DK163784B - Indretning til en piezoelektrisk hydrofon og fremgangsmaade til fremstilling af en saadan indretning - Google Patents

Description

DK 163784 B

Den foreliggende opfindelse vedrører en indretning til en piezoelektrisk hydrofon med et ydre beskyttende hylster, i hvilket der er monteret et vandtæt lukket hus med to modstående og indbyrdes parallelle membranplader, på hvis in-5 dersider der er fastgjort respektive piezoelektriske krystaller, der på yderfladerne er belagt med metal, og i hvilken enhed forbindelsesledninger er ført ud af huset gennem dets centrale hule del.

Opbygningen af hydrofoner på den ovenfor beskrevne måde 10 kendes, og konstruktioner af denne type er fx beskrevet i US-patentskrift nr. 3.255.431 og USA-patentskrift nr.

3.970.878. X det førstnævnte USA-patentskrift er beskrevet en udformning, hvor der benyttes en støttering, på hvilken der er lagt et membranpiadeelement og et piezoelektrisk 15 element på hver side. I princippet kan det piezoelektriske element være placeret på såvel indersiden som ydersiden af membranpladen. Fra disse elementer fører der elektriske ledninger, og hele konstruktionen er monteret i et hus. 1 USA-patentskrift nr. 3.970.878 er beskrevet en anden ud-20 førelsesform for en hydrofon, hvor der i princippet benyttes den samme opbygning. Hovedvægten er i dette USA-patentskrift lagt på tætningen af selve hydrofonelementet, så at væske eller vand udefra ikke kan trænge ind i elementet, og så at væsken eller vandet heller ikke kan komme i kontakt 25 med de piezoelektriske krystaller. I denne forbindelse har den vigtigste udførelsesform en konstruktion, hvor huset dannes af to metalhalvdele, der loddes sammen langs en flange, og hvor de elektriske ledninger er ført ud gennem glasisolationselementer. En speciel udførelsesform i denne 30 forbindelse består i, at husets midterste del er fremstillet helt af glas, der er limet sammen eller på anden måde forbundet med metalpladerne, som udgør husets sidevægge. I en sådan udførelsesform kan der opstå tætningsproblemer i fugekanterne.

DK 163784 B

2

Hydrofoner af denne type benyttes i vid udstrækning som modtagerindretninger ved seismiske undersøgelser, idet de til brug ved målinger til søs placeres i en såkaldt "streamer", hvor de er placeret inde i et kabel, der kan være 5 fyldt med en speciel væske, såsom kerosin, eller hvor de kan være udsat direkte for sø- eller havvand. Det er derfor af stor betydning, at det piezoelektriske krystalelement ikke udsættes for påvirkning fra den omgivende væske. Hy-drofonen ifølge USA-patentskrift nr. 3.255.431 vil ikke 10 tilfredsstille disse krav, da der blandt andet vil opstå lækageproblemer i ledningsgennemføringerne. I USA-patentskrift nr. 3.970.878 er der taget specielt hensyn til dette punkt. Der er også i dette USA-patentskrift beskrevet muligheden for at gøre hydrofonen sikker ved overtryk, idet 15 muligheden for montering af et afstandselement eller et trykoptagende element inde i hydrofonhuset er beskrevet.

USA-patentskrift nr. 4.336.639 beskriver en fremgangsmåde til fremstilling af en piezoelektrisk hydrofon, hvor piezo-krystallerne monteres på en membranplade ved hjælp af elek-20 trisk ledende lim.

Udviklingen har imidlertid i den seneste tid ført til, at der stilles stadig større krav til hydrofonernes kvalitet, hvilket også er forstærket af udviklingen af digitale kabelsystemer til brug ved maritime seismiske undersøgelser.

25 Sådanne hydrofoner bør have en nøjagtighed på ca. 2%, mod tidligere 5%, i henseende til spændings- og ladningsfølsomhed. Dette er for at opnå bedst mulig datakvalitet før den datareduktion, som finder sted i forbindelse med summation af enkelthydrofoner i en hydrofongruppe.

30 Endvidere gælder, at sådanne hydrofoner benyttes i et stort antal ved seismiske undersøgelser, så det er væsentligt, at prisen for sådanne produkter er så lav som mulig. Det er desuden vigtigt, at de er pålidelige og driftssikre.

DK 163784 B

3

Det er derfor et formål med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en hydrofonkonstruktion, der er enkel og billig at fremstille, som er driftssikker, og som har et hus, der er tæt i forhold til omgivelserne, og som giver en så 5 god følsomhed som muligt. Hydrofonen skal desuden kunne tåle store statiske tryk.

Disse formål opnås med en hydrofon, der er ejendommelig ved det i krav 1 angivne.

Ved konstruktionen af hydrofonen ifølge den foreliggende 10 opfindelse er der også taget hensyn til den videreudvikling af digitalteknikken og den miniaturisering af komponenter, som finder sted i dag, så at hydrofonen ifølge opfindelsen er udformet med henblik på at give mulighed for at montere elektroniske komponenter med signalforstærkende eller sig-15 nalbehandlende funktioner inde i hydrofonen. På denne måde vil det være muligt at sammenbygge flere elementer, der er afstemt i forhold til hinanden, eller at foretage en justering og finindstilling af enkelthydrofonerne, så at disse kan afstemmes i forhold til hinanden i en streamerrække.

20 Ved konstruktionen af hydrofonen ifølge opfindelsen er der også givet mulighed for prøvning før den endelige færdigmontering, så at det bliver muligt at kontrollere driftssikkerheden .

Opfindelsen angår også en fremgangsmåde til fremstilling af 25 en piezoelektrisk hydrofon ifølge opfindelsen, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved det i krav 9 angivne.

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret under henvisning til tegningen, der viser en udførelsesform for opfindelsen, og på hvilken 30 fig. 1 viser et snit gennem en hydrofon ifølge opfindelsen, hvor det ydre beskyttende hylster er fjernet, og fig. 2 en skitse af en hydrofon ifølge opfindelsen med det beskyttende hylster.

DK 163784 B

4

Hydrofonen ifølge opfindelsen har et ydre hylster, der i fig. 2 er angivet med henvisningsbetegnelsen 1, og som fordelagtigt kan være fremstillet af messing. Dette ydre hylster har til opgave at beskytte hydrofonen mod ydre me-5 kaniske påvirkninger og at forenkle placeringen af hydrofonen samtidigt med, at den giver en fiksering af tilslutningen, dvs. ledningsføringen, således som det vil blive nærmere forklaret nedenfor. Det aktive hydrofonelement er udformet som et væsketæt forseglet hus, der under ét er 10 angivet med henvisningsbetegnelsen 2 i fig. 1 og 2. I den viste udførelsesform har huset en cirkulær cylindrisk form.

Dette hus 2 er monteret i hydrofonhylsteret 1, der til dette formål har en elliptisk tværsnitsform og en cylinderlængde, så at hele huset 2 kan placeres inde i hylsteret 1.

15 Huset 2 klemmes ganske enkelt fast i hylsteret 1, idet det bringes til at ligge an mod fleksible plastpakninger, som er limet fast i hylsteret 1. Dette fastholdende plastelement kan fx være fremstillet af "Hytrell" med en tykkelse på 1 mm, idet hydrofonen fastholdes af friktionskræfter.

20 Dette giver en meget simpel montering og fastholdelse af husdelen 2.

Huset 2 består af to ydre membranplader, der i den viste udførelsesform er cirkelformet, og som fordelagtigt er fremstillet af berylliumkobber. Brugen af dette materiale 25 er velkendt inden for dette område. Mellem disse to membranplader, som på tegningen er angivet med henvisningsbetegnelsen 3, er der monteret et keramisk isolerende materiale i form af et ringformet element, hvis nærmere konstruktion vil blive beskrevet nedenfor. Den centrale 30 ringformede del 6 er fremstillet af aluminiumoxid AI2O3 med stor renhedsgrad. Materialet er fortrinsvis et aluminiumoxid, der er brændt ved 1800°C, så at der opnås en renhed på mere end 85% og specielt fordelagtigt 96%. Materialet har såkaldt tykfilmkvalitet og giver mulighed for en god 35 metallisering af overfladen.

DK 163784 B

5 På indersiden af membranpladerne 3 er der ved hjælp af en elektrisk ledende lim fastgjort piezoelektriske ledende krystalelementer, der har sølvelektroder eller polflader vendende mod membranpladen og den modstående side.

5 Inde i den centrale ringformede del 6's hulrum er der monteret to afstivningselementer 8, som blandt andet udgør en tryksikring af hydrofonen.

Hydrofonen fremstilles på følgende måde: Først fremstilles enkeltelementerne, som skal benyttes ved 10 fremstillingen af hydrofonen ifølge opfindelsen. Piezoelektriske krystaller udstyres med elektroder eller poler på begge sider ved påføring af en sølvbelægning. Der fremstilles endvidere membranplader med cylindrisk form af berylliumkobber (BeCu).

15 Den centrale del 6 af huset fremstilles i to dele, idet der først fremstilles to ringformede elementer, som i fig. 1 er angivet med henvisningsbetegnelsen 7 og har den viste tværsnitsform, af aluminiumoxid (AI2O3) med en renhedsgrad på 96%. Der fremstilles endvidere to afstandsstykker 8 med den 20 i fig. 1 viste form. I disse afstandsstykker er der udformet et gennemgående hul, som på tegningen er angivet med henvisningsbetegnelsen 14.

Disse afstandsstykker fremstilles af det samme materiale som den centrale ringformede del 7, dvs. af rent aluminium-25 oxid. Delene 7 og 8 metalliseres i de områder, der er angivet med ujævn streg i fig. 1.

Endvidere fremstilles hydrofonhylsteret af messing med friktionsfastgørelsesplader til huset 2, således som det er forklaret ovenfor.

30 Hver membranplade 3 loddes derefter fast til en aluminiumsoxidring 7 via metalliseringen 11 ved sammenpresningen under en temperaturforøgelse. Efter at disse to dele er sat

DK 163784 B

6 sammen, limes det piezoelektriske krystalelement til membranpladen 3 i den centrale del ved brug af en ledende sølvlim. Det er her nødvendigt med en nøjagtig placering, så at der for alle krystaller kan opnås samme montering.

5 Derefter limes afstands-afstivningselementet 8 fast i et fremspring 13 på den centrale ring 7, således som det er vist på tegningen. Herved indstilles afstanden til krystallen 4 nøjagtigt.

Det næste fremstillingstrin består i tilvejebringelse af en 10 forbindelse fra den piezoelektriske krystal 4 til metalliseringen på afstivningselementet og metalliseringen 11 på den centrale ringformede del. Til denne forbindelse benyttes der en guldtråd, der føres gennem hullet 14 i afstivningsdelen 8, og som fastgøres til krystallen fx ved hjælp 15 af ultralydsfastgørelsesteknik. Den anden ende af guldtråden loddes på konventionel måde til et af de to metalliseringsområder. Derefter sættes to sådanne "halve" hydrofoner sammen til en enhed, dvs. til en husdel. Dette gøres ved at lægge de to metalliseringsflader 11 mod hinanden, hvorefter 20 der foretages en lodning i fugen på ydersiden ved opvarmning, så at metalliseringen smelter sammen. Derefter fastgøres der forbindelsestråde til de to membranplader og til den centrale lodning, og disse tråde føres sammen til en ledning, hvorefter huset 2 anbringes ved friktionsfast-25 gørelse i hylsteret 1. Før samlingen af de to halvdele kan hver enkelt hydrofonelement testes for at kontrollere elementets kvalitet. En sådan prøvning af hver enkelt halvdel kan også foretages efter samling af den færdige hydrofon. Herved skal ledningsføringen fra piezokrystaller-30 nes indre poler være ført sammen via metalliseringen 11 i midterdelen og til lodningen 5 i den keramiske rings centrum, medens de to membranplader kan forbindes med hinanden ved hjælp af en ydre ledning, således som det er vist i fig. 1. Ledningerne fra de to membranplader og fra midter-35 kontaktringen kan i stedet føres som separate ledninger til en ledning, der fører fra hydrofonen, hvorefter de to ledninger fra membranpladerae efter kontrol af halvdelenes

DK 163784B

7 funktion kan loddes sammen til en ledning uden for hylsteret 1. En sådan løsning er antydet i fig. 2.

Som det fremgår af fig. 1, vil der mellem de to afstivningsplader 8 være et mellemrum. I dette mellemrum kan der 5 anbringes signalforstærkende eller signalbehandlende elektroniske elementer. Ved anbringelsen af sådanne elektroniske forstærkningselementer og lignende i hydrofonens midterste del vil man kunne tilvejebringe den nødvendige elektriske kontakt til disse elementer ved at udforme den cen-10 trale del 6 ikke blot af to ringformede elementer 7, men ved at samle den centrale del af tre eller endog flere sådanne elementer, der alle i kontaktfladerne, der vender mod hinanden, har et metalliseringslag, og som er loddet sammen langs ydersiden.

Claims (10)

1. Indretning til en piezoelektrisk hydrofon og med et ydre beskyttende hylster (1), i hvilket der er monteret et vandtæt lukket hus (2) med to modstående og indbyrdes parallel- 5 le membranplader (3), på hvis inderside der er fastgjort respektive piezoelektriske krystaller (4), som på yderfladerne er belagt med metal, og i hvilken enhed forbindelsesledningerne er ført ud af huset gennem den centrale hule del (6) af huset, 10 kendetegnet ved, a) at husets centrale del (6) er fremstillet af mindst to sammensatte keramiske elementer (7), der er sammenføjet langs et med membranpladerne parallelt plan, og som i forbindelsesområderne (9, 10) mod hinanden har en metalli- 15 sering (11), b) at der i de to elementers (7) respektive hulrum (12) er indsat en afstivende keramisk skive (8), der er fastgjort til elementerne (7) ved hjælp af fremspring (13), der passer sammen, og 20 c) at de piezoelektriske krystallers (4) indefter vendende poler er forbundet ledende med metalliseringen i elementernes (7) forbindelsesplan via en yderligere ledningsforbindelse (5) fra metalliseringen (11) på ydersiden, medens krystallernes (4) udefter vendende poler er koblet sammen 25 på ydersiden af huset (2) via membranpladerne (3).

2. Indretning ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der som keramisk materiale er benyttet AI2O3 med en renhedsgrad på mere end 85%, fortrinsvis ca. 96%.

3. Indretning ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at de keramiske elementer (7) ved sammenføjningsplanet har en afrundning på begge sider, og at metalliseringen (11) er påført langs afrundingen. DK 163784 B

4. Indretning ifølge et hvilket som helst af kravene 1-3, kendetegnet ved, at den fuge, som dannes af afrundingen til de to elementer (7) på ydersiden, er fyldt med et sammeloddende materiale, fortrinsvis loddetin.

5. Indretning ifølge et hvilket som helst af kravene 1-4, kendetegnet ved, at afstivningsskiverne (8) hver har et gennemgående hul (14) tæt ved periferien og på den side, som vender bort fra krystallen (4), har en metallisering, der er elektrisk forbundet (17) med en tilstødende 10 metallisering på det keramiske element (7).

6. Indretning ifølge krav 5, kendetegnet ved, at inderfladen på hver krystal (4) via en ledning (5), fortrinsvis en guldtråd, er forbundet med metalliseringen (11) enten på afstivningsskiven (8) 15 eller det keramiske element (7) via det gennemgående hul (14).

7. Indretning ifølge et hvilket som helst af kravene 1-6, kendetegnet ved, at det keramiske element (7), skiven (8) og membranpladen (3) er cirkelformede.

8. Indretning ifølge et hvilket som helst af kravene 1-7, kendetegnet ved, at hylsteret (1) er en ellipseformet cylinder, der fastholder huset via en foring (15).

9. Fremgangsmåde til fremstilling af en piezoelektrisk hydrofon ifølge krav 1 af den art, der har en metalbelagt 25 piezokrystal (4), der ved hjælp af en elektrisk ledende lim er monteret på den ene side af en membranplade (3), kendetegnet ved, at et keramisk ringformet element (7), der er belagt med en metallisering (11) på den side, som vender udefter, loddes fast til membranpladens 30 periferi, hvorefter en keramisk afstivningsskive (8) med et gennemgående hul (14) fastgøres i et fremspring (13) i det ringformede element (7), idet der gennem hullet fastgøres en ledning (5) til krystallens metalbelægning, hvilken led- DK 163784 B ning endvidere danner elektrisk kontakt med metalliseringen på den side, som vender bort fra membranpladen (3), af det ringformede element (7), og at to sådanne elementer efter separat prøvning føjes sammen til et forseglet hus (2), som 5 efter tilslutning af de nødvendige tilslutningsledninger fastgøres i en hydrofonkappe (1).

10. Fremgangsmåde ifølge krav 9, kendetegnet ved, at sammenføjningen af de metalliserede flader (11), lodning etc., foretages ved opvarm-10 ning og afkøling på i og for sig kendt måde.