拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器的製作方法
2023-11-06 15:35:47
專利名稱：拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器的製作方法
技術領域：
本發明屬於聲納和海洋地球物理勘探領域，具體地說，本發明涉及一種水聲換能器。
背景技術：
拖曳線列陣由於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，在遠程探測聲納和海洋地球物理勘探中起著重要作用。構成拖曳線列陣的拖曳線列陣元(基元)——水聽器是實現拖曳線列陣的關鍵器件，它的尺寸、性能和抗靜壓能力對實現遠程探測聲納的優異戰技指標和提高海洋地球物理勘探能力至關重要。
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)的基礎上演變出的一種常用拖曳線列陣陣元。該種陣元的優點是體積較小容易實現小形化，具有較高的接收靈敏度和一定的帶寬，致命的弱點是耐靜水壓能力差，僅適宜在50米以內的淺海使用。
圓環形陣元(Patent，U.S.，4205954，1980，5)是在常用的圓環水聽器基礎上發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，但是圓環形陣元體積尺寸較大(所構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採用。
隨著作戰需求的發展和海洋地球物理勘探向深海擴展的需求，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外徑拖曳線列陣，因此發明小型耐靜壓力水聽器是實現上述需求的基礎和關鍵。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，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、高靈敏度並適於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。
為實現上述發明目的，本發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，其特徵在於，還包括一中支撐環，所述壓電陶瓷元件是兩個電容量一致(電容量一致性≤±7.5％)的電極分段的徑向極化壓電陶瓷圓管；所述的兩個陶瓷圓管同軸排列，按電極串聯方式安裝在中支撐環上；上端蓋、下端蓋分別安裝在兩個陶瓷圓管的上下端；兩個電極柱牢固安裝在上端蓋上；所述中支撐環、上端蓋、下端蓋均與陶瓷圓管進行粘接，形成一整體的封閉結構；所述封閉結構外包敷一層密封透聲膠，在密封透聲膠外安裝一金屬外殼。
上述技術方案中，所述徑向極化壓電陶瓷圓管內壁具有兩個分段電極，其中一為正電極，一為負電極，兩個分段電極間的間隙為1mm。
上述技術方案中，所述上端蓋、下端蓋、中支撐環均由環氧玻璃棒製造。
上述技術方案中，所述密封透聲膠是利用模具進行硫化處理後形成的水密和透聲包敷層。
上述技術方案中，所述的兩個徑向極化壓電陶瓷圓管，其位於中支撐環兩端的相鄰的正負電極用細導線連接，另外兩個電極分別連在電極柱上。
上述技術方案中，所述徑向極化壓電陶瓷圓管，其長為5至15mm，內徑為2至5mm，應採用接收型鋯鈦酸鉛壓電陶瓷配方和生產工藝(如PZT-5)製造壓電陶瓷圓管。
本發明的主要優點是a)本發明的陣元由兩個壓電靈敏元件，兩種8個機加工件組成。本發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，其他機加工件是一個銅外殼、一對銅上下蓋板、一對銅電極柱和用玻璃環氧材料製造的一對上下端蓋及一個中支撐環。陣元的安裝和調試工藝易行，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，可以根據實際需求進行設計製造。
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外半徑(a、b)和長度l相關，具有成熟準確的計算方法，通過綜合調整圓管的內半徑a、外半徑b和長度l可以設計出滿足不同要求的陣元。
c)性能穩定可靠。
在對壓電靈敏元件進行老化處理後組裝的陣元使用3年後複測其主要性能指標變化≤±1dB。
圖1是本發明中電極分段的徑向極化圓管示意圖；圖2是本發明中的小型耐靜壓力水聽器內部結構示意圖；圖3是本發明中的小型耐靜壓力水聽器外殼安裝示意圖；圖4是本發明中的小型耐靜壓力水聽器完整結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步地描述。
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成的一種新型拖曳陣元，它的結構如圖2、3所示。兩個如圖1所示的電極分段的徑向極化壓電陶瓷圓管是實現本發明的關鍵技術之一。採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外半徑(a、b)和長度l相關，具有成熟準確的計算方法，通過綜合調整圓管的內半徑a、外半徑b和長度l可以設計出滿足不同要求的陣元。
如圖2、3所示，製造一批小尺寸耐靜壓力水聽器(陣元)。該批陣元採用「PZT-5」型壓電陶瓷材料製造電極分段的徑向極化圓管(如圖1所示)，每個陣元採用兩個徑向極化圓管，分別稱為上壓電圓管4、下壓電圓管6，一般來說，本發明所採用的壓電圓管長5至15mm，內徑為2至5mm，其分段電極的間隙為1至2mm，在本實施例中，壓電圓管的外半徑a為5mm，內半徑b為4.2mm，長度l為10mm，分段電極間隙d為1mm。要求圓管的壓電係數d33≥420，兩個圓管電容量一致性控制在±7.5％之內。採用環氧玻璃棒製作上端蓋2、下端蓋7和中支撐環5，使用前進行清潔和加溫處理。可以採用環氧樹脂粘結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由兩端帶凹臺的外圓殼和帶孔的上下蓋板組成，外殼的外徑為15mm、內徑為14.4mm，長度30mm，上下蓋板厚0.4mm，全部用黃銅材料製造。對於工作頻率上限超過5kHz的陣元可以在外圓殼壁上採取打排孔的措施，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」)採用JA-S澆注型聚氨脂透聲橡膠材料及相關工藝。
將準備好的元器件按以下順序裝配(1)在上壓電圓管4的正電極下部和負電極中部各焊一根30mm長七芯細導線，在下壓電圓管的負電極中部焊一根50mm長七芯細導線。
(2)將上壓電圓管的負電極導線穿過中支撐環焊在下壓電圓管的正電極上，下壓電圓管6的負電極導線穿過中支撐環5，在中支撐環5臺階上抹膠(如常溫環氧粘結劑)壓緊上下壓電圓管。
(3)將上下壓電圓管的正負電極引線纏繞焊接在上端蓋的電極柱下端，上下端蓋臺階抹膠與上下壓電圓管的兩端壓緊，為使焊點牢固，所有焊點應採取保護措施。
(4)對安裝完畢並已固化的準「陣元」進行電容量和絕緣電阻檢查，合格者清洗表面後待用。
(5)將準「陣元」裝入模具，按「JA-S澆注型聚氨脂透聲橡膠」相關工藝進行澆注。脫模後檢查硫化層是否均勻無氣泡，合格者修毛邊後待用。
(6)將硫化後的準「陣元」裝入外圓銅殼，在支撐點點膠固化後安裝上下蓋板並將兩端壓死。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電極對外殼的絕緣電阻。
②用電容表測量電極間的電容量。
③採用國家標準「GB 7965-87水聲水聲換能器測量」和「GB 4130-84水聽器低頻校準方法」測試陣元的工作頻帶、接收電壓靈敏度響應和耐靜壓能力。
④採用震動臺和標準加速度計測量陣元的加速度靈敏度響應。
⑤採用相位計在均勻聲場中測量陣元的相位差。
按上述發明製造了一批小尺寸耐靜壓力水聽器(陣元)，測量結果如下
①電極間及正負電極對外殼的絕緣電阻≥200MΩ。
②電容量C。＝515±25pf③工作頻率範圍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)陣元的加速度靈敏度響應≤-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，製造完成後經檢測合格品為203件，合格率90％。
用本發明製造的小尺寸耐靜壓力水聽器(陣元)裝配出內置75個陣元，外徑φ37mm或φ45mm，100米長的拖曳線陣並在海上試驗中表現出優異的性能。
權利要求
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，其特徵在於，還包括一中支撐環；所述壓電陶瓷元件是兩個電容量一致的電極分段的徑向極化壓電陶瓷圓管；所述的兩個陶瓷圓管同軸排列，按電極串聯方式安裝在中支撐環上；上端蓋、下端蓋分別安裝在兩個陶瓷圓管的上下端；兩個電極柱安裝在上端蓋上；所述中支撐環、上端蓋、下端蓋均與陶瓷圓管進行粘接，形成一整體的封閉結構；所述封閉結構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.按權利要求1所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特徵在於，所述徑向極化壓電陶瓷圓管內壁具有兩個分段電極，其中一為正電極，一為負電極。
3.按權利要求2所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特徵在於，所述兩個分段電極間的間隙為1至2mm。
4.按權利要求1所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特徵在於，所述上端蓋、下端蓋、中支撐環均由環氧玻璃棒製造製造。
5.按權利要求1所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特徵在於，所述密封透聲膠是利用模具進行澆注並硫化處理後形成的水密和透聲包敷層。
6.按權利要求1、2或3所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特徵在於，所述的兩個徑向極化壓電陶瓷管，其位於中支撐環兩端的相鄰的正負電極用細導線連接，另外兩個電極分別連在電極柱上。
7.按權利要求1、2或3所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特徵在於，所述徑向極化壓電陶瓷圓管，其長為5至15mm，內徑為2至5mm。
8.按權利要求1、2或3所述的拖曳線列陣用小型耐靜壓力水聽器，其特徵在於，所述徑向極化壓電陶瓷圓管，採用接收型鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料製作的。
全文摘要
本發明屬於聲納和海洋地球物理勘探領域，具體地說，本發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、壓電陶瓷元件，其特徵在於，所述壓電陶瓷元件是兩個電容量一致的電極分段的徑向極化壓電陶瓷圓管；所述的兩個陶瓷圓管同軸排列，按電極串聯方式安裝在中支撐環上；上端蓋、下端蓋分別安裝在兩個陶瓷圓管的上下端；兩個電極柱牢固安裝在上端蓋上；所述中支撐環、上端蓋、下端蓋均與陶瓷圓管進行粘接，形成一整體的封閉結構。本發明的優點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，性能穩定可靠；同時，本發明結構簡單，製造容易，產品合格率高，生產成本低。
文檔編號G01S15/00GK1892248SQ20051008034
公開日2007年1月10日 申請日期2005年7月1日 優先權日2005年7月1日
發明者解寶興, 高俊琴, 李俊寶, 李宗傑 申請人:中國科學院聲學研究所