專利名稱：一種深水超寬帶球形換能器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及聲學探測領域，具體地，本發(fā)明涉及深水超寬帶球形換能器。
背景技術(shù)：
聲學換能器被稱為聲學儀器的神經(jīng)，在水聲探測、石油勘探等領域都有著十分重要的應用，換能器性能的穩(wěn)定直接決定了整個聲學系統(tǒng)性能的穩(wěn)定，性能的優(yōu)劣直接決定了整個儀器系統(tǒng)的好壞。然而換能器常常需要直接暴露在惡劣的使用環(huán)境中，其又是整個儀器中最容易受到損害的部分。以深海勘探的換能器為例，地球上海洋的平均深度達到3700多米，其中最深的地方深度達到11000多米，如果換能器工作在海洋的平均深度的話，換能器表面要承受370個大氣壓的壓力，這么大的靜水壓力會使大部分的換能器失效或者損壞。而在聲學換能器應用的另外一個重要領域石油測井里，其工作的環(huán)境會更加苛刻。自從100多年前工業(yè)革命以來，地球上的石油被不斷地開采，如今地球上儲層淺的石油已 經(jīng)基本被開采完畢，人類不得不向更深的地層尋找石油，資料表明世界上如今鉆探得最深的井孔已經(jīng)達到12600多米，而且這一數(shù)據(jù)還在不斷被刷新。鉆探過程中井孔內(nèi)充滿了比水密度還大的泥漿，這樣的井孔內(nèi)的靜壓力將是一個驚人的數(shù)字。如何設計使聲學換能器有效地工作在大的靜水壓力下將是一個非常具有挑戰(zhàn)性的工作。寬帶性能是換能器的另外一個十分重要的技術(shù)指標。寬帶使換能器的一次發(fā)射和接收包含了更多的信息量，減少了信號的失真，為后期的信號處理提供了更詳細的信號細節(jié)。水聲通信應用中，在寬頻帶上對信號進行調(diào)制，能夠同時傳遞更多的信息量，提高通信的效率；對信號進行編碼可以有很好地提高信息傳遞的可靠性；對信號進行加密能夠提高通信的保密性能。聲成像應用中，寬頻帶的反射信號包含了更多的信息量，有利于提高圖像的分辨率；水聲對抗中，利用寬帶聲源可以在整個頻段范圍內(nèi)對對方信號進行跟蹤和干擾，同時又能夠有效的抵抗對方的干擾，提升了攻擊武器的命中率也同時提升了自身的生存能力。常見的深水換能器設計方案主要分為以下幾種壓力平衡、壓力釋放、壓力補償?shù)?。壓力平衡是通過結(jié)構(gòu)設計使陶瓷處于受力平衡狀態(tài)，陶瓷內(nèi)部各點只存在正壓應力而沒有拉伸應力和剪切應力，其主要的表現(xiàn)形式有溢流和充油；壓力釋放主要是指利用耐壓殼體或者去耦材料釋放壓力來達到保護陶瓷元件的目的，采用此類設計方案的時候需要注意附加結(jié)構(gòu)對換能器聲學性能的影響；壓力補償是當工作表面產(chǎn)生壓差的時候在工作面一側(cè)引入補償壓力以實現(xiàn)壓力平衡。這種方法主要運用在動圈式的換能器上，常見的此類型換能器如美國海軍標準型J系列。其中壓力補償又可分為主動壓力補償和被動壓力補償兩類。被動補償具有實時補償?shù)膬?yōu)點，然而其所載的補償氣體的數(shù)量限制了其工作深度。主動壓力補償利用儲氣罐裝載更多的補償氣體而使換能器能夠工作在更深的水域。換能器的寬帶設計方法有很多種，從本質(zhì)上來說主要可以分為兩類第一種為降低結(jié)構(gòu)的機械品質(zhì)因數(shù)。機械品質(zhì)因數(shù)與換能器的帶寬成反比的關系，因此換能器如果減少換能的質(zhì)量抗或者增加換能器的力阻都有利于換能器帶寬的展開。另一種更常見的帶寬拓展方法是利用多模態(tài)疊加展寬帶寬。比如=Tonpilz換能器頭質(zhì)量塊的縱彎耦合；Tonpilz換能器頭質(zhì)量塊上鋪設一層柔性介質(zhì)形成的縱振動和匹配層耦合；溢流圓管的徑向振動和液腔的稱合振動Janus換能器和Helmholtz諧振腔復合形成的縱振動和諧振腔耦合；Hybrid型換能器中壓電元件和磁致伸縮元件共同激發(fā)耦合形成的模態(tài)；同時激發(fā)結(jié)構(gòu)基礎I旲態(tài)和聞階I旲態(tài)等等。通常通過上述的帶寬拓展手段能夠?qū)崿F(xiàn)一個倍頻程左右的寬帶。然而隨著合成孔徑技術(shù)、高分辨率成像技術(shù)、水下通訊技術(shù)、寬頻帶干擾技術(shù)等的發(fā)展，一個倍頻程的帶寬已不能夠滿足工程中的需求，為了進一步地拓展帶寬，技術(shù)人員不得不采用更多模態(tài)的耦合來實現(xiàn)，比如縱振動-彎張-匹配層耦合等等。多模態(tài)的設計會導致?lián)Q能器的結(jié)構(gòu)更加復雜，設計過程中的不可控因數(shù)更多，設計成本越來越高。以往的換能器設計過程中經(jīng)常采用的是結(jié)構(gòu)的基礎模態(tài)，比如球、圓環(huán)的呼吸模態(tài)。而實際中，這些結(jié)構(gòu)存在著更多的工作模態(tài)，比如偶極子模態(tài)，四極子模態(tài)等等，如果能想辦法激發(fā)出這一系列的模態(tài)的話，通過這些模態(tài)的共同作用，將能夠有效地拓展換能器 的帶寬。而且這種設計思想中只需要對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的激勵方式進行改變，而不需要對結(jié)構(gòu)形式做大的改變，這也大大地降低了換能器的設計難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為了克服上述難題，提供了一種深水超寬帶球形換能器。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的深水超寬帶球形換能器包括壓電陶瓷球I、水密層4、穿孔螺釘7、去耦管8、電纜頭10和耐壓殼體；所述壓電陶瓷球I上沿豎直的中心軸上下開有兩導線孔，壓電陶瓷球I內(nèi)表面和外表面分別沿兩導線孔的圓周上設置有未覆蓋鍍銀層的隔離區(qū)，形成兩個獨立的半球電極；所述的穿孔螺釘7沿導線孔貫穿設于壓電陶瓷球1，穿孔螺釘7的底部引出的導線分別與兩個半球電極外表面的鍍銀層電聯(lián)接，其上部側(cè)面引出的導線，分別與兩個半球電極內(nèi)表面的鍍銀層電聯(lián)接。所述的穿孔螺釘7分別與壓電陶瓷球I上的上下兩導線孔之間設有第三去耦墊13。所述的耐壓殼體由內(nèi)而外依次包括柔順層2和耐壓層3 ;所述的柔順層2和耐壓層3采用不同的材料灌注，所述柔順層的材料參數(shù)的模量范圍為IXlO6Pa到IXlO11Pa ;所述的耐壓層的材料參數(shù)的模量范圍為IXlO8Pa到3X IO11Pa ;所述的耐壓層的材料參數(shù)的模量比所述的柔順層的材料參數(shù)的模量相差OPa到3X 10nPa。所述的柔順層2采用無機摻雜改性的環(huán)氧樹脂材料,其厚度為0. 5 6mm ;所述的耐壓層3采用金屬材料或澆注型環(huán)氧樹脂材料，其厚度為I. 5 50mm。所述的水密層4采用聚氨酯橡膠材料，其厚度為I 6mm。所述的壓電陶瓷球采用PZT系列壓電陶瓷球。所述的水密頭11采用硫化橡膠材料。所述的深水超寬帶球形換能器還包括在穿孔螺釘7上依次套設的第一去耦墊6、硅膠去耦管8和第二去耦墊9，該第一去耦墊6、硅膠去耦管8和第二去耦墊9均設置于電纜頭10灌注端內(nèi)，用于電纜頭10和陶瓷球I以及耐壓殼體之間的振動隔離。本發(fā)明為了克服深水靜壓的問題，使耐壓殼體對陶瓷球表面起到保護的目的，本發(fā)明中將耐壓殼體分為耐壓層和柔順層兩層，利用耐壓層釋放壓力載荷而利用柔順層釋放位移載荷，其只對耐壓殼體的強度有要求而對剛度沒有要求，因此可以選用模量較低的材料來設計耐壓層，從而降低了耐壓殼體的特性阻抗，便于聲波的透射；使該耐壓殼體釋放作用在陶瓷球表面的壓力，達到保護的目的。此外，本發(fā)明還采用獨立激勵的方法，分別對兩半陶瓷球加載激勵電壓，通過對電壓幅度和相位差的調(diào)整能夠有效地激發(fā)出陶瓷球的零階模態(tài)和所有奇次階模態(tài)，并且通過對幅度和相位的調(diào)整來控制各階模態(tài)的響應幅值，可以豐富的模態(tài)和可調(diào)的響應幅值能夠有效地拓展換能器的帶寬；同時，耐壓殼體以及水密層具有匹配層的功能，而且各階模態(tài)都有對應的匹配層模態(tài)都有不同，因此可以進一步地豐富換能器的工作模態(tài)，便于進一步地拓展換能器的帶寬，實現(xiàn)超寬帶發(fā)射，本發(fā)明的換能器的工作帶寬非常寬的(_6dB帶寬接近3個倍頻程)。本發(fā)明采用成合結(jié)構(gòu)設計耐壓殼體實現(xiàn)換能器的壓力釋放，同時利用耐壓殼體做·匹配層，實現(xiàn)帶寬拓展。進一步改變結(jié)構(gòu)的激勵方式，激勵出結(jié)構(gòu)的多階模態(tài)，拓展帶寬。本發(fā)明的優(yōu)點在于，本發(fā)明設計的換能器是一種能夠工作在大靜水壓力環(huán)境中的工作帶寬非常寬的(_6dB帶寬接近3個倍頻程)具有一定指向性的聲信號發(fā)生器和接收器；相對于其他深水工作的換能器來說，本發(fā)明的換能器具有設計結(jié)構(gòu)簡單的特點；深水環(huán)境中一部分壓力透過耐壓殼體作用到陶瓷球表面，相當于對其使加了預應力，便于換能器的大功率發(fā)射；本發(fā)明采用多層密封結(jié)構(gòu)，具有很好的水密性能，對一次性水密成功的要求低。


圖I為本發(fā)明深水超寬帶球形換能器中壓電陶瓷球I的驅(qū)動框圖；圖2為本發(fā)明的深水超寬帶球形換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為A半球球冠出測量到的發(fā)射電壓響應曲線。附圖標識I、壓電陶瓷球 2、柔順層 3、耐壓層4、水密層5、螺帽6、第一去耦墊7、穿孔螺釘8、去耦管 9、第二去耦墊10、電纜頭11、水密頭 12、電纜13、第三去耦墊
具體實施例方式下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的深水超寬帶球形換能器進行進一步的解釋說明。圖I中A、B分別代表兩個陶瓷半球。兩半陶瓷球采用不同相位的電壓分別進行激勵，激勵電壓之間的相位用相位控制器控制。圖2中a代表陶瓷半球A的內(nèi)電極，a'代表陶瓷半球A的外電極；b代表陶瓷半球B的內(nèi)電極，b'代表陶瓷半球B的外電極。
圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，該換能器包括壓電陶瓷球I、柔順層2、耐壓層3、水密層4、螺帽5、第一去耦墊6、穿孔螺釘7、去耦管8、第二去耦墊9、電纜頭10、水密頭U、電纜12、第三去耦墊13。壓電陶瓷球I選用PZT-5材料，尺寸為0 70mmX 0 78mm,陶瓷球兩端對稱開有兩導線孔，用于內(nèi)部電極的導出和陶瓷球的固定，孔徑為cMOmm。換能器中采用M6 X 113mm的穿孔螺釘7，螺釘內(nèi)孔孔徑為小4mm,距螺釘頭60mm處的螺釘壁上開側(cè)孔，孔徑為0 2mm,螺釘頭采用楔形結(jié)構(gòu)。換能器中第一去耦墊6、第二去耦墊9、第三去耦墊13以及去耦管8均采用硅橡膠制成。其中第一去率禹墊6和第二去率禹墊9厚度為Imm,去率禹管8采用8mmX 6mm的娃膠管。下面提供一種本發(fā)明的深水超寬帶球形換能器的制備方法。 步驟I):首先焊接內(nèi)外電極引線a、b、a'、b'。取穿孔螺釘7，套上一個第三去耦墊13，然后將陶瓷球I的內(nèi)壁電極引線a、b從穿孔螺釘7的側(cè)壁孔引入螺釘?shù)膬?nèi)孔，再套上另外一半的第三去耦墊13，然后將第三去耦墊13塞入陶瓷球I的開孔。步驟2):用丙酮仔細清理陶瓷球I表面，然后在陶瓷球I表面均勻灌注一層厚度為3mm的JA-2S聚氨酯橡膠作為柔順層2，在80°C溫度下固化8到12個小時，脫模清理。步驟3):在穿孔螺釘I上套上一個M6的螺帽5。步驟4):用丙酮清理柔順層2表面殘留的脫模劑殘留，然后在柔順層2的表面均勻灌注一層厚度為7_的618型環(huán)氧樹脂作為耐壓層3，在80°C溫度下固化8到12個小時，
脫模清理。步驟5):對電纜頭10兩端采用噴砂處理，然后清理待用。步驟6):將第一去耦墊6以及去耦管8放入電纜頭10的灌注端內(nèi)，然后在穿孔螺釘7上面套上第二去耦墊9，將穿孔螺釘7插入電纜頭10的灌注端。步驟7):用丙酮進一步清理耐壓層3以及電纜頭，將其置于灌注模具內(nèi)，一體灌注一層JA-2S聚氨酯橡膠作為水密層4，在80°C溫度下固化8到12個小時，脫模清理。步驟8):將陶瓷的電極引線跟四芯電纜12對接起來，采用平板硫化機對電纜頭和電纜12進行硫化水密，形成水密頭11。對上述換能器兩半陶瓷采用24度的相位差激發(fā)的的情況下可以實現(xiàn)近3個倍頻程的寬帶(響應起伏為±3dB)。如果定義A半球所載電壓相位領先于B半球的話，則圖3為A半球球冠處測量到的發(fā)射電壓響應曲線。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.一種深水超寬帶球形換能器，該換能器包括壓電陶瓷球(I)、水密層(4)、穿孔螺釘(7)、去耦管(8)、電纜頭(10)和耐壓殼體；其特征在于， 所述壓電陶瓷球(I)上沿豎直的中心軸上下開有兩導線孔，壓電陶瓷球(I)內(nèi)表面和外表面分別沿兩導線孔的圓周上設置有未覆蓋鍍銀層的隔離區(qū)，形成兩個獨立的半球電極； 所述的穿孔螺釘(7)沿導線孔貫穿設于壓電陶瓷球(I)，穿孔螺釘(7)的底部引出的導線分別與兩個半球電極外表面的鍍銀層電聯(lián)接，其上部側(cè)面引出的導線，分別與兩個半球電極內(nèi)表面的鍍銀層電聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深水超寬帶球形換能器，其特征在于，所述的穿孔螺釘(7)分別與壓電陶瓷球(I)上的上下兩導線孔之間設有第三去耦墊(13)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深水超寬帶球形換能器，其特征在于，所述的耐壓殼體由內(nèi)而外依次包括柔順層(2)和耐壓層(3);所述的柔順層(2)和耐壓層(3)采用不同的材料灌注，所述柔順層的材料參數(shù)的模量范圍為IXlO6Pa到I X IO11Pa;所述的耐壓層的材料參數(shù)的模量范圍為IXlO8Pa到3X IO11Pa;所述的耐壓層的材料參數(shù)的模量比所述的柔順層的材料參數(shù)的模量相差小于3X 10nPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的深水超寬帶球形換能器，其特征在于，所述的柔順層(2)采用無機摻雜改性的環(huán)氧樹脂材料，其厚度為0. 5 6mm ;所述的耐壓層(3)采用金屬材料或澆注型環(huán)氧樹脂材料，其厚度為I. 5 50mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深水超寬帶球形換能器，其特征在于，所述的水密層(4)采用聚氨酯橡膠材料，其厚度為I 6mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深水超寬帶球形換能器，其特征在于，所述的壓電陶瓷球(I)采用PZT系列壓電陶瓷球。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深水超寬帶球形換能器，其特征在于，所述的水密頭(11)采用硫化橡膠材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深水超寬帶球形換能器，其特征在于，該換能器還包括在穿孔螺釘(7)上依次套設的第一去耦墊(6)、硅膠去耦管(8)和第二去耦墊(9)，該第一去耦墊(6)、硅膠去耦管(8)和第二去耦墊(9)均設置于電纜頭(10)灌注端內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種深水超寬帶球形換能器。所述換能器包括壓電陶瓷球(1)、水密層(4)、穿孔螺釘(7)、去耦管(8)、電纜頭(10)和耐壓殼體；其特征在于，所述壓電陶瓷球(1)上沿豎直的中心軸上下開有兩導線孔，壓電陶瓷球(1)內(nèi)表面和外表面分別沿兩導線孔的圓周上設置有未覆蓋鍍銀層的隔離區(qū)，形成兩個獨立的半球電極；所述的穿孔螺釘(7)沿導線孔穿設于壓電陶瓷球(1)，穿孔螺釘(7)的底部引出的導線分別與兩個半球電極外表面的鍍銀層電聯(lián)接，其上部側(cè)面引出的導線，分別與兩個半球電極內(nèi)表面的鍍銀層電聯(lián)接。本發(fā)明的換能器具有非常寬的工作帶寬和一定指向性。
文檔編號G10K9/122GK102750941SQ20111009857
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者戴郁郁, 莫喜平 申請人:中國科學院聲學研究所