向直流高压电场进行极化，同时做好正电极(6)和公共电极(9)之间的短路保护，保持相同的极化电压和极化时间；最后移开电场范围和硅油浸浴。

2.根据权利要求1所述的耐高静水压小型压电水听器的制作方法，其特征在于：所述包覆层(5)由高强度聚氨酯通过热浇铸成型工艺将胶体注入专用模具中加温硫化制成。

3.根据权利要求1所述的耐高静水压小型压电水听器的制作方法，其特征在于：所述包覆层(5)在压电陶瓷圆管(1)周围形成均匀包覆，灌注成型后压电陶瓷圆管(1)位于包覆层(5)中央，压电陶瓷圆管(1)的轴线和包覆层(5)的轴线完全重合，包覆层(5)周边厚度为2～5毫米，包覆层(5)顶端的厚度不小于5毫米。

4.根据权利要求1所述的耐高静水压小型压电水听器的制作方法，其特征在于：所述压电陶瓷圆管(1)由接收型的锆钛酸铅压电材料制成，圆管的长度尺寸大于或等于圆管直径尺寸的4倍，圆管壁厚为1毫米。

5.根据权利要求1所述的耐高静水压小型压电水听器的制作方法，其特征在于：所述柔性橡胶堵头(2)为由硬度小于50A的聚氨酯弹性体、氯丁橡胶或硅橡胶制成的堵头，外形呈圆台状，圆台直径与压电陶瓷圆管直径过盈配合，高度为2～5毫米。

6.根据权利要求1所述的耐高静水压小型压电水听器的制作方法，其特征在于：所述细导线(3)为带PVC挤出护套的标准导线。