CN111537057A - 一种耐70MPa标准水听器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐70MPa标准水听器及制作方法，涉及水声测量领域，主要包括压电陶瓷球壳、高强度复合泡沫、橡胶去耦件、支撑结构、防水透声层、前置放大器、耐高压连接器和耐高压水密电缆，压电陶瓷球壳选用厚壁空心压电陶瓷球壳，厚度不小于直径十分之一，由两个半球粘接而成；高强度复合泡沫位于压电陶瓷球壳内部，通过粘接剂与压电陶瓷球壳内壁紧密连接，水听器内置抗冲击放置前置放大器，提高了水听器压力稳定性。该结构形式及制作工艺保证水听器最大工作深度7000米，并具有良好压力稳定性，适合作为超高静水压条件下水声声压校准、水声测量用标准水听器。
Description
技术领域
本发明涉及水声测量领域的领域，具体涉及一种耐70MPa标准水听器及制作方法。
背景技术
21世纪海洋产业的开发是国民经济的重要组成部分。我国领海广阔，海洋中蕴藏着丰富的财富。如在我国广袤的南海海域蕴藏着丰富的油气资源，整个南海盆地群石油、天然气总地质资源量占我国油气总资源量的三分之一，其中70％位于深海区域。因此，随着海洋开发的不断发展，深水资源的开发利用已提上议事日程。2012年6月27号，由我国自行设计、自主集成的载人潜水器“蛟龙号”下潜成功突破7000米大关，到达7062.68米。2016年6月22日至8月12日，我国自主研制的“海斗”号无人潜水器下潜10767米。这次“海斗”号不仅创造了我国水下机器人的最大下潜纪录，并为我国首次获取了万米以下深渊及全海深剖面的温盐深数据，标志着我国深潜科考开始进入万米时代。声学探测是深海探测的重要手段，需要对安装在上面的水声设备以及换能器、声学材料等开展声学性能测试和评价工作，如果缺乏在高静水压下性能稳定的标准水听器，那么，检测深水换能器的电声参数就难以得到准确、可靠的保证，甚至还会造成严重差错。因此，研制耐70MPa(最大工作深度7000米，可探索占世界海洋面积99.8％的海域)标准水听器就显得十分紧迫和必要。
标准水听器在水声计量工作中是水声量值传递的关键器具，在水声科研、生产和试验中也是不可缺少的声压量值传递器具，使用十分广泛。常用的标准水听器主要在浅水水域工作，最大工作深度为1000米左右，压力继续增加会造成水听器结构破坏。何涛等人利用承压层设计了一种球形高静压标准水听器，最大工作深度为5000米(ZL201420802374.0)。美国 High-tech公司研制的多型高静水压水听器，最大工作深度6000米。利用PZT压电材料来设计耐70MPa标准水听器还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种耐70MPa标准水听器及制作方法，解决了在最高70MPa静水压条件下，水听器声压灵敏度的校准、发射换能器性能测量的难题。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：一方面本发明提供了一种耐70MPa标准水听器，主要包括压电陶瓷球壳、高强度复合泡沫、支撑结构、耐高压连接器和耐高压水密电缆，所述的压电陶瓷球壳由两个空心半球粘接而成，在其内部置入高强度复合泡沫，所述的高强度复合泡沫由两个空心半球形结构组成，通过粘接剂与压电陶瓷球壳的内壁紧密连接；压电陶瓷球壳的下半部向下延伸开设小孔供导线接出，并通过橡胶去耦件与支撑结构连接，在压电陶瓷球壳外周包覆有防水透声层；所述的支撑结构内部开设通孔可供导线通过，支撑结构尾部固定在前放盒上，设置在前放盒内的前置放大器输入端通过导线与压电陶瓷球壳连接，用于接收压电陶瓷球壳的输出信号；所述的耐高压连接器由可在水下插拔的插座和插头两部分组成，插座固装在前放盒末端并与前置放大器的输出端插针连接，插头与耐高压水密电缆直接连接，利用锁紧套锁紧，所述的耐高压水密电缆用于信号传输并为前置放大器供电。
作为优选的技术方案，所述的压电陶瓷球壳为厚壁球壳，其厚度不小于直径的1/10，该压电陶瓷球壳为球对称结构。
作为优选的技术方案，所述的高强度复合泡沫密度为0.7±0.05g/cm3，压缩强度大于 90MPa，具有良好的耐压性能及高静压去耦性能。
作为优选的技术方案，所述的防水透声层由氯丁橡胶硫化而成。
作为优选的技术方案，所述的支撑结构采用高强度的不锈钢或钛合金材料制成，在支撑结构与前放盒之间采用“O”形密封圈密封。
作为优选的技术方案，所述的前置放大器在输入端设有保护电路。
作为优选的技术方案，所述的耐高压水密电缆采用带金属屏蔽层的水密电缆，用于屏蔽空间的电磁信号，且能在70MPa水下长期工作。
另一方面本发明还提供了这种耐70MPa标准水听器的制作方法，主要包括以下步骤：
1)将压电陶瓷球壳内部及端面用砂纸打毛处理，在内壁靠近端面位置分别焊接一根高温导线作为水听器的正负电极引出线；
2)在压电陶瓷球壳内壁及端面均匀涂抹配制好的高强度粘接剂，在高强度复合泡沫外表面及端面均匀涂抹配制好的高强度粘接剂，将高强度复合泡沫置入压电陶瓷球壳完成装配，利用装配夹具固定，放入高温烘箱加温固化，待自然冷却后取出，制得敏感元件；
3)对支撑结构表面进行清洗，干燥后将需要硫化的部分表面喷砂处理，不需要硫化的部分用医用胶布包覆保护，表面处理后放入模具，利用低温橡胶硫化形成橡胶去耦件；
4)将步骤2)得到的敏感元件装配到去耦橡胶件上，利用硫化模具硫化形成防水透声层；
5)将前放盒与支撑结构配合安装，将高温导线焊接在前置放大器的信号输入端，信号输出端与耐高压连接器插针连接，前置放大器装入前放盒内，耐高压连接器的插座安装于前放盒末端，利用紧固螺钉固定；
6)将耐高压连接器的插头与耐高压水密电缆利用锁紧套固定连接，并插入插座内。
作为优选的技术方案，步骤1)中所述的压电陶瓷球壳通过模具烧结成形，壁厚均匀，受压后表面应力均匀。
本发明的有益效果为：
1、敏感元件为压电陶瓷厚壁球壳，保证水听器水平、垂直指向性全向，适合作为标准水听器使用，压电陶瓷球壳为球对称结构，承压能力强，适合在高静水压环境下使用；
2、压电陶瓷球壳内部为高强度复合泡沫，该材料最大压缩强度为90MPa，压电陶瓷厚壁球壳与复合泡沫形成一个整体，大大提高了水听器的承压能力，满足了最高70MPa的使用要求；
3、压电陶瓷球壳内壁与复合泡沫外壁采用高强度粘接剂粘接，大大增加了两个压电陶瓷半球壳的粘接面积，提高了标准水听器的可靠性；
4、内置耐冲击前置放大器，前置放大器具有变阻能力，能将电缆导致的耦合衰减差异对不同压力下接收灵敏度影响消除，提高标准水听器压力稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为具体实施例的结构示意图(敏感元件部分)。
附图标记说明：压电陶瓷球壳1、高强度复合泡沫2、橡胶去耦件3、防水透声层4、支撑结构5、前放盒6、前置放大器7、耐高压连接器8、锁紧套9、耐高压水密电缆10、陶瓷上半球11、陶瓷下半球12、上去耦件13、下去耦件14、高温导线15、高强度粘接剂16。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例：如附图1所示，这种耐70MPa标准水听器，主要包括压电陶瓷球壳1、高强度复合泡沫2、支撑结构5、耐高压连接器8和耐高压水密电缆10，所述的压电陶瓷球壳1由两个空心半球粘接而成，在其内部置入高强度复合泡沫2，所述的高强度复合泡沫2由两个空心半球形结构组成，通过粘接剂与压电陶瓷球壳1的内壁紧密连接；压电陶瓷球壳1的下半部向下延伸开设小孔供导线接出，并通过橡胶去耦件3与支撑结构5连接，在压电陶瓷球壳1外周包覆有防水透声层4；所述的支撑结构5内部开设通孔可供导线通过，支撑结构5 尾部固定在前放盒6上(前放盒6采用高强度金属材料，耐压强度满足耐70MPa静水压使用要求)，设置在前放盒6内的前置放大器7输入端通过导线与压电陶瓷球壳1连接，用于接收压电陶瓷球壳1的输出信号；所述的耐高压连接器8由可在水下插拔的插座和插头两部分组成，插座固装在前放盒6末端并与前置放大器7的输出端插针连接，插头与耐高压水密电缆 10直接连接，利用锁紧套9(由于其内外无压力差，通常采用塑料材料制作)锁紧，所述的耐高压水密电缆10用于信号传输并为前置放大器7供电。
如附图2所示，压电陶瓷球壳1由陶瓷上半球11和陶瓷下半球12两部分组成，两个半球直径和壁厚相同，粘接后形成一个均匀的球体，保证水听器水平、垂直无指向性；高强度复合泡沫2由上去耦件13和下去耦件14两部分组成；高温导线15用于水听器信号输出(即高温导线15与前置放大器7的输入端连接)；高强度粘接剂16用于压电陶瓷球壳1与高强度复合泡沫2的粘接。
作为优选的技术方案，所述的压电陶瓷球壳1为球对称结构的厚壁球壳，球壳直径与水听器使用频率上限有关，使用频率上限一般小于压电陶瓷球壳1径向谐振频率的0.7倍，根据耐高静水压需要，球壳厚度一般设计为直径的1/10以上。
作为优选的技术方案，所述的高强度复合泡沫2密度为0.7±0.05g/cm3，压缩强度大于 90MPa，具有良好的耐压性能及高静压去耦性能。
作为优选的技术方案，所述的防水透声层4由氯丁橡胶硫化而成。
作为优选的技术方案，所述的支撑结构5采用高强度的不锈钢或钛合金材料制成，在支撑结构5与前放盒6之间采用两道“O”形密封圈密封，实现高静压下的可靠水密。
作为优选的技术方案，所述的前置放大器7在输入端设有保护电路；在前置放大器7前端有防冲击设计，当电压高于设定阈值时，放电电路工作，避免由于压力变化产生的高电压损坏前置放大器7。
作为优选的技术方案，所述的耐高压水密电缆10采用带金属屏蔽层的水密电缆，用于屏蔽空间的电磁信号，且能在70MPa水下长期工作。
这种耐70MPa标准水听器的制作方法，主要包括以下步骤：
1)将压电陶瓷球壳1内部及端面用砂纸打毛处理，在内壁靠近端面位置分别焊接一根高温导线15作为水听器的正负电极引出线；
2)在压电陶瓷球壳1内壁及端面均匀涂抹配制好的高强度粘接剂16，在高强度复合泡沫2外表面及端面均匀涂抹配制好的高强度粘接剂16，将高强度复合泡沫2置入压电陶瓷球壳1完成装配，利用装配夹具固定，放入高温烘箱加温固化，待自然冷却后取出，制得敏感元件；
3)对支撑结构5表面进行清洗，干燥后将需要硫化的部分表面喷砂处理，不需要硫化的部分用医用胶布包覆保护，表面处理后放入模具，利用低温橡胶硫化形成橡胶去耦件3；
4)将步骤2)得到的敏感元件装配到去耦橡胶件3上，利用硫化模具硫化形成防水透声层4；
5)将前放盒6与支撑结构5配合安装，将高温导线15焊接在前置放大器7的信号输入端，信号输出端与耐高压连接器8插针连接，前置放大器7装入前放盒6内，耐高压连接器8的插座安装于前放盒6末端，利用紧固螺钉固定；
6)将耐高压连接器8的插头与耐高压水密电缆10利用锁紧套9固定连接，并插入插座内。
作为优选的技术方案，步骤1)中所述的压电陶瓷球壳1通过模具烧结成形，壁厚均匀，受压后表面应力均匀。
本发明的工作原理：由压电陶瓷球壳1接收到水下信号后，通过高温导线15传输至前置放大器7输入端，前置放大器7对接收到的信号进行放大，再经前置放大器7输出端通过耐高压连接器8传输至耐高压水密电缆10，由耐高压水密电缆10向外界传输信号。
压电陶瓷球壳1作为水听器的敏感元件，是电声转换的核心，复合泡沫材料能承受的最大静水压为90MPa，起到去耦及承压双重作用；橡胶去耦件3位于压电陶瓷球壳1与支撑结构5之间，将敏感元件与金属结构实现振动隔离，从而保证水听器接收灵敏度的平坦；防水透声层4，位于压电陶瓷球壳1外面，利用模具硫化形成，对水听器外表面进行包覆，起到防水透声的作用，硫化用的橡胶材料选用氯丁橡胶，透水率低，保证水听器长期水下工作，透声率高，使声波几乎无衰减通过；支撑结构5，将各部分连接在一起，在硫化过程中作为定位使用，材料选用强度高的不锈钢或钛合金材料，支撑结构5与前放盒6采用“O”形密封圈密封，两道径向密封圈能实现高静压下的可靠水密；前置放大器7位于前放盒6内部，主要起信号放大和提高水听器压力稳定性作用，前置放大器7前端有防冲击设计，当电压高于设定阈值时，放电电路工作，避免由于压力变化产生的高电压损坏前置放大器；耐高压连接器8的插头与插座可水下插拔，方便使用；耐高压水密电缆10，选用带屏蔽的水密电缆，金属屏蔽层用于屏蔽空间的电磁信号，降低电磁干扰，电缆满足耐70MPa静水压使用要求，在水下可以长期工作。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种耐70MPa标准水听器，其特征在于：主要包括压电陶瓷球壳(1)、高强度复合泡沫(2)、支撑结构(5)、耐高压连接器(8)和耐高压水密电缆(10)，所述的压电陶瓷球壳(1)由两个空心半球粘接而成，在其内部置入高强度复合泡沫(2)，所述的高强度复合泡沫(2)由两个空心半球形结构组成，通过粘接剂与压电陶瓷球壳(1)的内壁紧密连接；压电陶瓷球壳(1)的下半部向下延伸开设小孔供导线接出，并通过橡胶去耦件(3)与支撑结构(5)连接，在压电陶瓷球壳(1)外周包覆有防水透声层(4)；所述的支撑结构(5)内部开设通孔可供导线通过，支撑结构(5)尾部固定在前放盒(6)上，设置在前放盒(6)内的前置放大器(7)输入端通过导线与压电陶瓷球壳(1)连接，用于接收压电陶瓷球壳(1)的输出信号；所述的耐高压连接器(8)由可在水下插拔的插座和插头两部分组成，插座固装在前放盒(6)末端并与前置放大器(7)的输出端插针连接，插头与耐高压水密电缆(10)直接连接，利用锁紧套(9)锁紧，所述的耐高压水密电缆(10)用于信号传输并为前置放大器(7)供电。
2.根据权利要求1所述的耐70MPa标准水听器，其特征在于：所述的压电陶瓷球壳(1)为厚壁球壳，其厚度不小于直径的1/10，该压电陶瓷球壳(1)为球对称结构。
3.根据权利要求1所述的耐70MPa标准水听器，其特征在于：所述的高强度复合泡沫(2)密度为0.7±0.05g/cm3，压缩强度大于90MPa，具有良好的耐压性能及高静压去耦性能。
4.根据权利要求1所述的耐70MPa标准水听器，其特征在于：所述的防水透声层(4)由氯丁橡胶硫化而成。
5.根据权利要求1所述的耐70MPa标准水听器，其特征在于：所述的支撑结构(5)采用高强度的不锈钢或钛合金材料制成，在支撑结构(5)与前放盒(6)之间采用“O”形密封圈密封。
6.根据权利要求1所述的耐70MPa标准水听器，其特征在于：所述的前置放大器(7)在输入端设有保护电路。
7.根据权利要求1所述的耐70MPa标准水听器，其特征在于：所述的耐高压水密电缆(10)采用带金属屏蔽层的水密电缆，用于屏蔽空间的电磁信号，且能在70MPa水下长期工作。
8.一种如权利要求1～7中任一项所述的耐70MPa标准水听器的制作方法，其特征在于：主要包括以下步骤：
1)将压电陶瓷球壳(1)内部及端面用砂纸打毛处理，在内壁靠近端面位置分别焊接一根高温导线(15)作为水听器的正负电极引出线；
2)在压电陶瓷球壳(1)内壁及端面均匀涂抹配制好的高强度粘接剂(16)，在高强度复合泡沫(2)外表面及端面均匀涂抹配制好的高强度粘接剂(16)，将高强度复合泡沫(2)置入压电陶瓷球壳(1)完成装配，利用装配夹具固定，放入高温烘箱加温固化，待自然冷却后取出，制得敏感元件；
3)对支撑结构(5)表面进行清洗，干燥后将需要硫化的部分表面喷砂处理，不需要硫化的部分用医用胶布包覆保护，表面处理后放入模具，利用低温橡胶硫化形成橡胶去耦件(3)；
4)将步骤2)得到的敏感元件装配到去耦橡胶件(3)上，利用硫化模具硫化形成防水透声层(4)；
5)将前放盒(6)与支撑结构(5)配合安装，将高温导线(15)焊接在前置放大器(7)的信号输入端，信号输出端与耐高压连接器(8)插针连接，前置放大器(7)装入前放盒(6)内，耐高压连接器(8)的插座安装于前放盒(6)末端，利用紧固螺钉固定；
6)将耐高压连接器(8)的插头与耐高压水密电缆(10)利用锁紧套(9)固定连接，并插入插座内。
9.根据权利要求8所述的耐70MPa标准水听器的制作方法，其特征在于：步骤1)中所述的压电陶瓷球壳(1)通过模具烧结成形，壁厚均匀，受压后表面应力均匀。
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