CN112509542A - 一种水声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水声换能器，包括压电陶瓷管、底座和连接组件，连接组件设置于底座中，压电陶瓷与连接组件中的电极相连，底座通过连接架固定压电陶瓷管，压电陶瓷管和连接架的外周通过密封橡胶进行密封。声音信号通过密封橡胶传递至压电陶瓷管，压电陶瓷管产生电信号，并将电信号传递给连接组件中的电极，实现了声电的转换。水声换能器采用密封橡胶直接对连接组件等进行灌装密封，因而无需充油平衡海水压力。同时电极集成于连接组件中，使水声换能器中各部件的结构更加紧凑，因而耐压性更高，实现全海深测量的目的。
Description
技术领域
本发明涉及检测仪器技术领域，特别涉及一种水声换能器。
背景技术
水声换能器用于在一定频带内按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中的声波信号。耐压性能是限制水声换能器应用的主要因素之一。现有技术通常采用充油式水声换能器，其通过油抵消外部的压力，使换能器内外压平衡。但在深度较大的海域中油会产生压缩，进而造成检测结果不准确。另外，充油式水声换能器的制作工艺及结构比较复杂，研制时需要考虑到充油油嘴、金属底座连接处等各部分的水密性。导致充油式水声换能器的制作、装配等工序的要求都更为严格，水声换能器的耐压性能和稳定性也受到一定的限制。
因此，如何提高水声换能器的耐压性能是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种水声换能器，其将电极等部件集成在连接组件中，并通过密封橡胶进行密封和传递振动，提高了水声换能器的耐压性能。
为实现上述目的，本发明提供一种水声换能器，包括压电陶瓷管、底座和连接组件，所述连接组件设置于所述底座中，所述压电陶瓷与所述连接组件中的电极相连，所述底座通过连接架固定所述压电陶瓷管，所述压电陶瓷管和所述连接架的外周通过密封橡胶进行密封。
优选地，所述压电陶瓷管的轴线经过所述底座的中点，所述底座的中央具有沿厚度方向贯穿的安装孔，所述连接组件安装在所述安装孔中。
优选地，所述电极包括第一电极和第二电极，所述压电陶瓷管外侧设有第一极涂层、内侧设有第二极涂层，所述述压电陶瓷管的内侧还设有与所述第一极涂层导通的第一极连接脚，所述第一电极与所述第一极连接脚相连，所述第二电极与所述第二极涂层相连。
优选地，所述连接组件还包括用以与所述安装孔相连的连接部和位于所述连接部下方的限位圈，所述限位圈的直径大于所述安装孔的直径，当所述连接部安装于所述安装孔中时，所述限位圈与所述底座的下端面贴合，所述底座与所述限位圈之间设有密封圈。
优选地，所述密封橡胶的外侧设有水压开关，所述连接组件与供电线相连，所述水压开关设置于所述供电线中。
优选地，所述密封橡胶包覆于所述底座的外侧，所述密封橡胶的下端面设有围绕在所述底座外周的密封凸台。
优选地，所述连接架呈环形，所述底座的上端面设有用以安装所述连接架的安装槽，所述连接架与所述安装槽通过螺纹连接。
优选地，所述压电陶瓷管安装于所述连接架的内侧，所述连接架内侧设有朝向远离所述底座方向的台阶面，所述压电陶瓷管与所述台阶面相抵。
优选地，所述连接架设有位于所述底座和所述压电陶瓷管之间、用以灌装所述密封橡胶的灌装孔。
优选地，所述底座的下端面设有用以放置匹配电路的密封槽。
本发明所提供的水声换能器，包括压电陶瓷管、底座和连接组件，连接组件设置于底座中，压电陶瓷与连接组件中的电极相连，底座通过连接架固定压电陶瓷管，压电陶瓷管和连接架的外周通过密封橡胶进行密封。
声音信号通过密封橡胶传递至压电陶瓷管，压电陶瓷管产生电信号，并将电信号传递给连接组件中的电极，实现了声电的转换。水声换能器采用密封橡胶直接对连接组件等进行灌装密封，因而无需充油平衡海水压力。同时电极集成于连接组件中，使水声换能器中各部件的结构更加紧凑，因而耐压性更高，实现全海深测量的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的水声换能器的结构示意图。
其中，图1中的附图标记为：
底座1、密封橡胶2、连接架3、压电陶瓷管4、连接组件5、导线6、接线铜柱7、密封圈8、匹配电路9、密封凸台10、水压开关11。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1，图1为本发明所提供的水声换能器的结构示意图。
本发明所提供的水声换能器，结构如图1所示，包括压电陶瓷管4、底座1和连接组件5。其中，连接组件5用于与外部设备相连，将水声换能器的电信号传输至外接设备中。因而连接组件5中包括电极和接线脚等，具体的，电极包括第一电极和第二电极，本申请中第一电极和第二电极为两个接线铜柱7，当然，用户也可根据需要采用其他材料作为第一、第二电极，用户可设置第一电极为正极、第二电机为负极；也可设置第一电极为负极、第二电极为正极。压电陶瓷管4承受压力时会产生电信号，第一电极和第二电极分别与压电陶瓷的外侧和内侧相连，并将电信号导出。压电陶瓷管4通过连接架3固定在底座1的上端面上，连接组件5设置于底座1中。电极位于连接组件5的上端，用于与压电陶瓷管4相连，连接组件5的下端延伸至压电陶瓷管4下端面的下方，同时下端设有易插拔的公头，用于与外接设备的母头快速连接。压电陶瓷管4和连接架3的外周灌装有密封橡胶2，通过密封橡胶2进行密封。
进一步的，为提高密封效果，密封橡胶2包覆在底座1的外侧，密封橡胶2的下端面围绕在底座1的外周，且与底座1的下端面平齐。密封橡胶2的下端面设有密封凸台10，密封凸台10为围绕在底座1的闭合结构，当水声换能器安装完成后，密封凸台10能与安装面贴合，提高密封效果。
可选的，连接组件5中包括第一电极引线和第二电极引线以及供电线，供电线从连接组件5的侧面引出，供电线中设有水压开关11，水压开关11设置在密封橡胶2的侧壁上，方便硫化成型。水声换能器入水后，在水压作用下水压开关11闭合，从而将水声换能器的供电连通，完成上电。为提高水压开关11的耐压性能，其外周还设有护套。护套在密封橡胶2硫化的过程中形成包覆水压开关11的一体成型结构件，水压开关11固定在护套中。水压开关11的护套可具体由耐腐蚀的金属材料制成。第一电极引线和第二电极引线可采用耐高压线。
可选的，底座1为圆盘状，压电陶瓷管4与底座1同轴设置。连接组件5包括位于上部的连接部，连接部呈圆柱状，其外周设有外螺纹。底座1的中央具有沿厚度方向贯穿的安装孔，安装孔的内侧壁设有内螺纹，固定各个部件之外，底座1还具有声障板的作用。水声换能器通过获得较大的前后端面振速比而增加前辐射端面的声辐射大小。连接部与安装孔之间通过螺纹连接。为保证水声换能器的强度和耐腐蚀性，本申请的一种具体实施方式中底座1的材料采用耐蚀钢。
可选的，由于水声换能器通过灌注密封橡胶2实现密封。为方便灌装，第一电极和第二电极均设置在压电陶瓷管4的内侧。具体的，压电陶瓷管4可选用发射和接收共用的锆钛酸铅PZT-4材料，极化方式为径向极化。因而，压电陶瓷管4的外壁为第一极，内壁为第二极。压电陶瓷管4外侧设有第一极涂层、内侧设有第二极涂层。同时，压电陶瓷管4的内侧还设有绝缘区，绝缘区上设有与第一极涂层导通的第一极连接脚。第一电极与第一极连接脚通过导线6相连，第二电极与第二极涂层也通过导线6相连。导线6可选用耐高压硅胶线，其焊点牢固，质地柔软。当然，用户也可根据需要选用其他材质的导线6，在此不做限定。另外，绝缘区可具体设置在第二极涂层上方，第二极涂层可具体为镀银层。
连接组件5还包括位于连接部下方的限位圈，如图1所示，限位圈的直径大于安装孔的直径。当连接部安装于安装孔中时，限位圈与底座1的下端面贴合。底座1与限位圈之间设有密封圈8，限位圈和底座1将密封圈8压紧，避免海水从安装孔中进入。另外，为提高密封效果，底座1的下端面还设有位于安装孔外周的安装槽，密封圈8嵌入安装槽中，从而增加密封圈8与底座1之间的接触面积，提高水声换能器的密封效果。密封圈8可采用氟橡胶，氟橡胶具有耐海水的优点。
可选的，为减少压电陶瓷管4所受的干扰，水声换能器采用绝缘的连接架3将压电陶瓷管4与底座1相分离。连接架3呈环形，连接架3的下端与底座1相连，上端与压电陶瓷管4相连。具体的，底座1的上端面设有安装槽，连接架3与安装槽通过螺纹连接。压电陶瓷管4插入连接架3内，水声换能器内灌注的密封橡胶2可实现压电陶瓷管4与连接夹3之间的固定。
可选的，连接架3内侧设有朝向远离底座1方向的台阶面，由上向下插入连接架3中，压电陶瓷管4的下端面与台阶面相贴合。连接架3位于台阶面上方的部分的内径等于压电陶瓷管4的外径，因而压电陶瓷管4与连接架3能够实现间隙配合。
可选的，为保证密封橡胶2能够灌装进压电陶瓷管4的内侧，连接架3设有用于供密封橡胶2通过的灌装孔。具体的，灌装孔位于台阶面的下方，灌装孔的数量可根据用户的需要设置为任意正整数个，如果灌装孔的数量不少于2个，则灌装孔通常沿连接架3的周向均匀分布。灌装孔使连接架3的下部形成插装脚，插装脚设有螺纹结构，从而使连接架3与底座1之间可通过螺纹连接。本申请的一种具体实施方式中连接架3设有4个插装脚，每个插装脚的宽度为其所在圆周周长的1/8。当然，用户也可根据需要自行设定插装脚的数量和宽度，在此不做限定。
进一步的，密封橡胶2采用水密且透声性能良好的浇注型聚氨酯橡胶。灌装过程中，通过硫化模具将压电陶瓷管4、连接组件5和底座1硫化为一个整体，进一步提高了水声换能器的耐压性。
另外，底座1的下端面设有用于放置匹配电路9的密封槽。匹配电路9能够完成与水声换能器的阻抗匹配(调谐与改变阻抗特性)，提高发射系统效率。匹配电路9集成在底座1中可以保证密封效果，避免匹配电路9受海水腐蚀。同时无需额外设计空间布置匹配电路9，进一步提高了水声换能器的集成度。
本实施例中，水声换能器通过密封橡胶2进行封装，因而无需设置抗压油，极大地简化了水声换能器的结构。水声换能器的电极等部件集成于连接组件5中，因而水声换能器通过压电陶瓷管4、底座1和连接组件5相连即可实现采集水下声音信号的功能。水声换能器的集成度提高，其整体结构得到简化，其主要部分连接后再通过密封橡胶2进行封装，保证其具有很高的耐压性，使水声换能器能够实现全海深的信号采集。
水声换能器组装过程中，首先利用阻抗分析仪对压电陶瓷圆管进行电性能测试，筛选出合格的压电陶瓷管4。随后对底座1与压电陶瓷圆管进行表面粗糙化处理，并清洗干净，晾干待用。然后进行连接组件5、连接架3与底座1的装配以及压电陶瓷圆管的安装。安装完成后，通过导线6将压电陶瓷圆管的第一、第二电极与连接组件5的第一、第二极进行连接，并对第一电极引线、第二电极引线以及供电线进行布置。全部组件连接完成后利用阻抗分析仪对压电陶瓷圆管进行硫化封装前的电性能检查测试，阻抗分析仪与连接组件5的测试线缆相连进行测试。测试合格后在底座1上涂抹偶联粘接剂，并晾干。具体的，涂抹前先将偶联粘接剂原料按照固定比例完成配比并搅拌均匀，随后抽除空气，使偶联粘接剂达到真空状态。抽真空后的偶联粘接剂涂抹在除底座1下端面之外其它所有表面上，并在恒温恒湿条件下晾干。表面晾干的换能器整体安装到硫化模具之中，并将水压开关11及其护套安装到硫化模具中，将密封橡胶2聚氨酯灌封入硫化模具中进行封装，待密封橡胶2完全固化后取出水声换能器。具体的，灌封过程首先将密封橡胶2聚氨酯原料按照固定比例完成配比并搅拌均匀、抽真空。随后将抽真空后的聚氨酯缓慢倒入硫化模具中，直至充满整个模具，完成灌封。灌注完毕后，密封反应釜并将反应釜加压、升温。保持数小时后，取出水声换能器。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的水声换能器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种水声换能器，其特征在于，包括压电陶瓷管(4)、底座(1)和连接组件(5)，所述连接组件(5)设置于所述底座(1)中，所述压电陶瓷与所述连接组件(5)中的电极相连，所述底座(1)通过连接架(3)固定所述压电陶瓷管(4)，所述压电陶瓷管(4)和所述连接架(3)的外周通过密封橡胶(2)进行密封。
2.根据权利要求1所述的水声换能器，其特征在于，所述压电陶瓷管(4)的轴线经过所述底座(1)的中点，所述底座(1)的中央具有沿厚度方向贯穿的安装孔，所述连接组件(5)安装在所述安装孔中。
3.根据权利要求2所述的水声换能器，其特征在于，所述电极包括第一电极和第二电极，所述压电陶瓷管(4)外侧设有第一极涂层、内侧设有第二极涂层，所述压电陶瓷管(4)的内侧还设有与所述第一极涂层导通的第一极连接脚，所述第一电极与所述第一极连接脚相连，所述第二电极与所述第二极涂层相连。
4.根据权利要求2所述的水声换能器，其特征在于，所述连接组件(5)还包括用以与所述安装孔相连的连接部和位于所述连接部下方的限位圈，所述限位圈的直径大于所述安装孔的直径，当所述连接部安装于所述安装孔中时，所述限位圈与所述底座(1)的下端面贴合，所述底座(1)与所述限位圈之间设有密封圈(8)。
5.根据权利要求1所述的水声换能器，其特征在于，所述密封橡胶(2)的外侧设有水压开关(11)，所述连接组件(5)与供电线相连，所述水压开关(11)设置于所述供电线中。
6.根据权利要求1所述的水声换能器，其特征在于，所述密封橡胶(2)包覆于所述底座(1)的外侧，所述密封橡胶(2)的下端面设有围绕在所述底座(1)外周的密封凸台(10)。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的水声换能器，其特征在于，所述连接架(3)呈环形，所述底座(1)的上端面设有用以安装所述连接架(3)的安装槽，所述连接架(3)与所述安装槽通过螺纹连接。
8.根据权利要求7所述的水声换能器，其特征在于，所述压电陶瓷管(4)安装于所述连接架(3)的内侧，所述连接架(3)内侧设有朝向远离所述底座(1)方向的台阶面，所述压电陶瓷管(4)与所述台阶面相抵。
9.根据权利要求7所述的水声换能器，其特征在于，所述连接架(3)设有位于所述底座(1)和所述压电陶瓷管(4)之间、用以灌装所述密封橡胶(2)的灌装孔。
10.根据权利要求1至6任意一项所述的水声换能器，其特征在于，所述底座(1)的下端面设有用以放置匹配电路(9)的密封槽。
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