CN208636262U - 一种海底沉积物声学特性原位测量换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海底沉积物声学特性原位测量换能器，包括承载轴、探杆、贯入锥、水密缆、接线柱、绝缘端子、导线，探杆与贯入锥之间的承载轴上套设有多个压电陶瓷管，压电陶瓷管与承载轴之间形成内油腔，压电陶瓷管与透声密封套形成外油腔，相邻两个压电陶瓷管之间以及端部压电陶瓷管通过固定组件固定，固定组件设有连通内油腔与外油腔的通油孔；透声密封套的首端设有首部密封组件，尾端设有尾部密封组件，首部密封组件与尾部密封组件将外油腔与内油腔密封，且尾部密封组件包括与外油腔连通的注油孔和注油孔密封件；尾部密封组件与贯入锥之间设有定位环。本实用新型消除了贯入阻力和高静水压力对压电陶瓷管的影响，提高了测量精度。

Description

一种海底沉积物声学特性原位测量换能器

技术领域

本实用新型涉及海底探测技术领域，特别是涉及一种海底沉积物声学特性原位测量换能器。

背景技术

海底是水下声场的重要边界，海底沉积物的声速和声衰减系数等声学特性参数对声波在海洋中的传播规律具有重要影响。海底沉积物声学特性调查与研究是军事海洋学和军事地球物理学的重要研究内容，对于国防建设具有重要的意义，而且在海洋工程勘察、海底资源勘探开发以及海底环境监测等领域具有重要的应用价值。

海底沉积物声学特性原位测量是将声学仪器放置海底，直接测量声波在沉积物中的传播特性，这种方法避免了取样和搬运对沉积物造成的扰动，并且周围环境未发生变化，因此，测得的声速和声衰减系数更加准确可靠。

海底原位测量对换能器的要求较高，不仅需要换能器具有耐高静水压力的特点，并且要求换能器在贯入沉积物时避免陶瓷管受到很大的贯入阻力而导致破裂，其次需要消除复杂的海底噪声对换能器声学信号的影响。国外对海底原位测量换能器的研究较早，但没有很好的解决贯入力对压电陶瓷的影响，国内的研究尚处于起步阶段，只是对换能器进行了耐高压的设计。因此，如何解决贯入力对换能器内压电陶瓷管的影响成为本领域亟需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种海底沉积物声学特性原位测量换能器，以消除贯入力和高静水压力对换能器内压电陶瓷管的影响，提高换能器的测量精度。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种海底沉积物声学特性原位测量换能器，包括承载轴，固接于所述承载轴首部的探杆、固接于所述承载轴尾部的贯入锥；所述承载轴的首部设有内空腔，所述内空腔的端口连接有水密缆，所述承载轴还设有若干与所述内空腔连通的通孔，所述通孔内设有接线柱，所述接线柱通过绝缘端子包裹固定于所述通孔内，所述接线柱的两端有导线，所述导线的一端与所述水密缆连接；

所述探杆与所述贯入锥之间的承载轴上套设有多个压电陶瓷管，且所述压电陶瓷管与所述承载轴之间形成内油腔，所述压电陶瓷管外套设有透声密封套，且所述压电陶瓷管与所述透声密封套形成外油腔，相邻两段所述压电陶瓷管之间以及端部压电陶瓷管通过设于所述承载轴上的固定组件固定，所述固定组件设有连通所述内油腔与所述外油腔的通油孔；所述导线的另一端与所述压电陶瓷管电连接；

所述透声密封套的首端设有首部密封组件，所述透声密封套的尾端设有尾部密封组件，所述首部密封组件与所述尾部密封组件将所述外油腔与所述内油腔密封，且所述尾部密封组件包括与所述外油腔连通的注油孔和用于密封所述的注油孔密封件；所述尾部密封组件与所述贯入锥之间设有定位环。

可选的，所述固定组件包括套设于所述承载轴上的金属骨架圈和两套设于所述金属骨架圈上的环氧定位圈；所述金属骨架圈内表面设有若干通油槽，所述金属骨架圈外表面中部设有一环形凸棱，所述金属骨架圈的至少一端面设有穿线槽，且所述穿线槽与所述通油槽的位置相对应；至少有一所述环氧定位圈的一段面设有穿线通油槽，两所述环氧定位圈分别套设于所述环形凸棱的两侧的所述金属骨架圈外表面，且所述穿线通油槽与所述穿线槽与所述通油槽的位置相对应。

可选的，所述压电陶瓷管有四个，所述金属骨架圈有五个，所述环氧定位圈有八个，其中，包括三个位于相邻两所述压电陶瓷管之间的所述金属骨架圈，一个位于压电陶瓷管首部的所述金属骨架圈和一个位于压电陶瓷管尾部的所述金属骨架圈，每一位于相邻两所述压电陶瓷管之间的所述金属骨架圈上套设有两所述环氧定位圈，位于压电陶瓷管首部的所述金属骨架圈和位于压电陶瓷管尾部的所述金属骨架圈个套设一个所述环氧定位圈，且所述环氧定位圈与所述压电陶瓷管的端面接触；四个所述压电陶瓷管串联构成发射换能器，或四个所述压电陶瓷管并联构成接收换能器。

可选的，所述首部密封组件包括与所述透声密封套硫化连接的首部密封套，设于所述首部密封套与所述承载轴之间的首部密封件，所述承载轴外表面设有容置所述首部密封件的第一定位槽。

可选的，所述探杆与所述承载轴通过螺纹紧固连接，且所述探杆与所述承载轴之间设有探杆密封件，所述承载轴外表面设有容置所述探杆密封件的第二定位槽。

可选的，所述尾部密封组件包括与所述透声密封套硫化连接的尾部密封套，位于所述尾部密封套与所述承载轴之间的尾部密封件，和位于所述尾部密封套的尾部与所述承载轴之间的密封橡胶垫，且所述密封橡胶垫设于所述尾部密封套与所述定位环之间，所述尾部密封套的尾端设有所述注油孔，所述注油孔密封件包括插设于所述注油孔内的密封螺钉，套于所述密封螺钉的钉杆上的密封圈，所述密封螺钉的钉帽面积大于所述注油孔的孔口，且所述密封圈的直径所述注油孔的孔径小于所述钉帽直径，所述密封圈设于所述注油孔的孔口端部与所述钉帽之间。

可选的，所述定位环与所述尾部密封套之间设有间隙，所述首部密封套、所述透声密封套与所述尾部密封套在所述间隙范围内滑动。

可选的，所述内油腔与所述外油腔内充满低阻抗油。

可选的，所述贯入锥的锥尖开角为40°。

可选的，所述通孔与所述接线柱之间的缝隙通过所述绝缘端子密封。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型提供的海底沉积物声学特性原位测量换能器的压电陶瓷管内外两侧形成有内油腔和外油腔，且在压电陶瓷管外还套设有透声密封套，透声密封套的首尾分别设有首部密封组件和尾部密封组件，压电陶瓷管由首部密封组件、透声密封套、尾部密封组件以及定位环进行限位并密封，贯入锥与尾部密封组件之间留有足够的间隙，这种结构设计使换能器在下插到沉积物的过程中，贯入锥受到的下插反作用力直接作用到承载轴上，压电陶瓷管处于不受力状态，保证了压电陶瓷管的可靠性与稳定性，避免了贯入阻力对压电陶瓷管的影响，并使压电陶瓷管在高静水压力下保持其内外压力平衡，避免压电陶瓷单向受力而损坏，提高了换能器的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的海底沉积物声学特性原位测量换能器的轴向剖面图；

图2为本实用新型实施例提供的海底沉积物声学特性原位测量换能器的径向剖面图；

图3为本实用新型实施例提供的海底沉积物声学特性原位测量换能器的注油孔结构图；

图4为本实用新型实施例提供的海底沉积物声学特性原位测量换能器的压电陶瓷管部分放大结构图；

图5为本实用新型实施例提供的金属骨架圈的立体图；

图6为本实用新型实施例提供的环氧定位圈的立体图；

图7是本实用新型实施例提供的绝缘端子和接线柱的结构示意图。

图中，探杆1、水密缆2、探杆密封件3、承载轴4、首部密封套5、透声密封套6、外油腔7、内油腔8、尾部密封套9、定位环10、密封橡胶垫11、贯入锥12、密封圈13、密封螺钉14、注油孔15、尾部密封件16、压电陶瓷管17、绝缘端子18、首部密封件19、环氧定位圈20、金属骨架圈21、通油槽22、穿线槽23、穿线通油槽24、接线柱25、导线26。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种海底沉积物声学特性原位测量换能器，以消除贯入力和高静水压力对换能器内压电陶瓷管的影响，提高换能器的测量精度。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1-7所示，本实施例提供的海底沉积物原位测量换能器包括探杆1、水密缆2、探杆密封件3、承载轴4、首部密封套5、透声密封套6、外油腔7、内油腔8、尾部密封套9、定位环10、密封橡胶垫11、贯入锥12、密封圈13、密封螺钉14、注油孔15、尾部密封件16、压电陶瓷管17、绝缘端子18、首部密封件19、环氧定位圈20、金属骨架圈21、通油槽22、穿线槽23、穿线通油槽24、接线柱25、导线26。

探杆1通过螺纹固接于承载轴4首部，贯入锥12通过螺纹固接于承载轴4尾部，承载轴4的首部设有内空腔，内空腔的端口连接有水密缆2，承载轴4还设有若干与内空腔连通的通孔，通孔内设有接线柱25，接线柱25通过绝缘端子18包裹固定于通孔内，接线柱25的两端有导线26，导线26的一端与水密缆2连接；

探杆1与贯入锥12之间的承载轴4上套设有多个压电陶瓷管17，且压电陶瓷管17与承载轴4之间形成内油腔8，压电陶瓷管17外套设有透声密封套6，且压电陶瓷管17与透声密封套6形成外油腔7，相邻两段压电陶瓷管17之间以及端部压电陶瓷管17通过设于承载轴4上的固定组件固定，固定组件设有连通内油腔8与外油腔7的通油孔；导线26的另一端与压电陶瓷17电连接；

透声密封套6的首端设有首部密封组件，透声密封套6的尾端设有尾部密封组件，首部密封组件与尾部密封组件将外油腔7与内油腔8密封，且尾部密封组件包括与外油腔7连通的注油孔15和用于密封的注油孔密封件；尾部密封组件与贯入锥12之间设有定位环10。

本实施例压电陶瓷管17由首部密封组件、透声密封套6、尾部密封组件以及定位环10进行限位并密封，贯入锥12与尾部密封组件之间留有足够的间隙，这种结构设计使换能器在下插到沉积物的过程中，贯入锥12受到的下插反作用力直接作用到承载轴4上，压电陶瓷管17处于不受力状态，保证了压电陶瓷管17的可靠性与稳定性，避免了贯入力对压电陶瓷管的影响，进而提高了换能器的测量精度。

如图4-6所示，本实施例中固定组件包括套设于承载轴4上的金属骨架圈21和两套设于金属骨架圈21上的环氧定位圈20；金属骨架圈21内表面设有若干通油槽22，金属骨架圈21外表面中部设有一环形凸棱，金属骨架圈21的至少一端面设有穿线槽23，且穿线槽23与通油槽22的位置相对应；至少有一环氧定位圈20的一段面设有穿线通油槽24，两环氧定位圈20分别套设于环形凸棱的两侧的金属骨架圈21外表面，且穿线通油槽24与穿线槽23与通油槽22的位置相对应，通油孔有相互连通的穿线通油槽24、穿线槽23与通油槽22构成。

如图1和4所示，本实施例中的压电陶瓷管17有四个，金属骨架圈21有五个，环氧定位圈20有八个，其中，包括3个位于相邻两压电陶瓷管17之间的金属骨架圈21，一个位于压电陶瓷管17首部的金属骨架圈21和一个位于压电陶瓷管17尾部的金属骨架圈21，每一位于相邻两压电陶瓷管17之间的金属骨架圈21上套设有两环氧定位圈20，位于压电陶瓷管17首部的金属骨架圈21和位于压电陶瓷管17尾部的金属骨架圈21个套设一个环氧定位圈20，且环氧定位圈0与压电陶瓷管17的端面接触；四个压电陶瓷管17串联构成发射换能器，或四个压电陶瓷管17并联构成接收换能器。对于发射换能器，4个压电陶瓷管17串联连接在一起提高了其发射电压响应；对于接收换能器，4个压电陶瓷管17并联连接在一起，提高了其接收灵敏度；压电陶瓷管17在换能器内部沿换能器轴向排列，沿换能器径向振动；压电陶瓷管17与金属骨架圈21、承载轴4之间填充有环氧定位圈20，有效防止声波振动沿承载轴4传播，保证了声波的强度以及沉积物声学原位测量的可靠性，进而提高了测量精度。

上述的压电陶瓷管17与承载轴4形成了内油腔8，压电陶瓷管17与透声密封套6形成了外油腔7，内油腔8与外油腔7通过通油孔连通，当充满低阻抗油时，压电陶瓷管17被低阻抗油全部包围，当换能器进入海水后，在透声密封套的弹性调节下，外部海水与内油腔8和外油腔7的低阻抗油达到压力平衡，低阻抗油施加在压电陶瓷管17的压力为均衡力，不会造成压电陶瓷单向受力而破裂。

如图1所示，本实施例中的首部密封组件包括与透声密封套6硫化连接的首部密封套5，设于首部密封套5与承载轴4之间的首部密封件19，承载轴4外表面设有容置首部密封件19的第一定位槽。如图3尾部密封组件包括与透声密封套6硫化连接的尾部密封套9，位于尾部密封套9与承载轴4之间的尾部密封件16，和位于尾部密封套9的尾部与承载轴4之间的密封橡胶垫11，且密封橡胶垫11设于尾部密封套9与定位环10之间，尾部密封套的尾端设有注油孔15，注油孔密封件包括插设于注油孔15内的密封螺钉14，套于密封螺钉14的钉杆上的密封圈13，密封螺钉14的钉帽面积大于注油孔15的孔口，且密封圈13的直径注油孔15的孔径小于钉帽直径，密封圈13设于注油孔15的孔口端部与钉帽之间。定位环10与尾部密封套9之间设有间隙，首部密封套5、透声密封套6与尾部密封套9在间隙范围内滑动。承载轴4外表面设有容置尾部密封件16的第三定位槽。

需要说明的是，为保证压电陶瓷管轴向的稳定性，又使压电陶瓷管不产生轴向受力。在安装定位环10时，控制定位环10的位置，使尾部密封套9与位于尾端的金属骨架圈保持极小的间隙，并且保证密封橡胶垫11与尾部密封套9以及定位环10之间有2-3mm的间隙。

这里首部密封套5和尾部密封套9与透声密封套6采用硫化橡胶硫化在一起，透声密封套6保护了压电陶瓷管17，提高了换能器的耐磨性，透声密封套6良好的弹性可以保证换能器内部与周围海水的压力平衡，并且透声密封套6对换能器声波的衰减很小，可以保证沉积物声学原位测量的可靠性。

为了进一步提高密封性，探杆1与承载轴4之间设有探杆密封件3，承载轴4外表面设有容置探杆密封件3的第二定位槽。通孔与接线柱25之间的缝隙通过绝缘端子18密封。水密缆2从承载轴4的通孔穿到绝缘端子18上，并通过接线柱25与连接到压电陶瓷管17正负极的导线26相连，绝缘端子18将承载轴4密封，使内油腔8以及外油腔7中的低阻抗油不会进入到承载轴4中。

本实施例中贯入锥12安装在承载轴4的尾端，且锥尖开角为40°，可以减小换能器的下插阻力，使换能器顺利插入沉积物中一定深度，消除下插阻力对换能器性能的影响。

在进行海底沉积物声学特性原位测量时，需至少由一个发射换能器与一个接收换能器成对使用，两个换能器同时贯入到沉积物中，并保持同一高度，启动两个换能器时，可通过换能器的发射信号和接收信号得到深海底沉积物的声学特性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种海底沉积物声学特性原位测量换能器，其特征在于，包括承载轴，固接于所述承载轴首部的探杆、固接于所述承载轴尾部的贯入锥；所述承载轴的首部设有内空腔，所述内空腔的端口连接有水密缆，所述承载轴还设有若干与所述内空腔连通的通孔，所述通孔内设有接线柱，所述接线柱通过绝缘端子包裹固定于所述通孔内，所述接线柱的两端有导线，所述导线的一端与所述水密缆连接；

所述探杆与所述贯入锥之间的承载轴上套设有多个压电陶瓷管，且所述压电陶瓷管与所述承载轴之间形成内油腔，所述压电陶瓷管外套设有透声密封套，且所述压电陶瓷管与所述透声密封套形成外油腔，相邻两个所述压电陶瓷管之间以及端部压电陶瓷管通过设于所述承载轴上的固定组件固定，所述固定组件设有连通所述内油腔与所述外油腔的通油孔；所述导线的另一端与所述压电陶瓷管电连接；

所述透声密封套的首端设有首部密封组件，所述透声密封套的尾端设有尾部密封组件，所述首部密封组件与所述尾部密封组件将所述外油腔与所述内油腔密封，且所述尾部密封组件包括与所述外油腔连通的注油孔和用于密封所述的注油孔密封件；所述尾部密封组件与所述贯入锥之间设有定位环。

2.根据权利要求1所述的海底沉积物声学特性原位测量换能器，其特征在于，所述固定组件包括套设于所述承载轴上的金属骨架圈和两套设于所述金属骨架圈上的环氧定位圈；所述金属骨架圈内表面设有若干通油槽，所述金属骨架圈外表面中部设有一环形凸棱，所述金属骨架圈的至少一端面设有穿线槽，且所述穿线槽与所述通油槽的位置相对应；至少有一所述环氧定位圈的一段面设有穿线通油槽，两所述环氧定位圈分别套设于所述环形凸棱的两侧的所述金属骨架圈外表面，且所述穿线通油槽与所述穿线槽与所述通油槽的位置相对应。

3.根据权利要求2所述的海底沉积物声学特性原位测量换能器，其特征在于，所述压电陶瓷管有四个，所述金属骨架圈有五个，所述环氧定位圈有八个，其中，包括三个位于相邻两所述压电陶瓷管之间的所述金属骨架圈，一个位于压电陶瓷管首部的所述金属骨架圈和一个位于压电陶瓷管尾部的所述金属骨架圈，每一位于相邻两所述压电陶瓷管之间的所述金属骨架圈上套设有两所述环氧定位圈，位于压电陶瓷管首部的所述金属骨架圈和位于压电陶瓷管尾部的所述金属骨架圈个套设一个所述环氧定位圈，且所述环氧定位圈与所述压电陶瓷管的端面接触；四个所述压电陶瓷管串联构成发射换能器，或四个所述压电陶瓷管并联构成接收换能器。

4.根据权利要求1所述的海底沉积物声学特性原位测量换能器，其特征在于，所述首部密封组件包括与所述透声密封套硫化连接的首部密封套，设于所述首部密封套与所述承载轴之间的首部密封件，所述承载轴外表面设有容置所述首部密封件的第一定位槽。

5.根据权利要求1所述的海底沉积物声学特性原位测量换能器，其特征在于，所述探杆与所述承载轴通过螺纹紧固连接，且所述探杆与所述承载轴之间设有探杆密封件，所述承载轴外表面设有容置所述探杆密封件的第二定位槽。

6.根据权利要求4所述的海底沉积物声学特性原位测量换能器，其特征在于，所述尾部密封组件包括与所述透声密封套硫化连接的尾部密封套，位于所述尾部密封套与所述承载轴之间的尾部密封件，和位于所述尾部密封套的尾部与所述承载轴之间的密封橡胶垫，且所述密封橡胶垫设于所述尾部密封套与所述定位环之间，所述尾部密封套的尾端设有所述注油孔，所述注油孔密封件包括插设于所述注油孔内的密封螺钉，套于所述密封螺钉的钉杆上的密封圈，所述密封螺钉的钉帽面积大于所述注油孔的孔口，且所述密封圈的直径所述注油孔的孔径小于所述钉帽直径，所述密封圈设于所述注油孔的孔口端部与所述钉帽之间。

7.根据权利要求6所述的海底沉积物声学特性原位测量换能器，其特征在于，所述定位环与所述尾部密封套之间设有间隙，所述首部密封套、所述透声密封套与所述尾部密封套在所述间隙范围内滑动。

8.根据权利要求1所述的海底沉积物声学特性原位测量换能器，其特征在于，所述内油腔与所述外油腔内充满低阻抗油。

9.根据权利要求1所述的海底沉积物声学特性原位测量换能器，其特征在于，所述贯入锥的锥尖开角为40°。

10.根据权利要求1所述的海底沉积物声学特性原位测量换能器，其特征在于，所述通孔与所述接线柱之间的缝隙通过所述绝缘端子密封。