CN105323685B - 一种全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器，其包括：压电陶瓷圆管元件，高强度纤维增强塑料包覆层，环氧绝缘环，低噪声前置放大电路，高强度非金属端盖，高阻水丁晴橡胶包覆层和引线电极。

Description

一种全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器

技术领域

本发明涉及压电水听器领域，特别涉及一种全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器。

背景技术

在大洋板块向大陆板块俯冲地带上的深海中，存在着一种被科学家称为“海沟”或“海斗深渊”的区域，该区域水深范围约从6000米到11000米。据统计，全球共有37条超过6000米水深的“海斗深渊”，所涉及的海域接近于我国的陆地面积。这些海洋区域缺乏阳光、食物供给匮乏，但具有超高的静水压力、特殊的海底地形和活跃剧烈的构造活动。很多大地震、海啸产生于深渊深处，深渊科学正逐渐成为国际海洋科学领域的一个前沿热点。因此，为开展深渊研究，全水深水听器已成为迫切需求。全水深水听器除了需要具有低频宽带、小型化、低温环境稳定等特点外，同时应满足全水深(最大工作深度11000m，即耐静水压110MPa)、高灵敏度(无前放水听器优于-190dB)的要求。

目前，水听器主要包括：压电陶瓷、压电复合材料、PVDF薄膜材料、以及光纤水听器。压电陶瓷具有耐压性能高、时间稳定性长、灵敏度响应平坦以及形状可根据设计任意成型等诸多特点。因此，在深水水听器中,压电陶瓷被广泛应用。根据工作模式分类，压电陶瓷水听器主要有：弯曲圆盘式、薄板弯曲振动式和圆管径向振动式。前两类压电水听器由于压电材料的构造、特性和工作形式的限制，工作深度相对较浅；径向极化的压电陶瓷圆管型水听器由于管状构造的优良抗压性，并且具有水平无指向性、接收灵敏度高、结构简单、工作性能稳定等特点，是深水水听器的重要实现技术途径。

中国专利2012104049408《一种耐高静水压小型压电水听器及其制作方法》中，阐述了一种压电陶瓷圆管外圆表面电极分段、相反方向极化、柔性橡胶封堵圆管端盖、聚氨酯定位环与包覆的深水水听器及制作方法。这种水听器圆管的外形结构上是一个整体的圆管，分段极化相当于两段极性相反的圆管的串联组合，可有效提高水听器的整体性和灵敏度，根据其资料说明获知该型水听器耐静水压可达40MPa。但对于全水深深水水听器的设计方案，申请人认为该发明所述1mm壁厚分段极化的压电陶瓷圆管及利用柔性橡胶封堵陶瓷圆管端盖的方案难以满于耐静水压110MPa的需求，且所述的包覆陶瓷圆管的聚氨酯在超高静水压下存在渗水率高的问题，将难以保证110MPa的超高静水压条件下的长期稳定工作。

美国Optimum Applied Systems公司研制成功的OASE型水听器可满足全水深要求，该型水听器同样采用PZT接收型压电陶瓷圆管为敏感元件。为满足全水深的耐压要求，其采用陶瓷圆管外套丁酯保护套，然后灌油式密封，用来实现隔绝海水和护套内外压力平衡，达到全水深工作的目的。根据其产品宣传资料获悉，耐静水压可达110MPa，但其平坦工作频带(响应1dB起伏)仅限于0-5kHz，而且，其尺寸偏大，且放油外护套使用过程中对尖锐物体切割无法保护，否则破损漏油失效。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有的水听器无法实现全水深，高灵敏度，低频宽带的技术问题，本发明提供了一种全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器。

本发明提供了一种全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器，其包括：压电陶瓷圆管元件、高强度纤维增强塑料、环氧绝缘环、低噪声前置放大电路、高强度非金属端盖、高阻水丁晴橡胶包覆层和引线电极。所述的水听器呈圆柱形，其外表面由所述的高阻水丁晴橡胶包覆层完全包覆，其内表面为所述的高强度纤维增强塑料包覆层完全包覆，使得在其内部形成一个柱形的陶瓷圆管。在所述的水听器内部，所述的纤维增强塑料包覆层包覆所述的压电陶瓷圆管组元件，所述的陶瓷圆管采用相同尺寸的压电陶瓷圆管元件，所述的压电陶瓷圆管元件间用所述的环氧绝缘环绝缘隔离并且采用串、并联形式连接，所述的陶瓷圆管的两端面采用所述的高强度非金属端盖封堵；所述的陶瓷管的内部形成密闭的空腔，所述的低噪声前置放大电路置于密闭空腔的内部；所述的低噪声前置放大电路的输入端以细导线连接所述的压电陶瓷圆管元件的输出端，所述的低噪声前置放大电路的输出端连接所述的引线电极。

将所述的压电水听器放入水中，所述的压电水听器可测量水中的声波信号，所述的压电陶瓷圆管元件由于受到声波压力的作用，发生了压电效应，则所述的压电水听器利用压电换能原理，将检测到的声信号转换为电信号，所述的低噪声前置放大电路可采用差分输入差分输出的工作模式，将其转换为电信号输出，然后传输到显示设备或记录设备上作为测量依据。

所述的压电陶瓷圆管元件选用径向极化、接收型PZT5型陶瓷作为水听器的敏感元件。通过调整所述的压电陶瓷圆管元件的长度、半径以及壁厚这些参数，满足压电陶瓷圆管的110MPa抗压强度，调节所述的水听器的工作带宽(0—30kHz)与声压灵敏度(优于-190dB)。此外，通过调整所述的压电陶瓷圆管元件的尺寸和个数，增大水听器的电容量，可以实现与所述的低噪声前置放大电路的阻抗匹配。

所述的压电陶瓷圆管元件是四个或六个，相邻元件径向极化方向相反，以先串联后并联方式构成一个陶瓷圆柱，可以提高所述的水听器的灵敏度，同时也可以有效降低所述的压电水听器的轴向加速度响应。

所述的高阻水丁晴橡胶属于透声型合成橡胶，耐海水腐蚀、气密性好、耐油性好、耐老化性好，粘接力强，与所述的陶瓷圆管的外表面的高强度纤维塑料贴合致密。所述的高强度非金属端盖的包覆层采用动态硫化加工工艺，将橡胶体注入专用模具加温固化而成。

所述的低噪声前置放大电路遵循高阻抗输入、低阻抗输出、低噪声、低功耗的设计原则，以提高所述的水听器的驱动力和高信噪比。此外，还采用差分输入差分输出的工作模式，对所述的低噪声前置放大电路输入端采用过压、过流保护，所述的低噪声前置放大电路的短路噪声折合到其输入端应小于1uV。

所述的高强度非金属端盖选用硬度大、重量轻、加工成型容易的玻璃或陶瓷等非金属材料，上盖板制作时预留4个镀金引线电极。盖板厚度大于10mm，其直径与所述的陶瓷圆管的纤维增强塑料包裹层的外径等径。

本发明的优点在于：所述的压电水听器结构简单、全海深、体积小、噪声低、低频宽带、高灵敏度、耐水耐油、性能稳定。

附图说明

图1是全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器的结构示意图

图2是全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器的竖直方向的剖面示意图

图3是压电陶瓷圆管元件串并联示意图

1、压电陶瓷圆管元件 2、高强度纤维增强塑料 3、环氧绝缘环

4、前置放大器 5、高强度非金属盖

6、丁晴橡胶包覆层 7、引线电极

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1、2所示，所述的全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器，其包括：压电陶瓷圆管元件1、高强度纤维增强塑料包裹层2、环氧绝缘环3、低噪声前置放大电路4、高强度非金属端盖5、高阻水丁晴橡胶包覆层6和引线电极7。

所述的水听器外形呈圆柱体，其外表面由所述的高阻水丁晴橡胶包覆层6完全包覆，其内表面由所述的高强度纤维增强塑料包覆层2完全包覆，使得在其内部形成一个柱形的陶瓷圆管。在所述的水听器内部，所述的陶瓷圆管包含六个相同尺寸的压电陶瓷圆管元件1，所述的压电陶瓷圆管元件1之间用所述的环氧绝缘环3绝缘隔离并且采用串、并联形式连接，所述的陶瓷圆管的两端面采用所述的高强度非金属端盖5封堵，所述的陶瓷管的内部形成密闭的空腔。所述的低噪声前置放大电路4置于密闭空腔的内部，所述的低噪声前置放大电路4的输入端以细导线连接所述的压电陶瓷圆管元件1的输出端，所述的低噪声前置放大电路4的输出端连接所述的引线电极7。

将所述的压电水听器放入水中，所述的压电水听器可测量水中的声波信号，所述的压电陶瓷圆管元件1由于受到声波压力的作用，发生了压电效应，则所述的压电水听器利用压电换能原理，将检测到的声信号转换为电信号，所述的低噪声前置放大电路4可采用差分输入差分输出的工作模式，将其转换为电信号输出，然后传输到显示设备或记录设备上作为测量依据。

所述的高阻水丁晴橡胶包覆层6的厚度不小于5mm，所述的高强度纤维增强塑料包覆层2的厚度不小于0.5mm。

所述的陶瓷圆管由6个相同尺寸的压电陶瓷圆管元件1组成，如图3所示，所述的压电陶瓷圆管元件之间采用厚度不小于1mm的环氧绝缘环3进行绝缘隔离，两个为一组先串联，然后并联输出，采用端面对称以保证元件机械完全对称。

所述的高阻水丁晴橡胶包覆层6在所述的陶瓷圆管外围形成均匀包覆，所述的陶瓷圆管的轴线和所述的高阻水丁晴橡胶包覆层6的轴线完全重合，两端所述的高强度非金属端盖5的包覆层呈半球型厚度不小于10mm。该包覆层通过采用动态硫化工艺，将橡胶体注入专用模具中，放入干燥箱中加温固化，待自然冷却后取出，脱模制成。

所述的高阻水丁晴橡胶包覆层6采用了邵尔硬度标准，所述的邵尔硬度标准不低于70A，并且坚固抗压，声学性能优越，高阻水、耐海水腐蚀、抗老化、寿命长。

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 (9)

1.一种全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器，其特征在于，其包括：压电陶瓷圆管元件，高强度纤维增强塑料包覆层，环氧绝缘环，低噪声前置放大电路，高强度非金属端盖，高阻水丁晴橡胶包覆层和引线电极，所述的水听器呈圆柱形，其外表面由所述的高阻水丁晴橡胶包覆层完全包覆，其内表面为所述的高强度纤维增强塑料包覆层完全包覆，在其内部形成一个柱形的陶瓷圆管，在所述的水听器内部，所述的纤维增强塑料包覆层包覆所述的压电陶瓷圆管元件，所述的陶瓷圆管采用相同尺寸的压电陶瓷圆管元件，所述的压电陶瓷圆管元件间用所述的环氧绝缘环绝缘隔离并且采用串联和并联形式连接，所述的陶瓷圆管的两端面采用所述的高强度非金属端盖封堵，所述的陶瓷圆管的内部形成密闭的空腔，所述的低噪声前置放大电路置于密闭空腔的内部，所述的低噪声前置放大电路的输入端以细导线连接所述的压电陶瓷圆管元件的输出端，所述的低噪声前置放大电路的输出端连接所述的引线电极。

2.根据权利要求1所述的全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器，其特征在于，将所述的压电水听器放入水中，所述的压电水听器测量水中的声波信号，所述的压电陶瓷圆管元件由于受到声波压力的作用，发生了压电效应，则所述的压电水听器利用压电换能原理，将检测到的声信号转换为电信号，所述的低噪声前置放大电路采用差分输入差分输出的工作模式，将其转换为电信号输出，然后传输到显示设备或记录设备上作为测量依据。

3.根据权利要求1所述的全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器，其特征在于，所述的压电陶瓷圆管元件选用径向极化、接收型PZT5型陶瓷作为水听器的敏感元件，通过调整所述的压电陶瓷圆管元件的长度、半径以及壁厚参数，满足压电陶瓷圆管的110MPa抗压强度，调节所述的水听器的工作带宽与声压灵敏度，此外，通过调整所述的压电陶瓷圆管元件的尺寸和个数，增大水听器的电容量。

4.根据权利要求3所述的全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器，其特征在于，所述的水听器的工作带宽为0—30kHz，所述的声压灵敏度优于-190dB。

5.根据权利要求1所述的全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器，其特征在于，所述的压电陶瓷圆管元件是四个或六个，相邻元件径向极化方向相反，以先串联后并联方式构成一个陶瓷圆柱。

6.根据权利要求1所述的全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器，其特征在于，所述的高阻水丁晴橡胶属于透声型合成橡胶，与所述的陶瓷圆管的外表面的高强度纤维塑料贴合致密。

7.根据权利要求1所述的全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器，其特征在于，所述的高强度非金属端盖的包覆层采用动态硫化加工工艺，将橡胶体注入专用模具加温固化而成。

8.根据权利要求1所述的全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器，其特征在于，所述的低噪声前置放大电路遵循高阻抗输入，低阻抗输出，低噪声，低功耗的设计原则，此外，还采用差分输入差分输出的工作模式，对所述的低噪声前置放大电路输入端采用过压，过流保护，所述的低噪声前置放大电路的短路噪声折合到其输入端应小于1uV。

9.根据权利要求1所述的全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器，其特征在于，所述的高强度非金属端盖选用硬度大、重量轻、加工成型容易的玻璃或陶瓷的非金属材料，上盖板制作时预留4个镀金引线电极，盖板厚度大于10mm，其直径与所述的陶瓷圆管的纤维增强塑料包裹层的外径等径。