CN112954578A - 一种振动平衡型低噪声深海水听器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种振动平衡型低噪声深海水听器及其制造方法，包括金属块、对称设置在金属块两侧的压电陶瓷管、端盖、透声油囊、封闭在透声油囊开口部位的底座以及与底座外部连接的水密连接器，底座上还设置有注油孔；压电陶瓷管的一端垂直在金属块上，且另一端与端盖连接，端盖上设置有进油孔和导线孔，金属块和压电陶瓷管均设置在透声油囊中，透声油囊内还注满油性介质，水密连接器与压电陶瓷的正负极相连用以信号传输。本发明的水听器采用结构对称性设计，利用加速度抵消原理，极大程度降低了外界振动传递作用对水听器加速度灵敏度和接收灵敏度的影响，具有抗冲振振动噪声强、抗静水压高、灵敏度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于海洋探测和声呐技术领域，具体地说，本发明涉及一种能够在高静水压力下使用的振动平衡型低噪声水听器及其制造方法。
背景技术
海底地质和海洋资源探测与开发的迫切需求推动着深海探测和运载装备的不断发展，而水声换能器作为声呐系统与外界交换信息的主要窗口，其性能决定了整个声呐系统甚至整个探测装备的性能指标。为了满足深海高静水压条件的要求，水声换能器通常会采用特殊的结构设计，常见的有释压机制、压力补偿机制、充油式、溢流式等。而在大深度水声换能器通常采用充油式，即在换能器内部充入硅油或蓖麻油等，利用其不可压缩性达到内外压平衡，从而保证了换能器能够在高静水压下正常工作。
当前水声换能器的声学性能通常是在静态条件下测得的，而在实际使用时大多是在动态条件下，比如拖曳阵、水下滑翔机、浮标、海底探杆等，由于压电陶瓷自身质量和水听器包覆材料的振动噪声对水听器接收灵敏度和加速度灵敏度噪声产生很大的影响，造成水听器实际使用效果不佳，这极大影响了数据获取的可靠性。
目前已有的水听器存在在动态使用条件下抗冲振噪声性能差，耐静水压低等不足。因此，希望有一种既能够在动态环境中保持性能稳定，又可以在深海这种高静水压的特殊条件下工作的抗冲振噪声深海水听器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种振动平衡型低噪声深海水听器及其制造方法，解决了在动态使用条件下，现有的水听器存在抗冲振噪声性能差、耐静水压低的技术问题，使得抗冲振噪声深海水听器具有高灵敏度、抗冲振噪声且低成本的特点，不仅在动态环境中能够保持性能稳定，而且还可以在深海这种高静水压的特殊条件下工作。
一种振动平衡型低噪声深海水听器，包括金属块、对称设置在所述金属块两侧的压电陶瓷管、端盖、透声油囊、封闭在所述透声油囊开口部位的底座以及与所述底座外部连接的水密连接器，所述底座上还设置有注油孔；
所述压电陶瓷管的一端垂直在所述金属块上，且另一端与端盖连接，所述端盖上设置有进油孔和导线孔，所述金属块和所述压电陶瓷管均设置在所述透声油囊中，所述透声油囊内还注满油性介质，所述水密连接器与所述压电陶瓷的正负极相连用以信号传输。
所述端盖与所述压电陶瓷管、所述压电陶瓷管与所述金属块分别通过高强环氧粘接，所述金属块上带有卡槽并与油囊通过卡箍固定连接。
多个所述的压电陶瓷管均采用径向极化，内正外负或者内负外正，多个所述的压电陶瓷管其结构尺寸均相同。
所述端盖由氧化铝陶瓷制成。
所述透声油囊采用透声橡胶经金属胶座模压或浇注而成，所述透声橡胶的材料为氯丁橡胶或JA-S浇注型聚氨酯。
所述油性介质经过真空处理。
所述注油孔上设置有油针，所述油针带有O圈并通过螺纹与所述注油孔连接。
一种振动平衡型低噪声深海水听器制造方法，包括如下步骤：
步骤S1：采用模压或浇注的方式将透声橡胶材料制作成透声油囊；
步骤S2：将所述端盖采用胶粘剂粘接在所述压电陶瓷管一端，同时将压电陶瓷管的另一端粘接在金属块上，对称粘接的压电陶瓷管采用并联连接；
步骤S3：将水密连接器安装在底座上，并采用并联连接在压电陶瓷正负极；
步骤S4：将上述粘接好的压电陶瓷管整体装入透声油囊中，并将透声油囊安装在金属材料的底座上，油囊与金属块采用卡箍箍紧；
步骤S5：将油性介质真空去气泡化处理；
步骤S6：随后通过注油孔，真空注入透声油囊内，透声油囊内充满油性介质后，将油针旋紧注油孔，使得透声油囊形成全充油的全封闭空间。
所述步骤S5具体分为以下步骤：
步骤S51：将油性介质放入烧杯中，烧杯置于烘箱中加热至90-110℃，保温60-90min；
步骤S52：取出油性介质，采用抽真空搅拌系统80℃下真空搅拌30-40min；
步骤S53：放入真空烘箱，恒温60℃，真空静置直至无气泡溢出；
步骤S54：将水听器整体放入真空环境进行真空充油。
所述步骤S6具体分为以下步骤：
步骤S61：将透声油囊4倾斜，将去气泡化处理后的硅油经底座4上的注油孔缓慢注入透声油囊4内腔，此过程中，注油孔要留有出气间隙；
步骤S62：当硅油注满后，然后放入真空烘箱80-90℃保温30-60min，之后自然冷却至室温，若油面下降，需添加部分硅油后，重复真空处理过程，直至油液面保持不变；
步骤S63：使用油针旋紧注油孔将其封闭。
本发明达成以下显著效果：
（1）压电陶瓷管、端盖和金属块的连接结构，利用结构对称性加速度抵消原理，克服了在动态条件下由于压电陶瓷自身质量和外部振动噪声，对水听器加速度灵敏度和接收灵敏度的影响，可以通过调节压电陶瓷尺寸、数量、油性介质参数等来定向控制水听器的接收灵敏度和带宽；
（2）本方案中油性介质去气泡化工艺设计及水听器充油结构的设计，保证了油性介质无泡的有效性，同时极大避免了使用复杂的充油工艺设备，能够较好地在高静水压下正常工作；
此外，透声油囊内部充入经过真空处理的油性介质，利用其不可压缩性或油囊形变补偿，达到内外压力平衡的目的；
（3）本方案结构制作工艺简单，成本低，可应用于拖曳阵、海上浮标、水下滑翔机、海底地质探测等广大领域。
附图说明
图1是本发明实施例中深海水听器的正视剖视图。
图2是本发明实施例中结构对称性加速抵消的原理示意图。
其中，附图标记为：1、压电陶瓷管；2、端盖；3、金属块；4、油囊；5、底座；6、硅油；7、油针；8、水密连接件；A-压缩力；B-振动方向；C-拉伸力。
具体实施方式
为了能更加清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
参见图1，本发明采用两个尺寸均为Φ25×Φ19×30的压电陶瓷管并联连接，其尺寸、数量决定了水听器最终的性能，端盖2上带有通孔，作用在于当受外力作用下，油性介质（一般采用硅油）能够自由进出压电陶瓷管1内外腔，达到压力平衡；中间的金属块3采用黄铜或不锈钢材料制作而成，与两端对称安装的两个压电陶瓷管1共同组成水听器的关键结构，其中，透声油囊要求兼具水密和透声两大功能，同时要求耐油性优良，是采用氯丁橡胶材料模压硫化而成，壁厚4mm，水密、耐油性、透声性俱佳；
如图2所示，为结构对称性加速度抵消原理示意图，A和C分别是压缩力和拉伸力，B为振动方向，极化方式相同的压电陶瓷管1并联，对称安装在金属块3两端组成振动平衡结构。当水听器在动态条件下使用时，如拖曳阵的拖动、浮标随海浪的上下浮动、海底探杆的上下运动等，在外界振动方向一端，压电陶瓷管受到瞬间压缩力，而在外界振动反方向的一端，压电陶瓷管受到瞬间拉伸力，根据压电效应原理，金属块对称分布的两个压电陶瓷管分别产生等量的正负电荷，宏观上相互抵消，最终消除由于陶瓷自身质量和外界振动对水听器接收灵敏度的影响。
水听器各零部件装配前使用无水乙醇和丙酮进行清洁，按如下顺序进行装配：
（1）检测压电陶瓷管1的电性能，挑选结构尺寸、极化方式、压电性能相同的压电陶瓷管；
（2）将优选的两个压电陶瓷管1使用高强环氧分别对称粘接在金属块3的两端，并以并联的方式引出导线；
（3）将氧化铝陶瓷材料的端盖2使用高强环氧分别粘接在压电陶瓷管1两端；
（4）将上述组装体装入透声油囊4中，将水密连接器安装在底座5并将导线连接到水密连接器上；
（5）进行油性介质（硅油）去气泡化处理，并放入洁净容器备用，具体的操作步骤如下：
（a）将硅油放入烧杯中置于烘箱中加热至90-110℃，保温60-90min；
（b）取出硅油，采用抽真空搅拌系统80℃下真空搅拌30-40min；
（c）放入真空烘箱，恒温60℃，真空静置直至无气泡溢出，完成去气泡化处理；
（6）按如下步骤将硅油注入透声油囊4：
（a）将透声油囊4倾斜，将去气泡化处理后的硅油经底座4上的注油孔缓慢注入透声油囊4内腔，此过程中，注油孔要留有出气间隙；
（b）当硅油注满后，然后放入真空烘箱80-90℃保温30-60min，之后自然冷却至室温，若油面下降，需添加部分硅油后，重复真空处理过程，直至油液面保持不变；
（c）使用油针旋紧注油孔将其封闭。
注：
（1）并联的表述在本领域范围内是没有问题的，跟电路上的术语“并联”类似，只不过本方案中是两个陶瓷的并联，压电陶瓷不同于普通的陶瓷，经过了高电压极化，其内外表面分别为正负极，所以就会出现串并联两种连接方式，本方案中只有采用并联的方式，并且采用结构对称性设计，才能达到加速度抵消的效果；
（2）当外界声信号传递到本方案中所述的水听器时，根据压电效应原理，压电陶瓷管会将声信号转变成电信号并通过导线传递到外界处理器上，水密连接器只是与外界对接的一种出线形式，类似一个插座的东西，压电陶瓷管通过导线连接到水密连接器，实际上还可以是其他的出线形式，例如插针、O型圈物理水密等，可以根据实际的需求来设计。
本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种振动平衡型低噪声深海水听器，其特征在于，包括金属块、对称设置在所述金属块两侧的压电陶瓷管、端盖、透声油囊、封闭在所述透声油囊开口部位的底座以及与所述底座外部连接的水密连接器，所述底座上还设置有注油孔；
所述压电陶瓷管的一端垂直在所述金属块上，且另一端与端盖连接，所述端盖上设置有进油孔和导线孔，所述金属块和所述压电陶瓷管均设置在所述透声油囊中，所述透声油囊内还注满油性介质，所述水密连接器与所述压电陶瓷的正负极相连用以信号传输。
2.根据权利要求1所述的振动平衡型低噪声深海水听器，其特征在于，所述端盖与所述压电陶瓷管、所述压电陶瓷管与所述金属块分别通过高强环氧粘接，所述金属块上带有卡槽并与油囊通过卡箍固定连接。
3.根据权利要求2所述的振动平衡型低噪声深海水听器，其特征在于，多个所述的压电陶瓷管均采用径向极化，内正外负或者内负外正，多个所述的压电陶瓷管其结构尺寸均相同。
4.根据权利要求3所述的振动平衡型低噪声深海水听器，其特征在于，所述端盖由氧化铝陶瓷制成。
5.根据权利要求4所述的振动平衡型低噪声深海水听器，其特征在于，所述透声油囊采用透声橡胶经金属胶座模压或浇注而成，所述透声橡胶的材料为氯丁橡胶或JA-S浇注型聚氨酯。
6.根据权利要求5所述的振动平衡型低噪声深海水听器，其特征在于，所述油性介质经过真空处理。
7.根据权利要求6所述的振动平衡型低噪声深海水听器，其特征在于，所述注油孔上设置有油针，所述油针带有O圈并通过螺纹与所述注油孔连接。
8.一种振动平衡型低噪声深海水听器制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：采用模压或浇注的方式将透声橡胶材料制作成透声油囊；
步骤S2：将所述端盖采用胶粘剂粘接在所述压电陶瓷管一端，同时将压电陶瓷管的另一端粘接在金属块上，对称粘接的压电陶瓷管采用并联连接；
步骤S3：将水密连接器安装在底座上，并采用并联连接在压电陶瓷正负极；
步骤S4：将上述粘接好的压电陶瓷管整体装入透声油囊中，并将透声油囊安装在金属材料的底座上，油囊与金属块采用卡箍箍紧；
步骤S5：将油性介质真空去气泡化处理；
步骤S6：随后通过注油孔，真空注入透声油囊内，透声油囊内充满油性介质后，将油针旋紧注油孔，使得透声油囊形成全充油的全封闭空间。
9.根据权利要求8所述的振动平衡型低噪声深海水听器制造方法，其特征在于，所述步骤S5具体分为以下步骤：
步骤S51：将油性介质放入烧杯中，烧杯置于烘箱中加热至90-110℃，保温60-90min；
步骤S52：取出油性介质，采用抽真空搅拌系统80℃下真空搅拌30-40min；
步骤S53：放入真空烘箱，恒温60℃，真空静置直至无气泡溢出；
步骤S54：将水听器整体放入真空环境进行真空充油。
10.根据权利要求8或9所述的振动平衡型低噪声深海水听器制造方法，其特征在于，所述步骤S6具体分为以下步骤：
步骤S61：将透声油囊4倾斜，将去气泡化处理后的硅油经底座4上的注油孔缓慢注入透声油囊4内腔，此过程中，注油孔要留有出气间隙；
步骤S62：当硅油注满后，然后放入真空烘箱80-90℃保温30-60min，之后自然冷却至室温，若油面下降，需添加部分硅油后，重复真空处理过程，直至油液面保持不变；
步骤S63：使用油针旋紧注油孔将其封闭。
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