專(zhuān)利名稱(chēng):復(fù)合陶瓷寬帶水聽(tīng)器及其工藝的制作方法
本發(fā)明屬于水聲領(lǐng)域中的一種水聽(tīng)器及其工藝。
水聽(tīng)器的頻帶要作得很寬，達(dá)到200KHZ和無(wú)方向性，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)并選取一種理想的靈敏元件。頻帶寬元件就要小。1970年美國(guó)聲學(xué)雜志發(fā)表美國(guó)海軍研究所聲學(xué)計(jì)量分部設(shè)計(jì)的一種探針式水聽(tīng)器(J.A.S.A.Vol 48 P 725-728(1970))，頻帶是lOHZ～200KHZ，靈敏元件采用了壓電陶瓷小園管，直徑是3.2mm，管高3.2mm，壁厚0.76mm。水聽(tīng)器的靈敏度為-216dB(OdB＝lv/μPa)。1977年丹麥B&K公司產(chǎn)品目錄中介紹了8103水聽(tīng)器，使用頻帶可達(dá)200KHZ(靈敏度起伏-10dB)，而平坦部分小于125KHZ(靈敏度起伏±2dB)，水聽(tīng)器的靈敏度為-211dB。壓電陶瓷小園管外徑大約是6.5mm。國(guó)內(nèi)還報(bào)導(dǎo)過(guò)用特殊工藝將園管做成注射器的針頭那樣小以實(shí)現(xiàn)更寬的頻帶(見(jiàn)“頻標(biāo)與顯示”1980年第2期p70-73，中國(guó)科學(xué)院武漢物理所。內(nèi)刊)，當(dāng)然這種水聽(tīng)器的靈敏度就更低了。設(shè)計(jì)小型元件，不但給制造帶來(lái)困難，而且要實(shí)現(xiàn)對(duì)元件的聲屏蔽，去耦，支撐，密封等還都給水聽(tīng)器工藝增添麻煩，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為考究。小尺寸的元件雖然能使水聽(tīng)器頻帶寬，但靈敏度很低使用受到限制。
1976年美國(guó)海軍研究所P.C.Pohanka(P.C.Pohanka R.W.Rice Report NRL Progress Feb(1978))和賓夕法尼亞大學(xué)的L.E Cross(Mat.Res.Bull.13 p525-536(1978))發(fā)現(xiàn)了壓電陶瓷和人造橡膠復(fù)合物可以提高壓電性和柔順性。1978年以后陸續(xù)見(jiàn)到有關(guān)復(fù)合陶瓷材料的研究報(bào)導(dǎo)，但都沒(méi)見(jiàn)到應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。1980年中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所開(kāi)始了復(fù)合陶瓷材料的研究工作。
本發(fā)明的目的就在于采用一種新的復(fù)合壓電材料作靈敏元件，努力實(shí)現(xiàn)水聽(tīng)器的寬帶(達(dá)到200KHZ)，無(wú)方向性和高靈敏度，并力求水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝容易。
本發(fā)明采用了二片或三片直徑為φ4.5mm～φ5.0mm厚度為1.6mm的夾心式復(fù)合陶瓷園片，園片直徑的選取約等于頻帶上限時(shí)水中波長(zhǎng)的一半。在安裝方式上，采用上下十字交叉的排列，也就是說(shuō)垂直于園片表面的軸線相互成90度，一片在上，一片在下。上下兩片凈間距1～2mm，間距不能太窄，否則在灌膠時(shí)在縫隙里容易形成氣泡。這樣的安裝目的在于能形成一個(gè)十分理想的水平無(wú)方向性的特性。
在電接線上采取并聯(lián)方式以提高水聽(tīng)器的靜電容。正，負(fù)極的接線都必須采用單股裸線(無(wú)絕緣外皮)。本發(fā)明采用了0.1mm的鍍銀導(dǎo)線，電極上的焊點(diǎn)要盡可能小。
二個(gè)園片的定位不用支撐架，完全靠二根電極引線。電極引線不能太長(zhǎng)，一般從下面的那片園片算起到固定小銅管端面的凈距離在5～10mm之范圍內(nèi)為好，不要超過(guò)10mm。負(fù)極引線焊在直徑為φ2mm，長(zhǎng)40mm的銅管(固定小銅管)的外表面上。正極引線焊在銅管內(nèi)引出的帶有絕緣外皮的導(dǎo)線上。有絕緣皮的導(dǎo)線事先應(yīng)和銅管固定，本發(fā)明采用室溫固化的環(huán)氧樹(shù)脂，室溫硫化硅橡膠和502膠三種方式效果一樣。焊接好的電極引線牢牢地和小銅管及銅管中的芯線(有絕緣外皮的導(dǎo)線)固定。這樣電極引線既是電的通路，又起到了對(duì)片子支撐和定位的作用。當(dāng)然也可以將銅管中的芯線留有一定長(zhǎng)度直接焊在片子的正極上。由于芯線是多股線、焊接前注意在導(dǎo)線上掛一層薄薄的錫，讓它形成類(lèi)似單股線，錫不能太多要盡可能保證導(dǎo)線的柔軟，否則在焊電極和片子定位操作成交叉十字形時(shí)容易把片子的銀層損壞，引線脫掉。使用單股引線或掛錫多股線極為重要，以避免在灌膠工藝中產(chǎn)生微小氣泡，影響水聽(tīng)器的性能。
焊好定位好的片子要開(kāi)始進(jìn)行清潔處理，一般用丙酮或無(wú)水乙醇、用棉花或棉絲醮溶劑擦整個(gè)園片，焊點(diǎn)、小銅管，引線等各部分。由于夾心式復(fù)合陶瓷中間層孔隙較多要盡可能防止有機(jī)溶劑滲入，棉花上的溶劑用量要越少越好，擦洗后用紅外線燈烤半小時(shí)左右，促使孔隙內(nèi)的溶劑揮發(fā)。
為了保證灌膠質(zhì)量，必須對(duì)片子進(jìn)行防泡處理。最好在夾心陶瓷園片的側(cè)壁上涂上一層薄薄的室溫固化環(huán)氧樹(shù)脂或室溫硫化硅橡膠，防止灌膠時(shí)產(chǎn)生氣泡。當(dāng)夾心復(fù)合陶瓷園片灌注了高分子聚合物將孔隙基本充滿(mǎn)時(shí)，在進(jìn)行磨片加工中側(cè)壁難免留有孔隙，仍要涂一層?xùn)|西，進(jìn)行防泡處理。
將完成上述工藝流程的接收系統(tǒng)，套上筒形模具，用聚氨酯橡膠進(jìn)行灌封。為了保證膠層盡可能的薄，模具的直徑要盡可能小，本發(fā)明選用了φ7mm的園筒狀模具。
將脫模后的接收系統(tǒng)的銅管端插入水聽(tīng)器的連桿部件中并焊死，插入多少對(duì)性能影響不大，一般插入15mm。
將帶有連桿的接收系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)滲銀處理，在聚氨酯橡膠上形成一層導(dǎo)電的銀層、起電屏蔽作用，也可以對(duì)聚氨酯橡膠進(jìn)行金屬化處理(電鍍)讓金屬銀層全部包括聚胺酯橡膠并與小銅管(5)和連桿(6)形成通路構(gòu)成屏蔽層(8)。本發(fā)明二種方法都采用過(guò)，從工藝上考慮，化學(xué)滲很容易，從屏蔽層的牢固程度上金屬化處理要牢固些，但這兩種處理方法法形成的屏蔽層均不能直接在水中浸泡。
為了保護(hù)屏蔽層，還要對(duì)水聽(tīng)器接收系統(tǒng)進(jìn)行第二次聚氨酯橡膠灌封。第二次灌封的膠層不宜太厚，一般在1.5mm左右，灌膠時(shí)，膠層一定要全部包裹屏蔽層和連桿的上半部，為了保證灌封效果，連焊與銅管焊接端部位的外側(cè)要加工有螺紋，達(dá)到增大接觸面的效果。
因?yàn)殪`敏元件的靜電容較小，還可以根據(jù)使用要求選用二片，三片甚至四片進(jìn)行交叉排列組成水聽(tīng)器的接收系統(tǒng)以增大靜電容。本發(fā)明選用了二片和三片的兩種形式。不論那一種形式都須配置高輸入阻抗低自噪聲的前置放大器。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于選用了一種無(wú)徑向共振頻率的夾心式復(fù)合壓電陶瓷園片作水聽(tīng)器的靈敏元件。利用了復(fù)合陶瓷的體積壓電效應(yīng)，因此水聽(tīng)器沒(méi)有任何腔體和其他附加物，不用對(duì)元件采取特殊的水密措施和抗壓措施。本發(fā)明考慮到復(fù)合陶瓷多孔和介電常數(shù)較小的特點(diǎn)，在制作工藝上采取了一些措施。本發(fā)明的水聽(tīng)器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝容易，工藝并不復(fù)雜而且靈敏度比說(shuō)明書(shū)中提到的水聽(tīng)器高15～20dB。
圖1是復(fù)合陶瓷寬帶水聽(tīng)器的結(jié)構(gòu)圖。
本發(fā)明所提供的一個(gè)具體實(shí)施例由圖1給出，它所包含的主要部件是(1)，(2)為二片夾心式復(fù)合壓電陶瓷園片，它們排列成十字交叉形，一片在上一片在下。片子之間的凈間距1～2mm，片子直徑為φ4.5～φ5.0mm。
電極引線(3)、(4)要求是單股鍍銀導(dǎo)線或單股銅絲，直徑約0.1mm，不宜太粗。電極引線方式是并聯(lián)，先用單股線將片(1)和片(2)的正極負(fù)極焊好，然后再和固定小銅管(5)的外表面與管內(nèi)的有絕緣皮的芯線焊好。
水聽(tīng)器連桿(6)既起固定接收系統(tǒng)的作用，又起與水聽(tīng)器前放筒10連接的作用。要求連桿與小銅管焊接端的外部加工時(shí)要有螺紋以增大第二次灌封時(shí)的接觸面。連桿另一端為了保證與前放筒的水密要加工成凹形用以放入O形密封膠圈。連桿中心鉆有φ2mm的孔，用以插入小銅管。連桿系用銅材加工而成。
(7)是第一次灌封接收系統(tǒng)的膠層，(8)是屏蔽層，(9)是第二次灌膠的膠層。(10)是前放筒，用銅材一次加工而成，大環(huán)形狀如圖中所示，前放筒兩端加工有螺紋，下端螺紋是固定保護(hù)罩(12)用的，上端螺紋是在水密電纜頭(11)插入(10)中后用固定螺帽(13)作固定時(shí)的連接螺紋。(14)是前置放大器。水密電纜頭(11)和前放筒(10)，連桿(6)和前放筒(10)之間的水密靠O環(huán)，為了水密可靠都采用了二次水密設(shè)計(jì)，(11)與(10)的連接是插拔式使用十分方便。保護(hù)罩(12)是銅材管材加工而成，開(kāi)有四個(gè)“窗口”，在強(qiáng)度允許下“窗口”開(kāi)得越大越好。
從圖中看出，園片(1)，(2)交叉排列(凈間距為1～2mm)，靠電極引線(3)，(4)定位和支撐。引線4的負(fù)極焊在固定小銅管(5)的外表面上，正極焊在銅管中的芯線上。園片2和銅管(5)的凈間距5～10mm。清洗后用聚胺酯橡膠進(jìn)行第一次灌膠密封的膠層(7)。將小銅管(5)插入連桿(6)中焊死，銅管外露約25mm。這時(shí)進(jìn)行化學(xué)滲銀或金屬化處理，讓金屬層全部包裹聚氨酯橡膠并與銅管(5)，連桿6形成通路。形成屏蔽層后就進(jìn)行第二次聚氨酯橡膠的灌封的，(膠層9)，這時(shí)接收系統(tǒng)做好了。在連桿(6)上配好水密O環(huán)插入前放筒(10)中，將加工好的前置放大器(14)，水密電纜頭(11)配上，擰緊固定螺帽(13)，安上保護(hù)罩(12)就組裝成了本發(fā)明的水聽(tīng)器。
權(quán)利要求
1.一種以壓電陶瓷為靈敏元件所組成的水聽(tīng)器，其特征在于采用兩個(gè)(或者三個(gè))以電極引線(3)(4)連接的相互垂直的夾心式復(fù)合式壓電陶瓷園片(1)(2)，小銅管(5)和連桿(6)所組成的水聽(tīng)器。
2.按照權(quán)利要求
1所說(shuō)的水聽(tīng)器，其特征在于所說(shuō)的園片(1)(2)，應(yīng)互相垂直呈十字交叉形，一片在上，一片在下，園片的兩表面是厚度極化的電極，兩園片間的凈距離為1至2毫米，園片的直徑為4.5至5毫米，其厚度為1.6毫米。
3.按照權(quán)利要求
1所說(shuō)的水聽(tīng)器，其特征在于所說(shuō)的電極引線(3)(4)，應(yīng)以并聯(lián)方式連接，其正負(fù)引出端分別連接于小銅管(5)的外表和管內(nèi)有絕緣皮包封的經(jīng)過(guò)掛錫的多股線形成的芯線上，電極引線(3)(4)應(yīng)以直徑為0.1毫米的單股銅絲，其長(zhǎng)度應(yīng)盡量短。
4.一種用于制造權(quán)利要求
1所說(shuō)的水聽(tīng)器的工藝，其特征在于采用了引線，防泡，金屬化處理和兩次灌封的工藝過(guò)程。
5.按照權(quán)利要求
4所說(shuō)的工藝，其特征在于所說(shuō)的防泡工藝，是指對(duì)夾心式復(fù)合陶瓷園片(1)(2)的側(cè)壁上涂抹一層薄的室溫固化環(huán)氧樹(shù)脂或室溫硫化硅橡膠的填充材料。
6.按照權(quán)利要求
4所說(shuō)的工藝，其特征在于所說(shuō)的金屬化處理，是指在第一次灌膠密封后，應(yīng)在聚胺酯橡膠表面進(jìn)行化學(xué)沉銀或電鍍，讓金屬銀層全部包裹聚胺酯橡膠并與小銅管(5)和連桿(6)形成通路構(gòu)成屏蔽層(8)。
7.按照權(quán)利要求
4所說(shuō)的工藝，其特征在于所說(shuō)的兩次灌封，是指將裝配好的以園片(1)(2)垂直交叉排列組成的接收系統(tǒng)用聚胺酯橡膠進(jìn)行灌封，并在該工藝完成之后經(jīng)金屬化處理后再進(jìn)行第二次同樣的灌封。
專(zhuān)利摘要
采用兩個(gè)夾心式復(fù)合壓電陶瓷材料的圓片，設(shè)計(jì)安裝的水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝容易。水聽(tīng)器的接收電壓靈敏度為-196dB(0dB＝1V/μpa)水聽(tīng)器的頻帶50Hz～200kHz，靈敏度起伏±1.5dB，水聽(tīng)器在200kHz以下無(wú)水平指向性，垂直指向性開(kāi)角大于60度。
文檔編號(hào)G01H11/00GK85100712SQ85100712
公開(kāi)日1986年8月27日 申請(qǐng)日期1985年4月1日
發(fā)明者何遠(yuǎn)光, 莊璆 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan