CN108243367B - 一种水声学发射换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水声学发射换能器及其制作方法，水声学发射换能器包括：透声主体(2)、发射用压电元件(3)、接收用压电元件(8)、反声障板(7)；发射用压电元件(3)、接收用压电元件(8)被设置于透声主体(2)中；接收用压电元件(8)被配置为接受发射用压电元件(3)发出的水声信号。能有效的解决发射换能器使用过程中无法判断其工作状态的问题，应用中可实时检测或记录发射换能器的工作情况。

Description

一种水声学发射换能器
技术领域
本发明涉及水声学设备技术领域，特别是指一种水声学发射换能器。
背景技术
水声学发射换能器一般由金属支撑架、绝缘垫圈、反声障板、压电元件、屏蔽电缆及透声橡胶组成，完成对信号电-声的转换。
由于发射换能器一般布置于产品外部，直接与水相连，没有高硬度的外壳保护，所以容易受到撞击导致压电元件的损坏。另外发射换能器通常工作于高压状态，连续工作也容易使压电元件的使用寿命降低而发生损毁或性能下降。发射换能器一旦损坏或性能下降，会使水下设备或装置丧失功能或性能降低，造成十分严重的后果。然而发射换能器损坏或性能下降一般很难从外观上辨认。
通常检测发射换能器的好坏的方法是在使用前对发射换能器进行调试，模拟正常工作状态向换能器施加一定的激励，通过人耳听或者调试用接收换能器以声对接的方式对其进行检测。通过人耳识别的方法可以区分换能器是否完全损坏(完全没有声音输出或输出声音明显降低)，但无法辨识换能器是否性能下降。通过调试用接收换能器以声对接的方式进行检测首先是实施复杂，要配备相应的调试设备，其次由于声对接接触面的大小、对接的地紧密程度很难保持不变仍然无法准确辨别换能器性能是否下降。
另外有时换能器是在使用过程中发生损坏或性能降低，一般是无法发现的。使用完后虽然能够检测到换能器已经损坏，但是具体损坏的时间和损坏时的工作状态是无法确定的。这对使用后数据的分析判读带来很大不便。
水声学发射换能器存在改进空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的水声学发射换能器。
一种水声学发射换能器，包括：透声主体2、发射用压电元件3、接收用压电元件8、反声障板7；
发射用压电元件3、接收用压电元件8被设置于透声主体2中；
接收用压电元件8被配置为接收发射用压电元件3发出的水声信号；接收用压电转换元件8布置于对发射换能器声学性能影响最小的位置，所述位置通过实验得到；
通过实时监测接收用压电元件8的输出电信号，通过对电信号的检测、分析得到发射换能器的实时工作状态，或者通过记录电路对使用过程中接收用压电元件的输出电信号进行记录，使用后读取记录数据分析发射换能器的工作情况；
所述反声障板7用于阻挡发射换能器外部声信号的干扰，所述反声障板7的位置、尺寸的选择以不影响发射换能器的正常使用为原则。
在本发明的实施例中，透声主体是聚胺酯透声橡胶，发射用压电元件是球形压电元件，接收用压电元件是管形压电元件，反声障板是锥形反声障板，并且设置于接收用压电元件的两侧。
根据第二个方面，本发明的实施例提供水声学发射换能器的制作方法，其中包括如下步骤：固定发射用压电元件、接收用压电元件、反声障板；焊接与发射用压电元件、接收用压电元件连接的导线；制作包裹固定发射用压电元件、接收用压电元件、反声障板的透声主体。
应用本发明，实现简单，容易理解，能有效的解决发射换能器使用过程中无法判断其工作状态的问题，应用中可实时检测或记录发射换能器的工作情况。
附图说明
图1是本发明在一柱形发射换能器上的应用剖面图。
图中，1.金属底座；2.聚胺酯透声橡胶；3.发射用球形压电元件；4.头部固定件；5.金属支撑架；6.导线；7.锥形反声障板；8.接收用管形压电元件；9.屏蔽电缆；10.换能器接插件。
图2是本发明在一线列阵球形发射换能器上的应用剖面图。
图中，2.聚胺酯透声橡胶；3.发射用球形压电元件；9.屏蔽电缆；6.导线；8.接收用管形压电元件；7.锥形反声障板。
具体实施方式
以下，结合附图和具体实施例对于本发明做进一步的说明。
本发明的实施例提供一种水声学发射换能器，其中包括：透声主体2、发射用压电元件3、接收用压电元件8、反声障板7；发射用压电元件3、接收用压电元件8被设置于透声主体2中；接收用压电元件8被配置为接收发射用压电元件3发出的水声信号。
在本发明的实施例中，透声主体2是聚胺酯透声橡胶，发射用压电元件3是球形压电元件，接收用压电元件8是管形压电元件，反声障板7是锥形反声障板，并且设置于接收用压电元件8的两侧。
本发明的实施例还提供水声学发射换能器的制作方法，其中包括如下步骤：固定发射用压电元件3、接收用压电元件8、反声障板7；焊接与发射用压电元件3、接收用压电元件8连接的导线6；制作包裹固定发射用压电元件3、接收用压电元件8、反声障板7的透声主体2。
本发明提供了一种可实时检测工作状态的发射换能器的设计。在不影响正常使用的前提条件下，将一接收用压电转换元件嵌入发射换能器的透声橡胶内，布置于最不影响发射响应和发射指向性的位置上，确保发射换能器的声性能指标不受太大影响。接收用压电转换元件用导线引出，用于实时检测发射换能器的工作状态。
接收用压电转换元件布置于对发射换能器声学性能影响最小的位置，这样的位置可以通过实验得到。并增加适当形状、大小的声障板阻隔来自发射换能器外部的声信号，对于形状、大小没有限定，只要能起到屏蔽作用即可。
以在柱形发射换能器和线列阵球形发射换能器上的应用为例，说明该设计的实施方式。
参照图1，柱形发射换能器具体制作步骤如下：
a.按照发明内容及其它技术要求设计、加工各零件；
b.将金属支撑架5、锥形反声障板7固定于金属底座1上，并用螺丝紧固；
c.将发射用球形压电元件3安装在金属支撑架5上，并安装头部固定件4；
d.将屏蔽电缆9穿过金属底座1和接收用管形压电元件8，其中的两根芯线通过导线6与发射用球形压电元件3焊接，另外两根芯线过导线6与接收用管形压电元件9焊接；
e.将以上实施步骤完成的试制件装入发射换能器模具中(需另行设计)，按照相关的发射换能器制作工艺规程调配、浇注、保温、冷却聚胺酯透声橡胶2，完成换能器主体的制作；
f.焊接好换能器接插件10后，换能器制作完成。
参照图2，线列阵球形发射换能器具体制作步骤如下：
a.按照发明内容及其它技术要求设计、加工各零件；
b.将屏蔽电缆9穿过发射用球形压电元件3、接收用管形压电元件8和锥形反声障板7，在相应位置进行固定；
c.将屏蔽电缆9的两根芯线通过导线6与发射用球形压电元件3焊接，另外两根芯线过导线6与接收用管形压电元件8焊接；
d.将以上实施步骤完成的试制件装入发射换能器模具中(需另行设计)，按照相关的发射换能器制作工艺规程调配、浇注、保温、冷却聚胺酯透声橡胶2，完成换能器的制作。
制作好的换能器测试合格后进行性能标定。通过在发射用球形压电元件上施加固定激励的信号，测量并记录接收用管形压电元件的输出电压。换能器投入使用后，可根据比较相同激励信号下测量的输出电压，可判别换能器的性能是否降低。
在发射换能器使用过程中，也可通过实时监测接收用管形压电元件的输出电信号，通过对电信号的检测、分析可以得到发射换能器的实时工作状态。也可使用记录电路对使用过程中接收用管形压电元件的输出电信号进行记录，使用后读取记录数据分析发射换能器的工作情况。反声障板可以有效地减小来自发射换能器外部声信号的干扰，使测量到的信号能更加真实的反映发射换能器的实际工作情况。
通常发射换能器只有一个或一组压电元件用于将电信号转换成声信号。本设计是在原有发射换能器内部增加一个压电元件用于接收来自发射换能器自身输出的声信号。由于接收用压电元件体积相对较小，布置的位置相对靠换能器内部，并且工作电压较低，所以较发射用压电元件更加稳定可靠，用来检测发射换能器的工作状态是可行的。
在发射换能器内部选择一个适当的位置布置接收用压电元件，通过选择该压电元件种类、体积及布置方向等，使得原有发射换能器的电压发射响应和发射指向性不受太大影响以不影响发射换能器的正常使用为原则。通过在该压电元件周围增加相应的反声障板，降低其对来自发射换能器外部声信号的接收性能，反声障板的位置、尺寸的选择也以不影响发射换能器的正常使用为原则。这样接收用压电元件基本只能接收到来自发射换能器自身输出的声信号。
通过导线将接收用压电元件的正负极引出，即可实时监测该压电元件输出的电信号，通过对电信号的检测、分析可以得到发射换能器的实时工作状态。
由于换能器是一次浇注而成的，内部分别用于发射和接收的两个压电元件的相对位置是固定不变的。当换能器生产测试合格后，可对其进行标定，即通过在发射用压电元件施加固定激励的信号，测量并记录接收用压电元件的输出电压。换能器投入使用后，可根据比较相同激励信号下的输出电压，可方便的判别换能器的性能是否降低。
应用本发明，实现简单，容易理解，能有效的解决发射换能器使用过程中无法判断其工作状态的问题，应用中可实时检测或记录发射换能器的工作情况。
以上仅为本发明的实施验证例而已，并不用以限制本发明。
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种水声学发射换能器，其特征在于，包括：透声主体(2)、发射用压电元件(3)、接收用压电元件(8)、反声障板(7)；
发射用压电元件(3)、接收用压电元件(8)被设置于透声主体(2)中；
接收用压电元件(8)被配置为接收发射用压电元件(3)发出的水声信号；接收用压电转换元件(8)布置于对发射换能器声学性能影响最小的位置，所述位置通过实验得到；
通过实时监测接收用压电元件(8)的输出电信号，通过对电信号的检测、分析得到发射换能器的实时工作状态，或者通过记录电路对使用过程中接收用压电元件的输出电信号进行记录，使用后读取记录数据分析发射换能器的工作情况；
所述反声障板(7)用于阻挡发射换能器外部声信号的干扰，所述反声障板(7)的位置、尺寸的选择以不影响发射换能器的正常使用为原则。
2.根据权利要求1所述的水声学发射换能器，其特征在于，所述透声主体(2)是聚胺酯透声橡胶，所述发射用压电元件(3)是球形压电元件，所述接收用压电元件(8)是管形压电元件，所述反声障板(7)是锥形反声障板，并且设置于所述接收用压电元件(8)的两侧。
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