CN105989827A - 一种深水耐压水声换能器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种深水耐压水声换能器及其制造方法，该深水耐压水声换能器包括：外壳、压电陶瓷片、背衬层、深水耐压密封接触装置及密封灌注材料，其中压电陶瓷片的一面与背衬层粘接在一起，整体再与外壳粘接；外壳设有一开口以及数道密封凹槽，所述开口中放置深水耐压密封接触装置，所述密封凹槽内灌注多道密封灌注材料；所述深水耐压密封接触装置设有一电极输出插座、插在该插座上的电极输出插针和密封圈，所述密封圈套在所述电极输出插座上；所述密封灌注材料灌注到以上各部件构成的粘接后的整体上形成的空腔内。

Description

一种深水耐压水声换能器及其制造方法

技术领域

本发明涉及深海海洋探测和水声通讯技术，具体地说，涉及一种能够在深水或者高静水压力下使用的水声换能器及其制造方法。

背景技术

海洋蕴藏着富饶的资源，特别是在深海领域。声波作为在深海中传递信息的有效载体，如何保证水声换能器在深水环境下稳定发射或接收声波成为了水声通信、探测和导航系统必须解决的问题之一。水声换能器作为水声通信、探测和导航系统的关键组成器件，其工作深度以及耐静水压的能力直接制约着深海资源的探测开发。因此若想探测到更深海域的资源、矿藏等，所使用的水声换能器必须具有很好的耐静水压的能力以保证深水环境下正常发射或接收声波。水声换能器的耐静水压的能力一般需要采用特殊的耐压结构或者合适的内外压力平衡设计，如采用释压机制、压力补偿机制、充油结构、溢流结构等。目前，在深水水声换能器的设计中常采用充油式和溢流式结构。充油式结构，即在换能器内部冲入硅油或蓖麻油等不可压缩的流体，使其在深水工作时起到很好地平衡换能器内外的静水压力的作用。溢流式结构，即把换能器设计成开放式的，使其内外静水压力达到平衡，理论上不受工作深度的限制。这两种方式对换能器的结构都有一定要求，而对要求之外的换能器需用其他方式来解决，例如有些结构可以采用封闭式灌注的方式来解决。采用封闭式灌注的方式，要求换能器的组件具有很好的耐压强度，要求电极插座具备绝缘优良、耐压强度优越、水密效果良好等特点，要求电缆插头处以及壳体边缘处做特殊的水密处理。如何解决换能器整体的耐压和水密方面的性能要求，直接决定了其在深水中工作的深度。

因此，希望有一种能够在深水中工作的深水耐压水声换能器，具备耐静水压力的能力强且水密效果好的特点，以便在大深度环境下能够正常工作。

发明内容

为了解决目前水声换能器在大深度的深水中工作时耐压能力及水密性能差的问题，本发明提出一种改进的深水耐压水声换能器及其制造方法。

根据本发明的一个方面的深水耐压水声换能器，包括：外壳、压电陶瓷片、背衬层、深水耐压密封接触装置及密封灌注材料，其中压电陶瓷片的一面与背衬层粘接在一起，整体再与外壳粘接；外壳设有一开口以及数道密封凹槽，所述开口中放置深水耐压密封接触装置，所述密封凹槽内灌注多道密封灌注材料；所述深水耐压密封接触装置设有一电极输出插座、插在该插座上的电极输出插针和密封圈，所述密封圈套在所述电极输出插座上；所述密封灌注材料灌注到以上各部件构成的粘接后的整体上形成的空腔内。

根据一个实施例，压电陶瓷片的另一面粘接有匹配层，以便扩大深水耐压换能器的频率范围。

根据一个实施例，压电陶瓷片与背衬层和匹配层粘接后的整体的两端及底部粘接屏蔽网罩后再粘接到外壳上。

根据一个实施例，所述压电陶瓷片采用收发共用的锆钛酸铅压电陶瓷，如PZT-4，圆片形式，厚度方向极化，上下分别为正负电极。

根据另一个实施例，所述背衬层预留出引线位置。

根据再一个实施例，所述压电陶瓷片与背衬层用高强度环氧胶粘接。

根据一个实施例，密封圈为O型密封圈。根据再一个实施例，所述密封圈采用橡胶材料，其形状依电极输出插座中的密封凹槽的形状而定。

根据另一个实施例，所述电极输出插座采用刚度大、强度高、绝缘性好的材料，例如聚砜等。

根据又一个实施例，所述电极输出插针采用十字形状，起到很好的定位效果；用高强度环氧胶填充插座与电极输出插针之间的缝隙，既起到信号传递作用还具有很好的水密效果。

根据一个实施例，所述密封凹槽表面以及腔体表面做粗糙化处理，增强粘接效果。

在上述技术方案中，进一步地，所述形成的腔体用聚氨酯橡胶灌注。

根据本发明的另一方面，还提供了改进的深水耐压水声换能器的制造方法，包 括如下步骤：

1)将压电陶瓷片的一面与背衬层粘接，另一面粘上匹配层和屏蔽网，并引出电极线以及屏蔽线；

2)将电极输出插座与插针装配好，用绝缘胶密封粘接，粘接后得到的整体被套上密封圈，以形成深水耐压密封接触装置；

3)将上述深水耐压密封接触装置上的插针两头分别与外接电缆信号线和压电陶瓷片上引出的电极线和屏蔽线相连接；

4)将背衬层与压电陶瓷片粘接后形成的整体与壳体粘接，并与深水耐压密封接触装置用密封胶密封粘牢，不留空腔；

5)将整个换能器出现的腔体用聚氨酯橡胶灌封，包括前部空腔和电缆头处空腔。

根据本发明的一个实施例，上述步骤4)进一步包括以下步骤：

(4-1)将环氧树脂原胶和固化剂按1：3的比例配比高强度环氧胶，并抽真空；

(4-2)将抽真空后的高强度环氧胶均匀涂抹在背衬材料、壳体以及深水耐压密封接触装置上；

(4-3)在压电陶瓷片面上施加压力压紧，并把整体放进烘箱烘烤，70℃～80℃条件下烘烤数小时后，自然冷却至室温，取出。

根据本发明的一个实施例，上述步骤5)进一步包括以下步骤：

(5-1)把聚氨酯原胶与固化剂1:0.1的比例配好，混合搅拌，并加热；

(5-2)加热混合的聚氨酯原胶的同时，把要灌注的整体加热至90℃～100℃；

(5-3)把加热后的混合的聚氨酯进行抽真空处理；

(5-4)把抽真空处理后的聚氨酯沿一个方向灌注于换能器的前部空腔或电缆头处空腔，前部空腔与电缆头处空腔分两次灌注；

(5-5)灌注完毕之后，在烘箱内在90℃～100℃条件下烘烤换能器数小时之后，自然冷却至室温，取出。

与现有技术相比，本发明的深水耐压水声换能器的优点在于：

1)本发明的深水耐压水声换能器具有耐高静水压工作的特点，具备在6000米水下工作的能力。

2)可以通过调节压电陶瓷片、背衬层、匹配层、外壳等结构参数，使压电陶瓷片、背衬层以及匹配层纵向振动进行耦合，达到宽带发射或接收的效果。

3)本发明的深水耐压接触装置具有体积小巧、结构简单的特点，同时具备密封性好和高耐压能力。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的深水耐压水声换能器的结构示意图。

图2是根据本发明的另一实施例的深水耐压水声换能器的结构示意图。

附图标记：

1.电缆 2.电极输出插座 3.密封圈 4.外壳 5.背衬层

6.压电陶瓷片 7.匹配层 8.密封灌注材料 9、13、14、17.导线

10.电极输出插针11、16密封凹槽 12.导线屏蔽网 15.屏蔽网罩

具体实施方式

下面结合附图对本发明的深水耐压水声换能器做进一步说明。

图1是根据本发明的一个实施例的深水耐压水声换能器的结构示意图。如图所示，本发明的深水耐压水声换能器包括电缆1、电极输出插座2、密封圈3、外壳4、背衬层5、压电陶瓷片6、密封灌注层8、导线9、13、14、17、电极输出插针10，其中电极输出插座2、电极输出插针10和密封圈3构成深水耐压密封接触装置。具体来说，压电陶瓷片6的一面与背衬层5粘接，分别从压电陶瓷片6的上下表面引出导线13、14与电极输出插针10的一端相连；压电陶瓷片6、背衬层5粘接形成的整体粘接到外壳4上，并且导线17与电极输出插针10相连；电极输出插针10装配到电极输出插座2后，用绝缘胶密封粘接，套上密封圈3从而装配成深水耐压密封接触装置；深水耐压密封接触装置上的电极输出插针10的两头分别与导线9(包覆在电缆1内)和导线13、14、17相连接，其中有一插针10的一端与导线屏蔽网12用导线连接；背衬层5与外壳4粘接，且背衬层5与深水耐压密封接触装置用密封胶密封粘牢，不留空腔；整个换能器出现的腔体由密封灌注层8密封，包括前部空腔和电缆头处空腔。

图2所示为根据本发明的又一实施例的深水耐压水声换能器。其与图1中的实施例相同的部分在此不再赘述。图2的实施例还包括匹配层7和屏蔽网罩15，其中压电陶瓷片6的另一面粘接匹配层7，且压电陶瓷片6、背衬层5和匹配层7粘 接形成的整体的两端及底部粘接屏蔽网罩15后再粘接到外壳4上，匹配层7的作用在于扩大该水声换能器的频率范围，屏蔽网罩15的作用在于屏蔽外界噪声对于该水声换能器的干扰。

在一个实施例中，密封圈3是O型密封圈。另一个实施例中，密封圈3采用橡胶材料，其形状依电极输出插座2中密封槽的形状而定。

优选地，密封灌注层8的材料为聚氨酯。

优选地，压电陶瓷片6采用收发公用的锆钛酸铅压电陶瓷，如PZT-4，圆片形式，厚度方向极化，上下分别为正负电极。

优选地，背衬层5预留出引线位置。

优选地，压电陶瓷片6与背衬层5用高强度环氧胶粘接。

优选地，电极输出插座2采用刚度大、强度高、绝缘性好的材料，例如聚砜等。

优选地，电极输出插针10采用十字形状，起到很好的定位效果；用高强度环氧胶填充电极输出插座2与电极输出插针10之间的缝隙，既起到信号传递作用还具有很好的水密效果。

优选地，密封凹槽11、16的表面以及腔体表面做粗糙化处理以增强粘接效果。

根据本发明的深水耐压水声换能器的制造方法的一个实施例包括如下步骤：

1)将压电陶瓷片的一面与背衬层粘接，另一面粘上匹配层和屏蔽网，并引出电极线以及屏蔽线；

2)将电极输出插座与插针装配好，用绝缘胶密封粘接，粘接后得到的整体被套上密封圈，以形成深水耐压密封接触装置；

3)将上述深水耐压密封接触装置上的插针两头分别与外接电缆信号线和压电陶瓷片上引出的电极线和屏蔽线相连接；

4)将背衬层与压电陶瓷片粘接后形成的整体与壳体粘接，并与深水耐压密封接触装置用密封胶密封粘牢，不留空腔；

5)将整个换能器出现的腔体用聚氨酯橡胶灌封，包括前部空腔和电缆头处空腔。

根据本发明的一个优选实施例，上述步骤4)进一步包括以下步骤：

(4-1)将环氧树脂原胶和固化剂按1：3的比例配比高强度环氧胶，并抽真空；

(4-2)将抽真空后的高强度环氧胶均匀涂抹在背衬材料、壳体以及深水耐压密封接触装置上；

(4-3)在压电陶瓷片面上施加压力压紧，并把整体放进烘箱烘烤，70℃～80℃条件下烘烤数小时后，自然冷却至室温，取出。

根据本发明的一个优选实施例，上述步骤5)进一步包括以下步骤：

(5-1)把聚氨酯原胶与固化剂1:0.1的比例配好，混合搅拌，并加热；

(5-2)加热混合的聚氨酯原胶的同时，把要灌注的整体加热至90℃～100℃；

(5-3)把加热后的混合的聚氨酯进行抽真空处理；

(5-4)把抽真空处理后的聚氨酯沿一个方向灌注于换能器的前部空腔或电缆头处空腔，前部空腔与电缆头处空腔分两次灌注；

(5-5)灌注完毕之后，在烘箱内在90℃～100℃条件下烘烤换能器数小时之后，自然冷却至室温，取出。

除上述实施例外，本发明的深水耐压水声换能器及其制造方法还有其他实施方式。凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在后附的权利要求的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种深水耐压水声换能器，其特征在于包括：外壳、压电陶瓷片、背衬层、深水耐压密封接触装置及密封灌注材料，其中压电陶瓷片的一面与背衬层粘接在一起，整体再与外壳粘接；外壳设有一开口以及数道密封凹槽，所述开口中放置深水耐压密封接触装置，所述密封凹槽内灌注多道密封灌注材料；所述深水耐压密封接触装置设有一电极输出插座、插在该插座上的电极输出插针和密封圈，所述密封圈套在所述电极输出插座上；所述密封灌注材料灌注到以上各部件构成的粘接后的整体上形成的空腔内。

2.根据权利要求1的深水耐压水声换能器，其特征在于：压电陶瓷片的另一面粘接有匹配层。

3.根据权利要求2的深水耐压水声换能器，其特征在于：压电陶瓷片与背衬层和匹配层粘接后的整体的两端及底部粘接屏蔽网罩后再粘接到外壳上。

4.根据权利要求1-3任一项的深水耐压水声换能器，其特征在于：压电陶瓷片采用收发共用的锆钛酸铅压电陶瓷，如PZT-4，圆片形式，厚度方向极化，上下分别为正负电极。

5.根据权利要求1-3任一项的深水耐压水声换能器，其特征在于：背衬层预留出引线位置。

6.根据权利要求1-3任一项的深水耐压水声换能器，其特征在于：压电陶瓷片与背衬层用高强度环氧胶粘接。

7.根据权利要求1-3任一项的深水耐压水声换能器，其特征在于：密封圈为O型密封圈。

8.根据权利要求1-3任一项的深水耐压水声换能器，其特征在于：密封圈采用橡胶材料，其形状依电极输出插座中的密封凹槽的形状而定。

9.根据权利要求1-3任一项的深水耐压水声换能器，其特征在于：电极输出插座采用刚度大、强度高、绝缘性好的材料。

10.根据权利要求1-3任一项的深水耐压水声换能器，其特征在于：电极输出插针采用十字形状且用高强度环氧胶填充插座与电极输出插针之间的缝隙。

11.根据权利要求1-3任一项的深水耐压水声换能器，其特征在于：密封凹槽表面以及腔体表面做粗糙化处理。

12.一种用于制造根据权利要求1-11中的深水耐压水声换能器的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将压电陶瓷片的一面与背衬层粘接，另一面粘上匹配层和屏蔽网，并引出电极线以及屏蔽线；

2)将电极输出插座与插针装配好，用绝缘胶密封粘接，粘接后得到的整体被套上密封圈，以形成深水耐压密封接触装置；

3)将上述深水耐压密封接触装置上的插针两头分别与外接电缆信号线和压电陶瓷片上引出的电极线和屏蔽线相连接；

4)将背衬层与压电陶瓷片粘接后形成的整体与壳体粘接，并与深水耐压密封接触装置用密封胶密封粘牢，不留空腔；

5)将整个换能器出现的腔体用聚氨酯橡胶灌封，包括前部空腔和电缆头处空腔。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于上述步骤4)进一步包括以下步骤：

(4-1)将环氧树脂原胶和固化剂按1：3的比例配比高强度环氧胶，并抽真空；

(4-2)将抽真空后的高强度环氧胶均匀涂抹在背衬材料、壳体以及深水耐压密封接触装置上；

(4-3)在压电陶瓷片面上施加压力压紧，并把整体放进烘箱烘烤，70℃～80℃条件下烘烤数小时后，自然冷却至室温，取出。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于上述步骤5)进一步包括以下步骤：

(5-1)把聚氨酯原胶与固化剂1:0.1的比例配好，混合搅拌，并加热；

(5-2)加热混合的聚氨酯原胶的同时，把要灌注的整体加热至90℃～100℃；

(5-3)把加热后的混合的聚氨酯进行抽真空处理；

(5-4)把抽真空处理后的聚氨酯沿一个方向灌注于换能器的前部空腔或电缆头处空腔，前部空腔与电缆头处空腔分两次灌注；

(5-5)灌注完毕之后，在烘箱内在90℃～100℃条件下烘烤换能器数小时之后，自然冷却至室温，取出。