專利名稱：拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聲納和海洋地球物理勘探領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種水聲換能器。
背景技術(shù)：
拖曳線列陣由于具有低而寬的工作頻帶(幾赫茲至幾千赫茲)、極大的工作孔徑(百米至上千米)和靈活方便的收放方式，在遠(yuǎn)程探測聲納和海洋地球物理勘探中起著重要作用。構(gòu)成拖曳線列陣的拖曳線列陣元(基元)——水聽器是實(shí)現(xiàn)拖曳線列陣的關(guān)鍵器件，它的尺寸、性能和抗靜壓能力對(duì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測聲納的優(yōu)異戰(zhàn)技指標(biāo)和提高海洋地球物理勘探能力至關(guān)重要。
目前在拖曳聲納和海洋地球物理勘探中使用的陣元主要有彎曲圓片形和圓環(huán)形兩種。彎曲圓片形陣元是在彎曲疊片換能器研究(Wollett.R.S Theory OfPiezoelectric Flexural Disk Transducer With Application To UnderwaterSound PB 154257)的基礎(chǔ)上演變出的一種常用拖曳線列陣陣元。該種陣元的優(yōu)點(diǎn)是體積較小容易實(shí)現(xiàn)小形化，具有較高的接收靈敏度和一定的帶寬，致命的弱點(diǎn)是耐靜水壓能力差，僅適宜在50米以內(nèi)的淺海使用。
圓環(huán)形陣元(Patent，U.S.，4205954，1980，5)是在常用的圓環(huán)水聽器基礎(chǔ)上發(fā)展的一種拖曳線列陣陣元，它具有一定的接收靈敏度和較寬的工作帶寬，特別是它具有很好的抗靜壓能力，但是圓環(huán)形陣元體積尺寸較大(所構(gòu)成的拖曳線列陣就較粗)、阻抗過高給傳輸匹配帶來一定困難，目前在大型水面艦艇拖曳聲納中被采用。
隨著作戰(zhàn)需求的發(fā)展和海洋地球物理勘探向深海擴(kuò)展的需求，迫切需要一種具有較高接收靈敏度、很寬工作頻帶和能在幾百米水下工作的較細(xì)外徑拖曳線列陣，因此發(fā)明小型耐靜壓力水聽器是實(shí)現(xiàn)上述需求的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決目前在拖曳聲納和海洋地球物理勘探中需求的小型、寬帶、高靈敏度并適于深海使用的陣元問題，從而提供一種拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，包括外殼、密封透聲膠、上端蓋、下端蓋、壓電陶瓷元件，其特征在于，還包括一中支撐環(huán)，所述壓電陶瓷元件是兩個(gè)電容量一致(電容量一致性≤±7.5％)的電極分段的徑向極化壓電陶瓷圓管；所述的兩個(gè)陶瓷圓管同軸排列，按電極串聯(lián)方式安裝在中支撐環(huán)上；上端蓋、下端蓋分別安裝在兩個(gè)陶瓷圓管的上下端；兩個(gè)電極柱牢固安裝在上端蓋上；所述中支撐環(huán)、上端蓋、下端蓋均與陶瓷圓管進(jìn)行粘接，形成一整體的封閉結(jié)構(gòu)；所述封閉結(jié)構(gòu)外包敷一層密封透聲膠，在密封透聲膠外安裝一金屬外殼。
上述技術(shù)方案中，所述徑向極化壓電陶瓷圓管內(nèi)壁具有兩個(gè)分段電極，其中一為正電極，一為負(fù)電極，兩個(gè)分段電極間的間隙為1mm。
上述技術(shù)方案中，所述上端蓋、下端蓋、中支撐環(huán)均由環(huán)氧玻璃棒制造。
上述技術(shù)方案中，所述密封透聲膠是利用模具進(jìn)行硫化處理后形成的水密和透聲包敷層。
上述技術(shù)方案中，所述的兩個(gè)徑向極化壓電陶瓷圓管，其位于中支撐環(huán)兩端的相鄰的正負(fù)電極用細(xì)導(dǎo)線連接，另外兩個(gè)電極分別連在電極柱上。
上述技術(shù)方案中，所述徑向極化壓電陶瓷圓管，其長為5至15mm，內(nèi)徑為2至5mm，應(yīng)采用接收型鋯鈦酸鉛壓電陶瓷配方和生產(chǎn)工藝(如PZT-5)制造壓電陶瓷圓管。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是a)本發(fā)明的陣元由兩個(gè)壓電靈敏元件，兩種8個(gè)機(jī)加工件組成。本發(fā)明中的壓電靈敏元件是電極分段的徑向極化壓電陶瓷圓管，其他機(jī)加工件是一個(gè)銅外殼、一對(duì)銅上下蓋板、一對(duì)銅電極柱和用玻璃環(huán)氧材料制造的一對(duì)上下端蓋及一個(gè)中支撐環(huán)。陣元的安裝和調(diào)試工藝易行，所需工裝模具少，每一步具有可控制性和可檢查性，可以保證高產(chǎn)品合格率。
b)具有可以控制的工作帶寬、接收電壓靈敏度和耐靜壓能力，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。
本陣元的尺寸、工作帶寬、接收電壓靈敏度和耐靜壓能力都與電極分段的徑向極化圓管的內(nèi)外半徑(a、b)和長度l相關(guān)，具有成熟準(zhǔn)確的計(jì)算方法，通過綜合調(diào)整圓管的內(nèi)半徑a、外半徑b和長度l可以設(shè)計(jì)出滿足不同要求的陣元。
c)性能穩(wěn)定可靠。
在對(duì)壓電靈敏元件進(jìn)行老化處理后組裝的陣元使用3年后復(fù)測其主要性能指標(biāo)變化≤±1dB。


圖1是本發(fā)明中電極分段的徑向極化圓管示意圖；圖2是本發(fā)明中的小型耐靜壓力水聽器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中的小型耐靜壓力水聽器外殼安裝示意圖；圖4是本發(fā)明中的小型耐靜壓力水聽器完整結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。
小型耐靜壓力水聽器是以徑向極化壓電陶瓷圓管為基本元件構(gòu)成的一種新型拖曳陣元，它的結(jié)構(gòu)如圖2、3所示。兩個(gè)如圖1所示的電極分段的徑向極化壓電陶瓷圓管是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用電極分段的目的是為了在減小徑向極化壓電陶瓷圓管尺寸的同時(shí)提高陣元的接收靈敏度，工作帶寬。陣元的尺寸、工作帶寬、接收電壓靈敏度和耐靜壓能力都與電極分段的徑向極化圓管的內(nèi)外半徑(a、b)和長度l相關(guān)，具有成熟準(zhǔn)確的計(jì)算方法，通過綜合調(diào)整圓管的內(nèi)半徑a、外半徑b和長度l可以設(shè)計(jì)出滿足不同要求的陣元。
如圖2、3所示，制造一批小尺寸耐靜壓力水聽器(陣元)。該批陣元采用“PZT-5”型壓電陶瓷材料制造電極分段的徑向極化圓管(如圖1所示)，每個(gè)陣元采用兩個(gè)徑向極化圓管，分別稱為上壓電圓管4、下壓電圓管6，一般來說，本發(fā)明所采用的壓電圓管長5至15mm，內(nèi)徑為2至5mm，其分段電極的間隙為1至2mm，在本實(shí)施例中，壓電圓管的外半徑a為5mm，內(nèi)半徑b為4.2mm，長度l為10mm，分段電極間隙d為1mm。要求圓管的壓電系數(shù)d33≥420，兩個(gè)圓管電容量一致性控制在±7.5％之內(nèi)。采用環(huán)氧玻璃棒制作上端蓋2、下端蓋7和中支撐環(huán)5，使用前進(jìn)行清潔和加溫處理?？梢圆捎铆h(huán)氧樹脂粘結(jié)工藝或其他方法將第一電極柱1和第二電極柱9安裝在上端蓋2上。外殼10由兩端帶凹臺(tái)的外圓殼和帶孔的上下蓋板組成，外殼的外徑為15mm、內(nèi)徑為14.4mm，長度30mm，上下蓋板厚0.4mm，全部用黃銅材料制造。對(duì)于工作頻率上限超過5kHz的陣元可以在外圓殼壁上采取打排孔的措施，以便減少高頻傳輸損失。密封透聲膠3(即硫化“水密和透聲包敷層”)采用JA-S澆注型聚氨脂透聲橡膠材料及相關(guān)工藝。
將準(zhǔn)備好的元器件按以下順序裝配(1)在上壓電圓管4的正電極下部和負(fù)電極中部各焊一根30mm長七芯細(xì)導(dǎo)線，在下壓電圓管的負(fù)電極中部焊一根50mm長七芯細(xì)導(dǎo)線。
(2)將上壓電圓管的負(fù)電極導(dǎo)線穿過中支撐環(huán)焊在下壓電圓管的正電極上，下壓電圓管6的負(fù)電極導(dǎo)線穿過中支撐環(huán)5，在中支撐環(huán)5臺(tái)階上抹膠(如常溫環(huán)氧粘結(jié)劑)壓緊上下壓電圓管。
(3)將上下壓電圓管的正負(fù)電極引線纏繞焊接在上端蓋的電極柱下端，上下端蓋臺(tái)階抹膠與上下壓電圓管的兩端壓緊，為使焊點(diǎn)牢固，所有焊點(diǎn)應(yīng)采取保護(hù)措施。
(4)對(duì)安裝完畢并已固化的準(zhǔn)“陣元”進(jìn)行電容量和絕緣電阻檢查，合格者清洗表面后待用。
(5)將準(zhǔn)“陣元”裝入模具，按“JA-S澆注型聚氨脂透聲橡膠”相關(guān)工藝進(jìn)行澆注。脫模后檢查硫化層是否均勻無氣泡，合格者修毛邊后待用。
(6)將硫化后的準(zhǔn)“陣元”裝入外圓銅殼，在支撐點(diǎn)點(diǎn)膠固化后安裝上下蓋板并將兩端壓死。注意陣元要安放固定在外圓殼中間部位，不要使電極柱與上蓋板接觸。
(7)性能檢測①用100V搖表測量電極間及正負(fù)電極對(duì)外殼的絕緣電阻。
②用電容表測量電極間的電容量。
③采用國家標(biāo)準(zhǔn)“GB 7965-87水聲水聲換能器測量”和“GB 4130-84水聽器低頻校準(zhǔn)方法”測試陣元的工作頻帶、接收電壓靈敏度響應(yīng)和耐靜壓能力。
④采用震動(dòng)臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)測量陣元的加速度靈敏度響應(yīng)。
⑤采用相位計(jì)在均勻聲場中測量陣元的相位差。
按上述發(fā)明制造了一批小尺寸耐靜壓力水聽器(陣元)，測量結(jié)果如下
①電極間及正負(fù)電極對(duì)外殼的絕緣電阻≥200MΩ。
②電容量C。＝515±25pf③工作頻率范圍5Hz-20kHz接收電壓靈敏度M＝-189±1dB(0dB＝1V/μPa；5-2000Hz)M＝-189±1.5dB (0dB＝1V/μPa；5-20000Hz)④陣元承靜壓能力≥5Mpa；接收靈敏度隨壓力變化≤±0.5dB(4Mpa以內(nèi))陣元的加速度靈敏度響應(yīng)≤-50dB(0dB＝1V/g；10-5000Hz)。
⑤各陣元間的相位差≤±1.5°各陣元間的靈敏度一致性≤±1.5dB⑥外形尺寸φ15×30mm⑦投入225套小尺寸耐靜壓力水聽器(陣元)元器件，制造完成后經(jīng)檢測合格品為203件，合格率90％。
用本發(fā)明制造的小尺寸耐靜壓力水聽器(陣元)裝配出內(nèi)置75個(gè)陣元，外徑φ37mm或φ45mm，100米長的拖曳線陣并在海上試驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
權(quán)利要求
1.一種拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，包括外殼、密封透聲膠、上端蓋、下端蓋、壓電陶瓷元件，其特征在于，還包括一中支撐環(huán)；所述壓電陶瓷元件是兩個(gè)電容量一致的電極分段的徑向極化壓電陶瓷圓管；所述的兩個(gè)陶瓷圓管同軸排列，按電極串聯(lián)方式安裝在中支撐環(huán)上；上端蓋、下端蓋分別安裝在兩個(gè)陶瓷圓管的上下端；兩個(gè)電極柱安裝在上端蓋上；所述中支撐環(huán)、上端蓋、下端蓋均與陶瓷圓管進(jìn)行粘接，形成一整體的封閉結(jié)構(gòu)；所述封閉結(jié)構(gòu)外包敷一層密封透聲膠，在密封透聲膠外安裝一透聲屏蔽外殼。
2.按權(quán)利要求1所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特征在于，所述徑向極化壓電陶瓷圓管內(nèi)壁具有兩個(gè)分段電極，其中一為正電極，一為負(fù)電極。
3.按權(quán)利要求2所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特征在于，所述兩個(gè)分段電極間的間隙為1至2mm。
4.按權(quán)利要求1所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特征在于，所述上端蓋、下端蓋、中支撐環(huán)均由環(huán)氧玻璃棒制造制造。
5.按權(quán)利要求1所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特征在于，所述密封透聲膠是利用模具進(jìn)行澆注并硫化處理后形成的水密和透聲包敷層。
6.按權(quán)利要求1、2或3所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特征在于，所述的兩個(gè)徑向極化壓電陶瓷管，其位于中支撐環(huán)兩端的相鄰的正負(fù)電極用細(xì)導(dǎo)線連接，另外兩個(gè)電極分別連在電極柱上。
7.按權(quán)利要求1、2或3所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特征在于，所述徑向極化壓電陶瓷圓管，其長為5至15mm，內(nèi)徑為2至5mm。
8.按權(quán)利要求1、2或3所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特征在于，所述徑向極化壓電陶瓷圓管，采用接收型鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料制作的。
全文摘要
本發(fā)明屬于聲納和海洋地球物理勘探領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種水聲換能器，包括外殼、密封透聲膠、上端蓋、下端蓋、中支撐環(huán)、壓電陶瓷元件，其特征在于，所述壓電陶瓷元件是兩個(gè)電容量一致的電極分段的徑向極化壓電陶瓷圓管；所述的兩個(gè)陶瓷圓管同軸排列，按電極串聯(lián)方式安裝在中支撐環(huán)上；上端蓋、下端蓋分別安裝在兩個(gè)陶瓷圓管的上下端；兩個(gè)電極柱牢固安裝在上端蓋上；所述中支撐環(huán)、上端蓋、下端蓋均與陶瓷圓管進(jìn)行粘接，形成一整體的封閉結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是具有可以控制的工作帶寬、接收電壓靈敏度和耐靜壓能力，性能穩(wěn)定可靠；同時(shí)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，產(chǎn)品合格率高，生產(chǎn)成本低。
文檔編號(hào)G01S15/00GK1892248SQ20051008034
公開日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月1日
發(fā)明者解寶興, 高俊琴, 李俊寶, 李宗杰 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所