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(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲學(xué)探測(cè)領(lǐng)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(xué)換能器被稱為聲學(xué)儀器的神經(jīng)，在水聲探測(cè)、石油勘探等領(lǐng)域都有著十分重要的應(yīng)用，換能器性能的穩(wěn)定直接決定了整個(gè)聲學(xué)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定，性能的優(yōu)劣直接決定了整個(gè)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(gè)儀器中最容易受到損害的部分。以深?？碧降膿Q能器為例，地球上海洋的平均深度達(dá)到3700多米，其中最深的地方深度達(dá)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(gè)大氣壓的壓力，這么大的靜水壓力會(huì)使大部分的換能器失效或者損壞。而在聲學(xué)換能器應(yīng)用的另外一個(gè)重要領(lǐng)域石油測(cè)井里，其工作的環(huán)境會(huì)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(chǔ)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(dá)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(gè)驚人的數(shù)字。如何設(shè)計(jì)使聲學(xué)換能器有效地工作在大的靜水壓力下將是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的工作。寬帶性能是換能器的另外一個(gè)十分重要的技術(shù)指標(biāo)。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(hào)的失真，為后期的信號(hào)處理提供了更詳細(xì)的信號(hào)細(xì)節(jié)。水聲通信應(yīng)用中，在寬頻帶上對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，能夠同時(shí)傳遞更多的信息量，提高通信的效率；對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼可以有很好地提高信息傳遞的可靠性；對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密能夠提高通信的保密性能。聲成像應(yīng)用中，寬頻帶的反射信號(hào)包含了更多的信息量，有利于提高圖像的分辨率；水聲對(duì)抗中，利用寬帶聲源可以在整個(gè)頻段范圍內(nèi)對(duì)對(duì)方信號(hào)進(jìn)行跟蹤和干擾，同時(shí)又能夠有效的抵抗對(duì)方的干擾，提升了攻擊武器的命中率也同時(shí)提升了自身的生存能力。常見的深水換能器設(shè)計(jì)方案主要分為以下幾種壓力平衡、壓力釋放、壓力補(bǔ)償?shù)取毫ζ胶馐峭ㄟ^結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使陶瓷處于受力平衡狀態(tài)，陶瓷內(nèi)部各點(diǎn)只存在正壓應(yīng)力而沒有拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)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(dá)到保護(hù)陶瓷元件的目的，采用此類設(shè)計(jì)方案的時(shí)候需要注意附加結(jié)構(gòu)對(duì)換能器聲學(xué)性能的影響；壓力補(bǔ)償是當(dāng)工作表面產(chǎn)生壓差的時(shí)候在工作面一側(cè)引入補(bǔ)償壓力以實(shí)現(xiàn)壓力平衡。這種方法主要運(yùn)用在動(dòng)圈式的換能器上，常見的此類型換能器如美國海軍標(biāo)準(zhǔn)型J系列。其中壓力補(bǔ)償又可分為主動(dòng)壓力補(bǔ)償和被動(dòng)壓力補(bǔ)償兩類。被動(dòng)補(bǔ)償具有實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，然而其所載的補(bǔ)償氣體的數(shù)量限制了其工作深度。主動(dòng)壓力補(bǔ)償利用儲(chǔ)氣罐裝載更多的補(bǔ)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(shè)計(jì)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(jī)械品質(zhì)因數(shù)。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)與換能器的帶寬成反比的關(guān)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(shè)一層柔性介質(zhì)形成的縱振動(dòng)和匹配層耦合；溢流圓管的徑向振動(dòng)和液腔的稱合振動(dòng)Janus換能器和Helmholtz諧振腔復(fù)合形成的縱振動(dòng)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(shí)激發(fā)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(gè)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(gè)倍頻程的帶寬已不能夠滿足工程中的需求，為了進(jìn)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(shí)現(xiàn)，比如縱振動(dòng)-彎張-匹配層耦合等等。多模態(tài)的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)過程中的不可控因數(shù)更多，設(shè)計(jì)成本越來越高。以往的換能器設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常采用的是結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)模態(tài)，比如球、圓環(huán)的呼吸模態(tài)。而實(shí)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(shè)計(jì)思想中只需要對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的激勵(lì)方式進(jìn)行改變，而不需要對(duì)結(jié)構(gòu)形式做大的改變，這也大大地降低了換能器的設(shè)計(jì)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(shí)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(dǎo)線孔，壓電陶瓷球I內(nèi)表面和外表面分別沿兩導(dǎo)線孔的圓周上設(shè)置有未覆蓋鍍銀層的隔離區(qū)，形成兩個(gè)獨(dú)立的半球電極；所述的穿孔螺釘7沿導(dǎo)線孔貫穿設(shè)于壓電陶瓷球1，穿孔螺釘7的底部引出的導(dǎo)線分別與兩個(gè)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(dǎo)線，分別與兩個(gè)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(dǎo)線孔之間設(shè)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(jī)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(shè)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(shè)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(dòng)隔離。本發(fā)明為了克服深水靜壓的問題，使耐壓殼體對(duì)陶瓷球表面起到保護(hù)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(duì)耐壓殼體的強(qiáng)度有要求而對(duì)剛度沒有要求，因此可以選用模量較低的材料來設(shè)計(jì)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(dá)到保護(hù)的目的。此外，本發(fā)明還采用獨(dú)立激勵(lì)的方法，分別對(duì)兩半陶瓷球加載激勵(lì)電壓，通過對(duì)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(duì)幅度和相位的調(diào)整來控制各階模態(tài)的響應(yīng)幅值，可以豐富的模態(tài)和可調(diào)的響應(yīng)幅值能夠有效地拓展換能器的帶寬；同時(shí)，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(duì)應(yīng)的匹配層模態(tài)都有不同，因此可以進(jìn)一步地豐富換能器的工作模態(tài)，便于進(jìn)一步地拓展換能器的帶寬，實(shí)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(gè)倍頻程)。本發(fā)明采用成合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)耐壓殼體實(shí)現(xiàn)換能器的壓力釋放，同時(shí)利用耐壓殼體做·匹配層，實(shí)現(xiàn)帶寬拓展。進(jìn)一步改變結(jié)構(gòu)的激勵(lì)方式，激勵(lì)出結(jié)構(gòu)的多階模態(tài)，拓展帶寬。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明設(shè)計(jì)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(gè)倍頻程)具有一定指向性的聲信號(hào)發(fā)生器和接收器；相對(duì)于其他深水工作的換能器來說，本發(fā)明的換能器具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；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(dòng)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(cè)量到的發(fā)射電壓響應(yīng)曲線。附圖標(biāo)識(shí)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(shí)施例方式下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明的深水超寬帶球形換能器進(jìn)行進(jìn)一步的解釋說明。圖I中A、B分別代表兩個(gè)陶瓷半球。兩半陶瓷球采用不同相位的電壓分別進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)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(duì)稱開有兩導(dǎo)線孔，用于內(nèi)部電極的導(dǎo)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(gè)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(xì)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(gè)小時(shí)，脫模清理。步驟3):在穿孔螺釘I上套上一個(gè)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(gè)小時(shí)，
脫模清理。步驟5):對(duì)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(jìn)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(gè)小時(shí)，脫模清理。步驟8):將陶瓷的電極引線跟四芯電纜12對(duì)接起來，采用平板硫化機(jī)對(duì)電纜頭和電纜12進(jìn)行硫化水密，形成水密頭11。對(duì)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(shí)現(xiàn)近3個(gè)倍頻程的寬帶(響應(yīng)起伏為±3dB)。如果定義A半球所載電壓相位領(lǐng)先于B半球的話，則圖3為A半球球冠處測(cè)量到的發(fā)射電壓響應(yīng)曲線。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(dǎo)線孔，壓電陶瓷球(I)內(nèi)表面和外表面分別沿兩導(dǎo)線孔的圓周上設(shè)置有未覆蓋鍍銀層的隔離區(qū)，形成兩個(gè)獨(dú)立的半球電極； 所述的穿孔螺釘(7)沿導(dǎo)線孔貫穿設(shè)于壓電陶瓷球(I)，穿孔螺釘(7)的底部引出的導(dǎo)線分別與兩個(gè)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(dǎo)線，分別與兩個(gè)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(dǎo)線孔之間設(shè)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(jī)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(shè)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(shè)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(dǎo)線孔，壓電陶瓷球(1)內(nèi)表面和外表面分別沿兩導(dǎo)線孔的圓周上設(shè)置有未覆蓋鍍銀層的隔離區(qū)，形成兩個(gè)獨(dú)立的半球電極；所述的穿孔螺釘(7)沿導(dǎo)線孔穿設(shè)于壓電陶瓷球(1)，穿孔螺釘(7)的底部引出的導(dǎo)線分別與兩個(gè)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(dǎo)線，分別與兩個(gè)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(hào)G10K9/122GK102750941SQ20111009857
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所