CN85103020B - 水声用宽频带高灵敏度指向性换能器 - Google Patents
水声用宽频带高灵敏度指向性换能器Info
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Abstract
本发明是将压电陶瓷圆管通过管形金属连接件在刚性直杆上进行模块式同心组装而成的双指向性声阵。中空的管形金属连接件设计成带有低通机械滤波器和活塞增压比。整个结构简单、紧凑，加工和装配容易，成品率高，阵元的声中心位置准确，一致性好，工作频带宽，灵敏度高，不带前放时的开路接收电压灵敏度为100V/b，可承受振动、强冲击、温变、跌落及较高静水压力，结构牢固，性能稳定。
Description
本发明属于一种声呐用换能器。
在水声换能器及近场测量阵中，有很多情况是选用压电陶瓷圆管作阵元排布成指向性换能器。目前通用的结构是美国USRD的I、D·Groves，Jr在AD 684768中给出的。它是用橡胶制的O形环密封用作阵元的灵敏元件压电陶瓷圆管，再用橡胶圈将阵元夹持在乌笼式金属框架上定位，最后置入充油套或用橡胶包封。这种技术在实施中存在一些缺点。首先，O形环的制作及配合精度要求高。由于O形环存在着诸如内收、增厚，离层、皱折一类问题，在使用O形环作密封用时须严格挑选。这便提高了换能器的制作成本。其次，含硫橡胶对灵敏元件的银层电极有腐蚀作用，所以，须选用无硫橡胶制作O形环，这又提高了换能器的制作成本。在压电陶瓷圆管的内壁面上焊的信号线通过O形环密封地穿引给换能器装配工作带来困难。仅仅靠O形环的自应力完成密封还存在着对水、油、气有渗、泄问题，而这些问题在水声换能器中须严加预防。致于框架结构只靠橡胶圈夹持很难保证阵元的声中心准确定位，并且在长阵时准于保证垂直度，为尽量减少框架的破坏性散射影响金属丝不能做得太粗。
本发明的目的在于提供一种能够消除因为用O形环密封和框架结构而带来的缺点的换能器，它结构简单，装配容易，成品率高，一致性好。全部采用机加工件保证声中心位置准确。设计成带有软衬环的低通机械滤波器和活塞增压比使可以在较宽频带上获得高灵敏度。
本发明的要点是设计出如图1所示的管形金属连接件1，它既有低通机械滤波器的作用，又有机械放大器作用。管形金属连接件1的两端前缘带有径向顺性很大的软衬环(20)。薄圆环的集总顺性表达式为
CM＝rcP/2πth1E
式中rcP为平均直径，t为环的壁厚，h1为环的高度，E为杨氏模量。设计取t＝0.2～0.5mm，h1＝0.3～1.0mm，软衬环(20)的顺性较灵敏元件大50～200倍。这样的软衬环起分路滤波器作用，保证灵敏元件径向运动自由，克服Tonpilz耦合振动影响，
图1是管形金属连接件(1)的剖面图。
图2是本发明的结构图。
图3是本发明在水池中实测得的自由场开路接收频响特性曲线。
图4是本发明在水池中在f＝15.0KC时的实测远场水平指向性图。
图5是本发明在水池中在f＝7.5KC时的垂直指向性图。
本发明的一个具体实施结构所包含的各部件由图2给出。其中(1)为管形金属连接件，(2)为灵敏元件压电陶瓷圆管，(3)为刚性直杆，(4)为引出线，(5)为绝缘垫片，(6)为压紧螺帽，(7)为玻璃钢芯柱，(8)为双芯屏蔽输出电缆，(9)为屏敝网，(10)为屏蔽网托架，(11)为胶封点。
在装配时，将各部件的交接部分涂一薄层环氧树脂在(3)上参差相间同心组装，再用螺帽(6)压紧，待胶固化后便成为浑然一体的阵芯。将阵芯装上屏蔽网(9)后置于玻璃管模具中用
聚氨脂胶灌封即可。
件(7)开槽是为改善密封效果。当用此种换能器排布大型面阵时以件(7)中心线校正声中心位置。选用廉价的普通玻璃管作为模具是因为它容易发现在工艺过程中可能出现的问题(如：气泡、腊状物)并可以及时补救。模具亦可用黄铜管或铝管做。
设计时取件(1)的端面积
较灵敏元件(2)的横截面积S2为大，这样件(1)的端部(30)提供一个活塞增压比γ＝S1/S2，提高了灵敏度。
件(3)起机械骨架支撑作用，垂直度调整在0.5mm之内，可用黄铜、铝和钢管做，与件(1)滑配合。其它诸件的机械加工精度容易控制在0.05mm之内，这样可以保证换能器阵元声中心位置准确。
已做出的换能器采用的PZT-5压电材料性能为：g31＝-11.9×10-3v·m/N，g33＝35.0×10-3v·m/N，ε＝1700，E＝6.0×1010N/M2。本设计取图2中件(2)尺寸为φ15×φ13×15mm的径向极化圆管。件1可用黄铜、镁铝合金和硬铝，本设计取镁铝合金材料做，其中h1＝0.5mm，h2＝1.0mm，h3＝2.0mm，t＝0.5mm，φA＝8.5mm，γ＝2，L＝42.25mm。件(3)外表涂绝缘漆或胶层，本设计用φ8.0×1.5mm黄铜管包敷环氧玻璃布。声阵含有11元，间距为56.25mm，电串联，低频电容为800pf。采用双端对称输出降低同相干扰。换能器长730mm，重量800克。
从图3可见，频响特性平滑，在f＝0.5～20kc的范围内开路接收电压灵敏度起伏在±Idb之内；如果取起伏为±2db时，工作频带宽度可以扩展到0.5-50.0kc。不带前置放大器时的接收灵敏度M＝100V/b。从图4可见，水平方向至15kc无指向性。图5示出垂直向性呈8字型。附表示出本发明的具体装置在几个典型频率上的垂直指向性波束参数，A为设计值，B为在水池中远场实测值，θ3为-3db波束开角，Bs为最大旁瓣电平，γ1为第一旁瓣出现的角度。从附表可见，参数3、Bs和γ1的实测值与理论计算值符合，Bsmax＜-13·3db。本发明的具体装置在0.5～20kc相位不一致性在±2°之内。
由前述可知，件1有效地克服了多个Tonpilz耦合振动对频响特性的破坏性干扰，抑制了不需要的振动模式，使元件(2)与件(1)及件(3)间去耦。活塞增压比提高了灵敏度。
由于结构对称，无应力集中现象，经过振动、强冲击、温度、跌落、霉菌腐蚀及60大气压的静水压力实验，结构可靠，技术性能指标变化在1db之内，性能稳定。
本发明所提供的换能器可以用做接收器，亦可用做发射器，便于根据特定需要灵活地设计、灵活地组装。用本发明提供的换能器可以方便地排布大型平间阵、柱形阵、弧形阵，可以在水声物理、海洋考察、声阵研究及国防工程中使用。
附表
Claims (6)
1.一种由若干压电陶瓷圆管经密封组成的阵元以一定间距定位在支架上的双指向性水声换能器，其特征是用具有低通机械滤波器和机械放大器的管形金属连接件(1)将作为阵元的压电陶瓷圆管(2)在刚性杆(3)上同心迭装，再灌聚氨脂密封而成。
2.按照权利要求1所说的换能器，其中管形金属连接件(1)的低通机械滤波器是软衬环(20)，其高h在0.3mm至1.0mm，其壁厚t在0.2mm至0.5mm范围之内。
3.按照权利要求1所说的换能器，其中管形金属连接件(1)的机械放大器的增压比γ由其端面积S1和压电陶瓷圆管(2)的横截面积S2之比γ＝S1/S2确定。
4.按照权利要求1所说的换能器，其中刚性杆(2)是用黄铜、铝或钢制成的圆管或直杆，其外表涂绝缘层与管形金属连接件(1)胶固一体。
5.按照权利要求1所说的换能器，其中管形金属连接件(1)用黄铜、铝镁合金或硬铝制作。
6.按照权利要求1所说的换能器，其中灌封用聚氨脂为JA-2S #一类的聚氨脂，用普通玻璃管或铝管、黄铜管作模具。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 85103020 CN85103020B (zh) | 1985-04-18 | 1985-04-18 | 水声用宽频带高灵敏度指向性换能器 |
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| CN 85103020 CN85103020B (zh) | 1985-04-18 | 1985-04-18 | 水声用宽频带高灵敏度指向性换能器 |
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