專利名稱：一種具有超低后向輻射的深水寬帶換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海洋探測和通訊技術(shù)，具體涉及一種具有超低后向輻射的深水寬帶換能器。
背景技術(shù)：
海洋探測系統(tǒng)中，對于中低頻段(IOkHz附近)具有廣泛的需求，因其在探測距離和探測精度方面達(dá)到了一定的平衡；由于實(shí)際應(yīng)用中往往多臺水聲設(shè)備安裝在統(tǒng)一平臺，要求盡量減少相互之間的影響，因此對于換能器的后輻射有一定要求，希望獲得盡可能“干凈”的波束和較低的后輻射。而對于常規(guī)的單個換能器而言，即便是后輻射較低的縱振換能器，其后向輻射約為主波束方向最大聲壓的30%，也即-10. 5dB，對后方的其他設(shè)備仍有較大影響。因此具有低后向輻射、寬帶、耐高靜水壓特點(diǎn)的換能器具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種獲得可在較深水中(IOOOm)工作的，具有低頻、寬帶性能的，后向輻射小于_20dB的深水寬帶換能器。本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的，該換能器由縱彎換能器內(nèi)芯、耐壓外殼及耐壓反聲障板組成，縱彎換能器內(nèi)芯封裝入于耐壓外殼內(nèi)，縱彎換能器內(nèi)芯的上端灌注一層聚氨酯及在聚氨酯上硫化一層以提高水密性能的橡膠層，采用換能器和耐壓反聲障板一體化設(shè)計(jì)，在耐壓反聲障板中心留有安裝孔洞，耐壓外殼固定于耐壓反聲障板上的安裝孔洞中；耐壓外殼的底端中間設(shè)有水密插接件，該換能器的導(dǎo)線通過水密插接件引出。作為優(yōu)選，所述的縱彎換能器內(nèi)芯由前蓋板、壓電陶瓷堆、后蓋板和預(yù)應(yīng)力螺桿組成，該前蓋板呈喇叭型，由硬鋁制作而成；該前蓋板內(nèi)嵌有壓電陶瓷堆，所述的預(yù)應(yīng)力螺桿貫穿于整個壓電陶瓷堆，且旋入于前蓋板的中心孔內(nèi)，該后蓋板通過預(yù)應(yīng)力螺桿固定于縱彎換能器內(nèi)芯上。作為優(yōu)選，所述的耐壓反聲障板由多片帶孔橡膠片和多片薄鋼板組成，并采用薄鋼板-帶孔橡膠片-薄鋼板的方式粘接而成；帶孔橡膠片由氯丁橡膠材料通過模具壓制而成，其內(nèi)壓制有通孔，該通孔總面積占整個帶孔橡膠片面積的60%左右。本發(fā)明的有益效果為該換能器具有超低后向輻射、低頻、寬帶、耐高靜水壓的特點(diǎn)，采用換能器與耐壓反聲障板一體化設(shè)計(jì)，性能穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)；換能器安裝方便，可單獨(dú)使用，亦可成陣使用以滿足對聲源級和波束寬度的需求；本實(shí)例中換能器后向輻射實(shí)測小于主波束方向最大值的10%(也即小于-20dB)，同時工作頻段達(dá)到7kHz 15kHz，覆蓋了海洋探測和通訊領(lǐng)域常用頻率，具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的總裝結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的縱彎換能器內(nèi)芯結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的耐壓反聲障板結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的換能器工作中的導(dǎo)納曲線參數(shù)實(shí)測圖。圖5是本發(fā)明的換能器工作中的發(fā)送電壓響應(yīng)參數(shù)實(shí)測圖。圖6是本發(fā)明的換能器工作中的接收靈敏度參數(shù)實(shí)測圖。附圖中的標(biāo)號分別為1、縱彎換能器內(nèi)芯；2、耐壓外殼；3、耐壓反聲障板；4、橡膠層；5、水密插接件；11、前蓋板；12、壓電陶瓷堆；13、后蓋板；14、預(yù)應(yīng)力螺桿；31、安裝孔洞；32、帶孔橡膠片；33、薄鋼板；34、通孔。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)的介紹如附圖1所示，本發(fā)明由縱彎換能器內(nèi)芯1、耐壓外殼2及耐壓反聲障板3組成，縱彎換能器內(nèi)芯I封裝入于耐壓外殼2內(nèi)，縱彎換能器內(nèi)芯I的上端灌注一層聚氨酯及在聚氨酯上硫化一層以提高水密性能的橡膠層4，采用換能器和耐壓反聲障板3—體化設(shè)計(jì)，在耐壓反聲障板3中心留有安裝孔洞31，耐壓外殼2固定于耐壓反聲障板3上的安裝孔洞31中；耐壓外殼2的底端中間設(shè)有水密插接件5，該換能器的導(dǎo)線通過水密插接件5引出?？v彎換能器是利用前蓋板11縱向振動和彎曲振動相結(jié)合的多模振動換能器，是在傳統(tǒng)的縱振換能器基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的?？v彎換能器內(nèi)芯I設(shè)計(jì)縱彎換能器內(nèi)芯I結(jié)構(gòu)如圖2所示，縱彎換能器內(nèi)芯I由前蓋板11，壓電陶瓷堆12，后蓋板13，預(yù)應(yīng)力螺桿14組成，該前蓋板11呈喇叭型，由硬鋁制作而成。根據(jù)實(shí)際需求的工作頻段、阻抗、響應(yīng)等要求，可使用有限元軟件ANSYS對換能器各結(jié)構(gòu)件的尺寸開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定前蓋板11、壓電陶瓷堆12和后蓋板13的具體尺寸，確保換能器的縱振峰和前蓋板11彎曲振動峰可以相耦合，從而獲得較平坦的發(fā)送電壓響應(yīng)和接收靈敏度，使換能器可以寬頻帶工作。如本例中，根據(jù)中心頻率10kHz，可設(shè)計(jì)換能器縱振峰頻率為7kHz附近，而彎曲峰頻率為15kHz附近，即可獲得寬帶工作效果。根據(jù)設(shè)計(jì)好的換能器尺寸，以及具體耐靜水壓的要求，計(jì)算圓柱型耐壓外殼2的直徑、壁厚等參數(shù)，可采用solidworks或者ansys等軟件計(jì)算特定靜水壓力下耐壓外殼所承受的應(yīng)力，要求不得超出所選用材料(如不銹鋼)屈服強(qiáng)度。將縱彎換能器內(nèi)芯I封裝入耐壓外殼2后，先在輻射面上灌注3mm厚的聚氨酯，然后再硫化一層3mm厚的橡膠層4以提高水密性能。換能器導(dǎo)線通過水密接插件5引出。如附圖3所示，耐壓反聲障板3設(shè)計(jì)采用通道型橡膠障板，耐壓反聲障板3由相同直徑的多片帶孔橡膠片32和多片薄鋼板33粘接而成。帶孔橡膠片32由氯丁橡膠材料通過模具壓制而成，其內(nèi)壓制有通孔34，該通孔34總面積占整個帶孔橡膠片32面積的60%左右，在帶孔橡膠片32之間加入薄鋼板33，可以有效的提高耐壓反聲障板3在高靜水壓條件下的性能。耐壓反聲障板3的直徑選取中心頻率波長的1. 5倍，即可在反聲效果與尺寸重量方面取得均衡。最上層的薄鋼板33應(yīng)設(shè)計(jì)的較厚，并預(yù)留有安裝孔洞31，以便將耐壓外殼2固定在耐壓反聲障板3上。采用薄鋼板33-帶孔橡膠片32-薄鋼板33的方式，與常見的發(fā)泡橡膠類軟障板相比，具有性能穩(wěn)定、一致性好、不需額外安裝支架、耐高靜水壓等優(yōu)點(diǎn)。
將耐壓外殼2 (內(nèi)封裝有縱彎換能器內(nèi)芯I)穿過安裝孔洞31并固定在耐壓反聲障板3上，換能器的輻射面與反聲障板底面大體在同一平面上，并留有一定的調(diào)節(jié)余量，通過調(diào)節(jié)換能器輻射面與耐壓反聲障板3距離，可改變換能器的波束寬度，以滿足不同系統(tǒng)的需求。根據(jù)上述流程設(shè)計(jì)的換能器實(shí)際測試性能如圖4、5、6所示。工作頻段7kHz 15kHz；工作水深<IOOOm ；發(fā)送電壓響應(yīng)S 140dB ；
接收靈敏度彡-176dB ；背向相對靈敏度<-20dB最大聲源級S 195dB ；波束寬度(_3dB):70° ±10° ;重量(空氣中)18.5kg ;最大直徑215mm；最大長度200mm。
權(quán)利要求
1.一種具有超低后向輻射的深水寬帶換能器，其特征在于該換能器由縱彎換能器內(nèi)芯(I)、耐壓外殼(2)及耐壓反聲障板(3)組成，縱彎換能器內(nèi)芯(I)封裝入于耐壓外殼(2)內(nèi)，縱彎換能器內(nèi)芯(I)的上端灌注一層聚氨酯及在聚氨酯上硫化一層以提高水密性能的橡膠層(4)，采用換能器和耐壓反聲障板(3)—體化結(jié)構(gòu)，在耐壓反聲障板(3)中心留有安裝孔洞(31)，耐壓外殼(2)固定于耐壓反聲障板(3)上的安裝孔洞(31)中；耐壓外殼(2)的底端中間設(shè)有水密插接件(5)，該換能器的導(dǎo)線通過水密插接件(5)引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超低后向輻射的深水寬帶換能器，其特征在于所述的縱彎換能器內(nèi)芯(I)由前蓋板(11)、壓電陶瓷堆(12)、后蓋板(13)和預(yù)應(yīng)力螺桿(14)組成，該前蓋板(11)呈喇叭型；該前蓋板(11)內(nèi)嵌有壓電陶瓷堆(12)，所述的預(yù)應(yīng)力螺桿(14)貫穿于整個壓電陶瓷堆(12)，且旋入于前蓋板(11)的中心孔內(nèi)，該后蓋板(13)通過預(yù)應(yīng)力螺桿(14)固定于縱彎換能器內(nèi)芯(I)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超低后向輻射的深水寬帶換能器，其特征在于所述的耐壓反聲障板(3)由多片帶孔橡膠片(32)和多片薄鋼板(33)組成，并采用薄鋼板(33)-帶孔橡膠片(32)-薄鋼板(33)的結(jié)構(gòu)粘接而成；帶孔橡膠片(32)由氯丁橡膠材料通過模具壓制而成，其內(nèi)壓制有通孔(34)，該通孔(34)總面積占整個帶孔橡膠片(32)面積的60%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有超低后向輻射的深水寬帶換能器，該換能器由縱彎換能器內(nèi)芯、耐壓外殼及耐壓反聲障板組成，縱彎換能器內(nèi)芯封裝入于耐壓外殼內(nèi)，縱彎換能器內(nèi)芯的上端灌注一層聚氨酯及在聚氨酯上硫化一層以提高水密性能的橡膠層，采用換能器和耐壓反聲障板一體化設(shè)計(jì)，在耐壓反聲障板中心留有安裝孔洞，耐壓外殼固定于耐壓反聲障板上的安裝孔洞中。本發(fā)明的有益效果為該換能器具有超低后向輻射、低頻、寬帶、耐高靜水壓的特點(diǎn)，采用換能器與耐壓反聲障板一體化設(shè)計(jì)，性能穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)；換能器安裝方便，可單獨(dú)使用，亦可成陣使用以滿足對聲源級和波束寬度的需求；覆蓋了海洋探測和通訊領(lǐng)域常用頻率，具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G10K9/122GK103021396SQ20121054941
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者郝浩琦, 夏鐵堅(jiān), 謝民, 孔海防, 唐良雨, 蘇妍, 蘇石飛, 姚成章 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所