CN104614066A - 一种金属壳体密封的压电陶瓷水听器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属壳体密封的压电陶瓷水听器。目前的水听器存在固有缺点。本发明包括金属外壳、玻璃堵头、信号插针、压敏元件等。金属外壳采用镍铜合金材料，金属支撑环焊接在金属外壳的开口处，玻璃堵头上部设置在金属支撑环内。信号插针竖直穿过玻璃堵头。压敏元件为圆环形的压电陶瓷片，相邻两个压敏元件之间通过橡胶圈隔离；上、下盖板设置在压敏元件的最外部。金属连接件的金属筒与玻璃堵头下部紧密连接，金属杆穿过上盖板和下盖板，将上盖板、压敏元件、橡胶圈和下盖板紧压在一起。金属外壳腔内充满硅油。本发明改进了水听器的接收性能，提高了水听器工作性能的可靠性，增强了水听器抗空间电磁干扰的能力，提高了水听器的温度稳定性。

Description

一种金属壳体密封的压电陶瓷水听器

技术领域

本发明属于探测工具技术领域，涉及一种水听器，具体是一种金属壳体密封的压电陶瓷水听器。

背景技术

在各种水下探测活动中，声波是最有效的探测工具。为了能接收水中传播的声波，必须使用各种类型的水听器。目前，使用最为频繁的是利用各种压电陶瓷材料制作的压电水听器。该种水听器能够将作用在压电敏感元件上的声波转换为电信号输出，通过使用电子测量设备便可记录水中声压波形或测量出声压量值的大小。

一直以来，压电水听器都是通过使用橡胶和聚氨酯等高分子材料进行密封，并实现与声波的耦合。橡胶材料具有良好的水密和声耦合性能，但是其硬度会随环境温度的变化而改变，导致水听器的灵敏度及频率响应曲线会随外界温度而改变。聚氨酯材料近年来被应用于换能器和水听器的制作中，简化了声学传感器的制作工艺。但是聚氨酯材料的透水率相对较大，使用该种材料制作的水听器无法在水下长期工作。

发明内容

本发明的目的就是针对目前使用橡胶和聚氨酯等高分子材料制作水听器所存在的固有缺点，提供一种金属壳体密封的压电陶瓷水听器。

本发明通过采用金属材料作为水听器的水密外壳，消除由于水介质的渗透对水听器性能的影响；同时通过全金属封装增强传感器抗电磁干扰的能力，以提高水听器的可靠性；且通过使用耐高温硅油作为耦合材料，在减少声传播衰减的同时也消除了由于外壳横向振动等外界干扰对水听器接收性能的影响，提高了水听器的温度稳定性，使水听器能在更宽的温度范围中工作。

为实现发明目的，本发明采用如下技术方案：

包括金属外壳、金属支撑环、玻璃堵头、信号插针、金属连接件、压敏元件、橡胶圈、上盖板、下盖板。

所述的金属外壳为顶部具有开口、底部为半球面的圆筒，其材料采用耐海水腐蚀的镍铜合金材料；金属外壳的壁的厚度小于等于水听器最高工作频率对应声波波长的0.6%。

所述的金属支撑环为圆环形，其外壁攻有外螺纹，用于与水密插头的电缆相连接；金属支撑环焊接在金属外壳的开口处，形成瓶口形状；金属支撑环材料采用耐海水腐蚀的镍铜合金材料。

所述的玻璃堵头为圆柱形，其上部设置在金属支撑环内，通过烧结将玻璃堵头与金属支撑环连为一体；玻璃堵头将金属外壳封闭。

所述的信号插针包括正极插针和负极插针，两根信号插针均竖直穿过玻璃堵头设置，通过烧结与玻璃堵头固定连接；信号插针采用黄铜材料，其头部伸出玻璃堵头顶面，用于连接电缆插座，其尾部伸出玻璃堵头底面，作为接线端。

所述的压敏元件为圆环形的压电陶瓷片，相邻两个压敏元件之间通过橡胶圈隔离；圆盘形的上盖板设置在最上部压敏元件的顶部，并通过橡胶圈隔离；圆盘形的下盖板设置在最下部压敏元件的底部，并通过橡胶圈隔离；上盖板和下盖板采用黄铜材料。

所述的金属连接件包括金属筒和金属杆，均采用黄铜材料；金属筒的顶部开放，玻璃堵头的下部设置在金属筒内，并与金属筒内壁紧密连接；玻璃堵头与金属筒围合的空腔为接线腔，信号插针的接线端位于接线腔内；金属杆垂直固定在金属筒底面的中心位置，金属杆穿过上盖板和下盖板的中心设置，将上盖板、压敏元件、橡胶圈和下盖板紧压在一起。

所述的金属外壳与金属筒围合的密闭空腔内充满硅油；多个压敏元件的内壁通过导线串联后，通过正极导线与正极插针的接线端连接；多个压敏元件的外壁通过导线串联后，通过负极导线与负极插针的接线端连接；所述的压敏元件为偶数个。

本发明提出了利用金属材料作为水听器外壳、以硅油作为声耦合介质的压电水听器。当水听器被放置在水下工作时，声波信号将透过薄壁金属壳进入水听器内部，经过硅油传播并为压电陶瓷元件所接收，从而在压电陶瓷正、负电极上产生与入射声波大小成正比的电压信号。压电元件上产生的信号经过连接导线输出到固定在玻璃堵头的金属插针上，再通过连接电缆传输到接收测量设备中。水听器金属外壳通过电缆屏蔽线连接到接收设备的地线上，以隔绝空间电磁感应对由压电敏感元件所产生的输出信号的干扰。

本发明通过利用薄壁金属作为水听器外壳，阻断了水分子向水听器内部的渗透，提高的水听器工作性能的可靠性，同时增强了水听器抗空间电磁干扰的能力；通过使用耐高温硅油提高了水听器的温度稳定性，同时扩展了水听器的使用温度范围。因此，上述水听器能够被放置在水下长期工作，并能在高温环境中进行声学测量活动。

本发明的有益效果：

(1)水听器采用镍铜等耐海水腐蚀金属薄壳进行封装，阻断水分子向水听器内部敏感元件的渗透，提高了水听器的水密性能和可靠性。

(2)通过将压电元件放置在全金属封闭的壳体中，并将金属壳体与输出电缆的屏蔽线单独连接，减小了空间电磁干扰对水听器输出信号的干扰。

(3)通过使用耐高温硅油作为声波耦合介质，消除了外壳横向振动等因素对水听器接收性能的影响，同时扩展了水听器的使用温度范围。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为配备水密插头的连接电缆结构示意图；

图3为声波在金属板上的反射和透射示意图；

图4为厚度为0.5 mm的薄壁镍铜材料的插入损失随频率的变化曲线图。

具体实施方式

如图1所示，一种金属壳体密封的压电陶瓷水听器，包括金属外壳1、金属支撑环2、玻璃堵头3、信号插针、金属连接件、压敏元件6、橡胶圈7、上盖板8、下盖板9。

金属外壳为1顶部具有开口、底部为半球面的圆筒，其材料采用耐海水腐蚀的镍铜合金材料。金属外壳的壁的厚度小于等于水听器最高工作频率对应声波波长的0.6%，使得由于金属外壳反射等因素造成的水听器灵敏度降低小于3dB。

金属支撑环2为圆环形，其外壁攻有外螺纹，用于与水密插头的电缆相连接。金属支撑环焊接在金属外壳的开口处，形成瓶口形状。金属支撑环材料采用耐海水腐蚀的镍铜合金材料，彻底阻断水分子向水听器内部敏感元件的渗透。通过金属外壳与输出电缆的屏蔽线单独连接，减小了空间电磁干扰对水听器输出信号的干扰。

玻璃堵头3为圆柱形，其上部设置在金属支撑环2内，通过烧结将玻璃堵头3与金属支撑环2连为一体。玻璃堵头3将金属外壳1封闭。

信号插针包括正极插针4-1和负极插针4-2，两根信号插针均竖直穿过玻璃堵头3设置，通过烧结与玻璃堵头3固定连接。信号插针采用黄铜材料，其头部伸出玻璃堵头顶面，用于连接电缆插座，其尾部伸出玻璃堵头底面，作为接线端。

压敏元件6为圆环形的压电陶瓷片，相邻两个压敏元件之间通过橡胶圈7隔离；圆盘形的上盖板8设置在最上部压敏元件的顶部，并通过橡胶圈隔离；圆盘形的下盖板9设置在最下部压敏元件的底部，并通过橡胶圈隔离；上盖板和下盖板采用黄铜材料。

金属连接件包括金属筒5-1和金属杆5-2，均采用黄铜材料。金属筒5-1的顶部开放，玻璃堵头3的下部设置在金属筒5-1内，并与金属筒内壁紧密连接。玻璃堵头3与金属筒5-1围合的空腔为接线腔，信号插针的接线端位于接线腔内。金属杆5-2垂直固定在金属筒底面的中心位置，金属杆5-2穿过上盖板8和下盖板9的中心设置，将上盖板、压敏元件、橡胶圈和下盖板紧压在一起。

金属外壳与金属筒围合的密闭空腔内充满硅油10，作为声波耦合介质，消除了金属外壳切向振动对水听器接收特性的影响，同时扩展了水听器的使用温度范围。硅油密度和声速与水介质相近，从而保证声波信号在其中的传播衰减可以忽略不计；同时，硅油在0°C~ 150°C范围内声速和密度不会发生明显的变化，以保证水听器的灵敏度及频率响应具有良好的温度稳定性。

四个压敏元件6的内壁通过导线串联后，通过正极导线与正极插针4-1的接线端连接；四个压敏元件6的外壁通过导线串联后，通过负极导线与负极插针4-2的接线端连接。

如图2所示，配备水密插头的连接电缆，包括电缆11和插头12，插头12内设置有插孔13，电缆的芯线14连通插孔13，插头12的内壁攻有内螺纹15。连接时，插头12置于金属支撑环2内，通过螺纹旋紧，信号插针插入插孔13，完成信号连接。

以下对金属外壳对水听器接收灵敏度影响进行分析。

与橡胶和聚氨酯材料相比，金属材料的反射系数较大，用作水听器的外壳时，必须考虑其反射声波所造成的水听器灵敏度降低。下面结合附图3分析金属薄层对水听器灵敏度的影响。

平面入射声波在金属薄层上的反射和透射如附图3所示，入射声波3.1经过放置在水介质中的金属薄层后，会产生透射声波3.2和反射声波3.3。如果水介质的特性阻抗为Z₁；灌注的硅油的特性阻抗为Z₃；金属材料的特性阻抗为Z₂、厚度为l时；其透声系数T定义为透射功率与入射功率之比，T可表示为：

                        (1)

其中,为金属材料中的波数, w 为角频率，c₂为金属材料中的声速。

如取：水介质，Z₁=1.5×10⁶ （MKS 瑞利）；

硅油介质，Z₃=1.2×10⁶ （MKS 瑞利）；

镍铜材料，Z₂=40.0×10⁶ （MKS 瑞利），c₂=4700 m/s；

在工作频率为20 kHz时，对于厚度l= 1.0 mm的镍铜材料，根据（1）式可以计算出金属薄层的透声系数T=0.85，因此，由于金属材料的反射所造成声压幅度降低为0.7dB，对于水听器而言，由于金属材料的插入损失所造成的灵敏度降低为0.7dB。

采用厚度为0.5 mm的薄壁镍铜材料时，材料插入损失随频率的变化如附图4所示，当工作频率上升到50kHz时，水听器灵敏度的下降为1dB。因此，厚度小于0.5mm的薄壁镍铜材料可以作为工作频率小于50kHz的水听器的封装材料。

Claims (4)

1. 一种金属壳体密封的压电陶瓷水听器，其特征在于：包括金属外壳、金属支撑环、玻璃堵头、信号插针、金属连接件、压敏元件、橡胶圈、上盖板、下盖板；

所述的金属外壳为顶部具有开口、底部为半球面的圆筒，金属外壳的壁的厚度小于等于水听器最高工作频率对应声波波长的0.6%；

所述的金属支撑环为圆环形，其外壁攻有外螺纹，用于与水密插头的电缆相连接；金属支撑环焊接在金属外壳的开口处，形成瓶口形状；

所述的玻璃堵头为圆柱形，其上部设置在金属支撑环内，通过烧结将玻璃堵头与金属支撑环连为一体；玻璃堵头将金属外壳封闭；

所述的信号插针包括正极插针和负极插针，两根信号插针均竖直穿过玻璃堵头设置，通过烧结与玻璃堵头固定连接；信号插针采用黄铜材料，其头部伸出玻璃堵头顶面，用于连接电缆插座，其尾部伸出玻璃堵头底面，作为接线端；

所述的压敏元件为圆环形的压电陶瓷片，相邻两个压敏元件之间通过橡胶圈隔离；圆盘形的上盖板设置在最上部压敏元件的顶部，并通过橡胶圈隔离；圆盘形的下盖板设置在最下部压敏元件的底部，并通过橡胶圈隔离；

所述的金属连接件包括金属筒和金属杆；金属筒的顶部开放，玻璃堵头的下部设置在金属筒内，并与金属筒内壁紧密连接；玻璃堵头与金属筒围合的空腔为接线腔，信号插针的接线端位于接线腔内；金属杆垂直固定在金属筒底面的中心位置，金属杆穿过上盖板和下盖板的中心设置，将上盖板、压敏元件、橡胶圈和下盖板紧压在一起；

所述的金属外壳与金属筒围合的密闭空腔内充满硅油；多个压敏元件的内壁通过导线串联后，通过正极导线与正极插针的接线端连接；多个压敏元件的外壁通过导线串联后，通过负极导线与负极插针的接线端连接。

2.如权利要求1所述的一种金属壳体密封的压电陶瓷水听器，其特征在于：所述的压敏元件为偶数个。

3.如权利要求1所述的一种金属壳体密封的压电陶瓷水听器，其特征在于：所述的金属外壳和金属支撑环的材料采用耐海水腐蚀的镍铜合金材料。

4.如权利要求1所述的一种金属壳体密封的压电陶瓷水听器，其特征在于：所述的金属连接件以及上盖板和下盖板采用黄铜材料。