CN1892248B - 拖曳线列阵用小型耐静压力水听器 - Google Patents

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本发明属于声纳和海洋地球物理勘探领域，具体地说，本发明涉及一种水声换能器，包括外壳、密封透声胶、上端盖、下端盖、中支撑环、压电陶瓷元件，其特征在于，所述压电陶瓷元件是两个电容量一致的电极分段的径向极化压电陶瓷圆管；所述的两个陶瓷圆管同轴排列，按电极串联方式安装在中支撑环上；上端盖、下端盖分别安装在两个陶瓷圆管的上下端；两个电极柱牢固安装在上端盖上；所述中支撑环、上端盖、下端盖均与陶瓷圆管进行粘接，形成一整体的封闭结构。本发明的优点是：具有可以控制的工作带宽、接收电压灵敏度和耐静压能力，性能稳定可靠；同时，本发明结构简单，制造容易，产品合格率高，生产成本低。

Description

拖曳线列阵用小型耐静压力水听器
技术领域
本发明属于声纳和海洋地球物理勘探领域，具体地说，本发明涉及一种水声换能器。
背景技术
拖曳线列阵由于具有低而宽的工作频带(几赫兹至几千赫兹)、极大的工作孔径(百米至上千米)和灵活方便的收放方式，在远程探测声纳和海洋地球物理勘探中起着重要作用。构成拖曳线列阵的拖曳线列阵元(基元)——水听器是实现拖曳线列阵的关键器件，它的尺寸、性能和抗静压能力对实现远程探测声纳的优异战技指标和提高海洋地球物理勘探能力至关重要。
目前在拖曳声纳和海洋地球物理勘探中使用的阵元主要有弯曲圆片形和圆环形两种。弯曲圆片形阵元是在弯曲叠片换能器研究(Wollett.R.S Theory OfPiezoelectric Flexural Disk Transducer With Application To UnderwaterSound PB 154257)的基础上演变出的一种常用拖曳线列阵阵元。该种阵元的优点是体积较小容易实现小形化，具有较高的接收灵敏度和一定的带宽，致命的弱点是耐静水压能力差，仅适宜在50米以内的浅海使用。
圆环形阵元(Patent，U.S.，4205954，1980，5)是在常用的圆环水听器基础上发展的一种拖曳线列阵阵元，它具有一定的接收灵敏度和较宽的工作带宽，特别是它具有很好的抗静压能力，但是圆环形阵元体积尺寸较大(所构成的拖曳线列阵就较粗)、阻抗过高给传输匹配带来一定困难，目前在大型水面舰艇拖曳声纳中被采用。
随着作战需求的发展和海洋地球物理勘探向深海扩展的需求，迫切需要一种具有较高接收灵敏度、很宽工作频带和能在几百米水下工作的较细外径拖曳线列阵，因此发明小型耐静压力水听器是实现上述需求的基础和关键。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，解决目前在拖曳声纳和海洋地球物理勘探中需求的小型、宽带、高灵敏度并适于深海使用的阵元问题，从而提供一种拖曳线列阵用小型耐静压力水听器。
为实现上述发明目的，本发明提供的拖曳线列阵用小型耐静压力水听器，包括外壳、密封透声胶、上端盖、下端盖、压电陶瓷元件，其特征在于，还包括一中支撑环，所述压电陶瓷元件是两个电容量一致(电容量一致性≤±7.5％)的电极分段的径向极化压电陶瓷圆管；所述的两个陶瓷圆管同轴排列，按电极串联方式安装在中支撑环上；上端盖、下端盖分别安装在两个陶瓷圆管的上下端；两个电极柱牢固安装在上端盖上；所述中支撑环、上端盖、下端盖均与陶瓷圆管进行粘接，形成一整体的封闭结构；所述封闭结构外包敷一层密封透声胶，在密封透声胶外安装一金属外壳。
上述技术方案中，所述径向极化压电陶瓷圆管内壁具有两个分段电极，其中一为正电极，一为负电极，两个分段电极间的间隙为1mm。
上述技术方案中，所述上端盖、下端盖、中支撑环均由环氧玻璃棒制造。
上述技术方案中，所述密封透声胶是利用模具进行硫化处理后形成的水密和透声包敷层。
上述技术方案中，所述的两个径向极化压电陶瓷圆管，其位于中支撑环两端的相邻的正负电极用细导线连接，另外两个电极分别连在电极柱上。
上述技术方案中，所述径向极化压电陶瓷圆管，其长为5至15mm，内径为2至5mm，应采用接收型锆钛酸铅压电陶瓷配方和生产工艺(如PZT-5)制造压电陶瓷圆管。
本发明的主要优点是：
a)本发明的阵元由两个压电灵敏元件，两种8个机加工件组成。本发明中的压电灵敏元件是电极分段的径向极化压电陶瓷圆管，其他机加工件是一个铜外壳、一对铜上下盖板、一对铜电极柱和用玻璃环氧材料制造的一对上下端盖及一个中支撑环。阵元的安装和调试工艺易行，所需工装模具少，每一步具有可控制性和可检查性，可以保证高产品合格率。
b)具有可以控制的工作带宽、接收电压灵敏度和耐静压能力，可以根据实际需求进行设计制造。
本阵元的尺寸、工作带宽、接收电压灵敏度和耐静压能力都与电极分段的径向极化圆管的内外半径(a、b)和长度l相关，具有成熟准确的计算方法，通过综合调整圆管的内半径a、外半径b和长度l可以设计出满足不同要求的阵元。
c)性能稳定可靠。
在对压电灵敏元件进行老化处理后组装的阵元使用3年后复测其主要性能指标变化≤±1dB。
附图说明
图1是本发明中电极分段的径向极化圆管示意图；
图2是本发明中的小型耐静压力水听器内部结构示意图；
图3是本发明中的小型耐静压力水听器外壳安装示意图；
图4是本发明中的小型耐静压力水听器完整结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
小型耐静压力水听器是以径向极化压电陶瓷圆管为基本元件构成的一种新型拖曳阵元，它的结构如图2、3所示。两个如图1所示的电极分段的径向极化压电陶瓷圆管是实现本发明的关键技术之一。采用电极分段的目的是为了在减小径向极化压电陶瓷圆管尺寸的同时提高阵元的接收灵敏度，工作带宽。阵元的尺寸、工作带宽、接收电压灵敏度和耐静压能力都与电极分段的径向极化圆管的内外半径(a、b)和长度l相关，具有成熟准确的计算方法，通过综合调整圆管的内半径a、外半径b和长度l可以设计出满足不同要求的阵元。
如图2、3所示，制造一批小尺寸耐静压力水听器(阵元)。该批阵元采用“PZT-5”型压电陶瓷材料制造电极分段的径向极化圆管(如图1所示)，每个阵元采用两个径向极化圆管，分别称为上压电圆管4、下压电圆管6，一般来说，本发明所采用的压电圆管长5至15mm，内径为2至5mm，其分段电极的间隙为1至2mm，在本实施例中，压电圆管的外半径a为5mm，内半径b为4.2mm，长度l为10mm，分段电极间隙d为1mm。要求圆管的压电系数d33≥420，两个圆管电容量一致性控制在±7.5％之内。采用环氧玻璃棒制作上端盖2、下端盖7和中支撑环5，使用前进行清洁和加温处理。可以采用环氧树脂粘结工艺或其他方法将第一电极柱1和第二电极柱9安装在上端盖2上。外壳10由两端带凹台的外圆壳和带孔的上下盖板组成，外壳的外径为15mm、内径为14.4mm，长度30mm，上下盖板厚0.4mm，全部用黄铜材料制造。对于工作频率上限超过5kHz的阵元可以在外圆壳壁上采取打排孔的措施，以便减少高频传输损失。密封透声胶3(即硫化“水密和透声包敷层”)采用JA-S浇注型聚氨脂透声橡胶材料及相关工艺。
将准备好的元器件按以下顺序装配：
(1)在上压电圆管4的正电极下部和负电极中部各焊一根30mm长七芯细导线，在下压电圆管的负电极中部焊一根50mm长七芯细导线。
(2)将上压电圆管的负电极导线穿过中支撑环焊在下压电圆管的正电极上，下压电圆管6的负电极导线穿过中支撑环5，在中支撑环5台阶上抹胶(如常温环氧粘结剂)压紧上下压电圆管。
(3)将上下压电圆管的正负电极引线缠绕焊接在上端盖的电极柱下端，上下端盖台阶抹胶与上下压电圆管的两端压紧，为使焊点牢固，所有焊点应采取保护措施。
(4)对安装完毕并已固化的准“阵元”进行电容量和绝缘电阻检查，合格者清洗表面后待用。
(5)将准“阵元”装入模具，按“JA-S浇注型聚氨脂透声橡胶”相关工艺进行浇注。脱模后检查硫化层是否均匀无气泡，合格者修毛边后待用。
(6)将硫化后的准“阵元”装入外圆铜壳，在支撑点点胶固化后安装上下盖板并将两端压死。注意阵元要安放固定在外圆壳中间部位，不要使电极柱与上盖板接触。
(7)性能检测：
①用100V摇表测量电极间及正负电极对外壳的绝缘电阻。
②用电容表测量电极间的电容量。
③采用国家标准“GB 7965-87水声水声换能器测量”和“GB 4130-84水听器低频校准方法”测试阵元的工作频带、接收电压灵敏度响应和耐静压能力。
④采用震动台和标准加速度计测量阵元的加速度灵敏度响应。
⑤采用相位计在均匀声场中测量阵元的相位差。
按上述发明制造了一批小尺寸耐静压力水听器(阵元)，测量结果如下：
①电极间及正负电极对外壳的绝缘电阻≥200MΩ。
②电容量C。＝515±25pf
③工作频率范围：5Hz-20kHz
接收电压灵敏度：M＝-189±1dB(0dB＝1V/μPa；5-2000Hz)
                M＝-189±1.5dB (0dB＝1V/μPa；5-20000Hz)
④阵元承静压能力≥5Mpa；接收灵敏度随压力变化≤±0.5dB(4Mpa以内)
阵元的加速度灵敏度响应≤-50dB(0dB＝1V/g；10-5000Hz)。
⑤各阵元间的相位差≤±1.5°
 各阵元间的灵敏度一致性≤±1.5dB
⑥外形尺寸：φ15×30mm
⑦投入225套小尺寸耐静压力水听器(阵元)元器件，制造完成后经检测合格品为203件，合格率90％。
用本发明制造的小尺寸耐静压力水听器(阵元)装配出内置75个阵元，外径φ37mm或φ45mm，100米长的拖曳线阵并在海上试验中表现出优异的性能。

Claims (8)

1.一种拖曳线列阵用小型耐静压力水听器，包括外壳、密封透声胶、上端盖、下端盖、压电陶瓷元件，其特征在于，还包括一中支撑环；所述压电陶瓷元件是两个电容量一致的压电陶瓷圆管，所述两个压电陶瓷圆管均径向极化，在所述压电陶瓷圆管内壁设置有电极且该电极分段，被分段而成的两个电极段极性相反，并且所述两个电极段分别作为所述压电陶瓷圆管的正、负电极；所述的两个陶瓷圆管同轴排列，按电极串联方式安装在中支撑环上；上端盖、下端盖分别安装在两个陶瓷圆管的上下端；两个电极柱安装在上端盖上；所述中支撑环、上端盖、下端盖均与陶瓷圆管进行粘接，形成一整体的封闭结构；所述封闭结构外包敷一层密封透声胶，在密封透声胶外安装一透声屏蔽外壳。
2.按权利要求1所述的拖曳线列阵用小型耐静压力水听器，其特征在于，所述两个分段电极间的间隙为1至2mm。
3.按权利要求1所述的拖曳线列阵用小型耐静压力水听器，其特征在于，所述上端盖、下端盖、中支撑环均由环氧玻璃棒制造。
4.按权利要求1所述的拖曳线列阵用小型耐静压力水听器，其特征在于，所述密封透声胶是利用模具进行浇注并硫化处理后形成的水密和透声包敷层。
5.按权利要求1或2所述的拖曳线列阵用小型耐静压力水听器，其特征在于，所述的两个径向极化压电陶瓷管，其位于中支撑环两端的相邻的正负电极用细导线连接，另外两个电极分别连在电极柱上。
6.按权利要求1或2所述的拖曳线列阵用小型耐静压力水听器，其特征在于，所述径向极化压电陶瓷圆管，其长为5至15mm，内径为2至5mm。
7.按权利要求1或2所述的拖曳线列阵用小型耐静压力水听器，其特征在于，所述径向极化压电陶瓷圆管，采用接收型锆钛酸铅压电陶瓷材料制作的。
8.按权利要求1或2所述的拖曳线列阵用小型耐静压力水听器，其特征在于，所述密封透声胶采用JA-S浇注型聚氨脂透声橡胶材料。
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