專利名稱：一種深水寬帶球形換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能廣泛應(yīng)用于深海水聲探測(cè)的儀器。特別涉及一種深水寬帶球形 換能器。
背景技術(shù)：
占地球表面71%的海洋一直以來都是人們獲得食物來源、礦藏資源的重要場(chǎng)所。 人類自遠(yuǎn)古以來就臨海而居、捕魚為食，海洋一直是人類獲得食物的重要來源。到了現(xiàn)代隨 著地球生存空間的日益擁擠和礦藏資源的日漸枯竭，海洋里蘊(yùn)含著的豐富魚類和礦藏資源 就顯得更具吸引力。以錳為例，據(jù)2008年的統(tǒng)計(jì)資料表明我國的錳礦資源為2. 3億噸，而 僅太平洋下的錳結(jié)核所包含的儲(chǔ)量就至少有17000億噸，而且海底礦藏還具有不需開挖， 富集度高的優(yōu)點(diǎn)，這給開發(fā)利用帶來了極大的便宜。除此之外，海洋還是保家衛(wèi)國、抵御侵 略的主要戰(zhàn)場(chǎng)。第二次工業(yè)革命以后，隨著大型輪船的發(fā)明，曾作為國家自然屏障的大海已 不再能有效拒敵，如何能有效的發(fā)現(xiàn)敵人打擊侵略成為一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略任務(wù)。我們知道光 波和無線電波等小波長的波在海水中不能夠有效傳播。聲音是目前已知的最為有效的水下 探測(cè)手段。經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)研制了許許多多的滿足各種指標(biāo)的水下發(fā)聲器件。然而 海洋平均深度為3700米，這么深的海水會(huì)產(chǎn)生370個(gè)大氣壓的靜水壓力，如此大的靜水壓 力會(huì)導(dǎo)致常規(guī)的換能器毀壞和失效。如何在如此大的靜水壓力環(huán)境下進(jìn)行有效的發(fā)聲一直 以來是換能器研究人員所關(guān)心的問題。在深海探測(cè)、成像、通訊等領(lǐng)域中經(jīng)常應(yīng)用到寬帶、耐壓、無空間指向性又具有高 靈敏度的換能器聲源和聲信號(hào)接收器。實(shí)現(xiàn)耐靜水壓的主要手段有壓力平衡、壓力釋放、壓 力補(bǔ)償?shù)?。目前絕大部分的深水工作的換能器都是采用壓力平衡的設(shè)計(jì)方法，對(duì)壓力釋放 和壓力補(bǔ)償這兩種耐壓機(jī)制研究得很少。充油和溢流設(shè)計(jì)通常采用壓電圓環(huán)作為有源材 料，同時(shí)利用壓電圓管和管內(nèi)液腔激發(fā)的雙重諧振模態(tài)來實(shí)現(xiàn)寬帶發(fā)射。然而由于圓環(huán)內(nèi) 外壁都同時(shí)參與輻射，輻射時(shí)內(nèi)外壁相位相反，從而體積位移相互抵消，輻射效率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種能夠在耐靜水壓下高效輻射的寬帶無空間指向性水 下聲信號(hào)發(fā)生器。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出一種深水寬帶球形換能器。該換能器包括壓電 陶瓷球1、螺母11、穿孔螺釘6、電纜頭8、水密頭9、電纜10、耐壓殼體和水密層4 ；所述的電纜10在所述電纜頭8的出電纜端處包覆有所述的水密頭9 ；所述電纜頭 8的灌注端與所述壓電陶瓷球1通過穿孔螺釘6和螺母11連接于一體；所述壓電陶瓷球1外覆蓋有耐壓殼體；所述電纜頭8的灌注端和所述耐壓殼體外一體包覆有所述水密層4 ；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和所述的耐壓層3采用不同的材料灌注，所述的柔順層的材料參數(shù)的模量范圍為IXlO6Pa到 1 X IO11Pa ；所述的耐壓層的材料參數(shù)的模量范圍為1 X IO7Pa到3 X 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0 到3X 10"Pa。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 ；兩層介質(zhì)作為壓力釋放 機(jī)制；如果壓力作用在所述的換能器表面上，則大部分力載荷被耐壓層3吸收，大部分位移 載荷被柔順層2吸收，最后只有小部分力載荷和位移載荷作用到壓電陶瓷球1的表面上。所述的柔順層2采用無機(jī)摻雜改性的環(huán)氧材料制成；所述的柔順層2的厚度為
0.5mm 20mmo所述的耐壓層3采用金屬材料或澆注型環(huán)氧材料；所述的耐壓層3的厚度為
1.5mm 50mm。所述的水密層4采用聚氨酯橡膠材料；所述的水密層4的厚度為1. 5mm 30mm。所述的壓電陶瓷球1采用PZT-5壓電陶瓷球。所述的水密頭9采用的材料是硫化橡膠。該換能器還包括兩個(gè)去耦墊5，所述的去耦墊5套設(shè)在所述的穿孔螺釘6的桿上，其中，一個(gè)位于穿 孔螺釘頭和壓電陶瓷球1內(nèi)壁之間，另一個(gè)位于螺母11和壓電陶瓷球1外壁之間；和一硅膠去耦管7，該硅膠去耦管7套設(shè)在所述的穿孔螺釘6的桿和壓電陶瓷球1的 開孔之間，位于兩個(gè)去耦墊5之間。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明的換能器是一種能夠工作在大靜水壓力環(huán)境下的聲信 號(hào)發(fā)生器和接收器，沒有空間指向性。本發(fā)明中的耐壓殼體包括耐壓層和柔順層，該耐壓殼 體釋放作用在陶瓷球表面的壓力，達(dá)到保護(hù)的目的；通過對(duì)耐壓殼體結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)的改 變有效地拓寬換能器的帶寬；本設(shè)計(jì)方案中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(duì)耐壓殼體的強(qiáng)度有要求而對(duì)剛度沒有要求，因此可以降低耐壓殼體的剛度， 從而降低了耐壓殼體的特性阻抗，便于聲波的透射。同時(shí)在深水環(huán)境中一部分壓力透過耐 壓殼體作用到陶瓷球表面，相當(dāng)于對(duì)其使加了預(yù)應(yīng)力，便于換能器的大功率發(fā)射。本發(fā)明相 對(duì)于其他深水工作的換能器來說具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化材料的替 換顯著地改變換能器的耐壓性能、寬帶性能和透射性能。本發(fā)明采用多層密封結(jié)構(gòu)具有很 好的水密性能，對(duì)一次性水密成功的要求低。


圖1為本發(fā)明中的耐壓層使用金屬材料的深水寬帶球形換能器結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明中的耐壓層使用澆注型環(huán)氧材料的深水寬帶球形換能器結(jié)構(gòu)圖,附圖標(biāo)識(shí)1、壓電陶瓷球2、柔順層3、耐壓層4、水密層5、去耦墊6、穿孔螺釘7、硅膠去耦管8、電纜頭9、水密頭10、電纜11、螺母
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。實(shí)施例一圖1為本發(fā)明中的耐壓層使用金屬材料的深水寬帶球形換能器結(jié)構(gòu)圖。本實(shí)例采 用牌號(hào)為LY12的硬鋁作為本發(fā)明換能器的耐壓層的材料。該換能器包括壓電陶瓷球1、柔 順層2、耐壓層3、水密層4、去耦墊5、穿孔螺釘6、硅膠去耦管7、電纜頭8、水密頭9、電纜 10和螺母11。其中，耐壓層分為兩部分。因?yàn)槟蛪簩硬牧喜捎媒饘俟腆w材料。兩部分合起 來作為耐壓層為內(nèi)部機(jī)構(gòu)提供保護(hù)。在本實(shí)施例中，耐壓層的厚度設(shè)計(jì)為3. 5mm。其中，在 圖1中，上半部分的耐壓層在壓電陶瓷球1的開孔處開了一個(gè)喇叭型的孔，用于穿孔螺釘穿 出。同時(shí)喇叭型的孔里灌注與柔順層2的材料一致的環(huán)氧材料。當(dāng)壓力作用在上平面的時(shí) 候，膠體起到擠壓固定的作用。步驟1)壓電陶瓷球1選用PZT-5材料，尺寸為Φ22πιπιΧ Φ 30mm，陶瓷球上有一個(gè) Φ6πιπι的孔，用于導(dǎo)出內(nèi)壁電極。取一穿孔螺釘6，并在螺釘上套上一層Imm的去耦墊5和 硅膠去耦管7，然后把壓電陶瓷球1的內(nèi)引線和外引線穿過穿孔螺釘6，穿孔螺釘6連帶去 耦墊5和硅膠去耦管7穿過開孔插入壓電陶瓷球內(nèi)，回拉卡死，在穿孔螺釘6上再套上一個(gè) 去耦墊5，然后擰上一個(gè)螺母11。步驟2、對(duì)電纜頭8進(jìn)行噴砂打磨處理，然后用丙酮清理。把穿孔螺釘6擰到電 纜頭8具有車外螺紋端上固定，然后裝入耐壓層的下半部分，接著扣合下半部分的耐壓層， 兩層的結(jié)合處用618環(huán)氧粘接。其中，通過調(diào)節(jié)穿孔螺釘6的旋入長度調(diào)節(jié)陶瓷球位置，便 于控制壓電陶瓷球1處在灌注模具中間。步驟幻利用耐壓層作為柔順層2的灌注模具。柔順層2采用無機(jī)摻雜改性的618 環(huán)氧，厚度設(shè)計(jì)為3mm，高溫烘箱固化12個(gè)小時(shí)，然后脫模取出，冷卻后脫模清理。步驟4)當(dāng)柔順層2固化好以后，打磨清理耐壓層3的外表面，然后在外表面灌注 一層3. 5mm厚的JA-2S聚氨酯橡膠作為水密層4。JA-2S聚氨酯橡膠同時(shí)具有很好的透聲性 能，有利于換能器產(chǎn)生的聲波透射出去。在高溫80度的情況下固化12個(gè)小時(shí)，冷卻脫模。步驟幻采用丁晴橡膠用平板硫化機(jī)對(duì)電纜頭8的出電纜端進(jìn)行硫化形成一個(gè)水 密頭9。實(shí)施例二圖2為本發(fā)明中的耐壓層使用澆注型環(huán)氧材料的深水寬帶球形換能器結(jié)構(gòu)圖，在 本實(shí)例中，采用澆注型環(huán)氧材料作為本發(fā)明換能器的耐壓層材料。該換能器包括壓電陶瓷 球1、柔順層2、耐壓層3、水密層4、去耦墊5、穿孔螺釘6、硅膠去耦管7、電纜頭8、水密頭9、 電纜10和螺母11。其中，耐壓層采用的不是固體材料，可通過灌注成型得到一體的耐壓層。 且采用澆注型環(huán)氧澆注一體成型有利于提高設(shè)計(jì)的可靠性。步驟1)本例的第一步跟實(shí)施例一完全一樣。步驟幻柔順層2材料采用6101號(hào)環(huán)氧材料，并對(duì)環(huán)氧材料進(jìn)行增塑改性處理。 灌注厚度為3mm，其他設(shè)計(jì)參照實(shí)施例一進(jìn)行。步驟幻換能器的耐壓層3采用碳纖維增強(qiáng)型618環(huán)氧材料灌注成型，灌注厚度 為 7mm。步驟4)水密層4采用JA-2S澆注型聚氨酯橡膠，澆注厚度為3mm。其流程參考實(shí)施例一第四步進(jìn)行。步驟5)同例一步驟5。最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)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(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)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(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種深水寬帶球形換能器，該換能器包括壓電陶瓷球(1)、螺母(11)、穿孔螺釘 (6)、電纜頭(8)、水密頭(9)、電纜(10)、耐壓殼體和水密層(4)；所述的電纜(10)在所述電纜頭(8)的出電纜端處包覆有所述的水密頭(9)；所述電纜 頭(8)的灌注端通過穿孔螺釘(6)與所述壓電陶瓷球(1)連接于一體；所述壓電陶瓷球(1)外覆蓋有耐壓殼體；所述電纜頭(8)的灌注端和所述耐壓殼體外一體包覆有所述水密層；其特征在于，所述的耐壓殼體由內(nèi)而外依次包括柔順層⑵和耐壓層(3)；所述的柔順層(2)和 所述的耐壓層C3)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IXlO6I5a到 1 X IO11Pa ；所述的耐壓層的材料參數(shù)的模量范圍為1 X IO7Pa到3 X 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0 到3X 10"Pa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深水寬帶球形換能器，其特征在于，所述的柔順層采用無機(jī) 摻雜改性的環(huán)氧材料制成；所述的柔順層的厚度為0. 5mm 20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深水寬帶球形換能器，其特征在于，所述的耐壓層采用金屬 材料或澆注型環(huán)氧材料；所述的耐壓層的厚度為1. 5mm 50mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深水寬帶球形換能器，其特征在于，所述的水密層采用聚氨 酯橡膠材料；所述的水密層的厚度為1. 5mm 30mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深水寬帶球形換能器，其特征在于，所述的壓電陶瓷球采用 PZT-5壓電陶瓷球。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深水寬帶球形換能器，其特征在于，所述的水密頭(9)采用的 材料是硫化橡膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的深水寬帶球形換能器，其特征在于，該換能器還包括兩個(gè)去耦墊(5)，所述的去耦墊( 套設(shè)在所述的穿孔螺釘(6)的桿上，其中，一個(gè)位于穿孔螺釘頭和壓電陶瓷球(1)內(nèi)壁之間，另一個(gè)位于螺母(11)和壓電陶瓷球(1)外壁之 間；和一硅膠去耦管(7)，該硅膠去耦管(7)套設(shè)在所述的穿孔螺釘(6)的桿和壓電陶瓷球 (1)的開孔之間，位于兩個(gè)去耦墊(5)之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種深水寬帶球形換能器，該換能器包括壓電陶瓷球(1)、螺母(11)、穿孔螺釘(6)、電纜頭(8)、水密頭(9)、電纜(10)、耐壓殼體和水密層(4)；電纜(10)在電纜頭(8)的出電纜端處包覆有水密頭(9)；電纜頭(8)的灌注端通過穿孔螺釘(6)與壓電陶瓷球(1)連接于一體；壓電陶瓷球(1)外覆蓋有耐壓殼體；電纜頭(8)的灌注端和耐壓殼體外一體包覆有水密層(4)；其特征在于，耐壓殼體由內(nèi)而外依次包括采用不同的材料灌注的柔順層(2)和耐壓層(3)；柔順層的材料參數(shù)的模量范圍為1×106Pa到1×1011Pa；耐壓層的材料參數(shù)的模量范圍為1×107Pa到3×1011Pa；耐壓層的材料參數(shù)的模量比柔順層的材料參數(shù)的模量相差0Pa到3×1011Pa。
文檔編號(hào)G10K9/122GK102097093SQ20101056809
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者戴郁郁, 莫喜平 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所