本發(fā)明涉及一種水聲換能器技術(shù)，尤其涉及一種深海寬帶鑲拼圓環(huán)換能器，可應(yīng)用于主動探測聲納、深海水聲通信、深海對抗、海洋環(huán)境監(jiān)測、海底地質(zhì)地貌探測等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

聲波是人類迄今為止已知的唯一能在海水中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰枯d體。無論是軍事作戰(zhàn)，還是海洋開發(fā)，均采用聲波作為運載信息的媒介。軍事領(lǐng)域的水下的跟蹤、探測、識別、通信等，民用領(lǐng)域的海上油氣資源勘探、海洋測繪、極地科考、海底地質(zhì)地貌成像、海域水文條件研究與測量，都離不開相關(guān)的水聲換能器。

我國擁有1.8萬公里長的海岸線以及300萬平方公里的海洋國土，近年來，隨著國家發(fā)展海洋戰(zhàn)略強國的愿望愈加強烈，以及海洋開發(fā)的愈加廣泛，這就要求相應(yīng)的水聲設(shè)備及技術(shù)更加快速發(fā)展。我國自主設(shè)計和研制的“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器更是成功下潛到7000米深度，

同時，中國正在研制萬米級載人深潛器“彩虹魚”平臺，它由一條5000噸級科考母船、一臺萬米級全海深載人潛水器、一臺萬米級全海深無人潛水器、三臺全海深著陸器組成，計劃于2016年開展無人探測馬里亞納海溝，2019年進(jìn)行載人深?？瓶?。水下世界的探索已開啟新的篇章，同時也對深海的相關(guān)設(shè)備提出了新的要求與挑戰(zhàn)，尤其對作為信息交換窗口的耐大壓力的深海換能器需求更為迫切，而圓環(huán)換能器作為常用深海換能器的一類，對其進(jìn)行研究具有重要意義。

目前，工作在深海常見的圓環(huán)換能器結(jié)構(gòu)采用有溢流式、壓力補償、充油式等，其中，溢流式圓環(huán)換能器一般是通過聚氨酯橡膠對圓環(huán)壁進(jìn)行灌封硫化，使圓環(huán)內(nèi)外部水連通，形成溢流結(jié)構(gòu)，所以在大靜水壓情況下只對陶瓷圓環(huán)壁有壓力，實現(xiàn)深水工作。壓力補償形式一般為帶有壓力反饋裝置的空氣壓縮系統(tǒng)，隨著靜水壓變化對換能器內(nèi)部進(jìn)行充氣而實現(xiàn)與外部的靜水壓平衡，實現(xiàn)深水工作。充油式是在換能器的內(nèi)部充入填充油，隨著外界壓力的升高內(nèi)部填充油受壓產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)壓，達(dá)到內(nèi)外壓力平衡，從而使換能器能夠在高靜壓條件下工作。以上三種形式在實際應(yīng)用過程中都存在一定的缺點，通過聚氨酯橡膠硫化灌封溢流式使得陶瓷環(huán)在振動過程中與水的耦合系數(shù)下降，從而降低了換能器的最大輻射能力；壓力補償形式一般帶有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)，并要求有精確的反饋系統(tǒng)，在實際工程應(yīng)用過程中，可靠性及其靈敏方便性都大大下降；傳統(tǒng)的充油式結(jié)構(gòu)為橡膠囊完全包覆陶瓷環(huán)，而換能器的結(jié)構(gòu)尺寸(重量)和工作頻率存在很大的矛盾，為了實現(xiàn)較低頻率就要使得換能器的整體結(jié)構(gòu)尺寸很大，這就要求有個非常大的橡膠囊，從而使得充液所需的油非常多，這樣就使得換能器的重量很大，給工程實現(xiàn)和應(yīng)用方面都增加了很大的難度。因此，就需要有一種能夠兼顧深海工作、頻率低、頻帶寬，聲源級高，重量輕的水聲換能器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決目前圓環(huán)換能器在深海應(yīng)用中的問題，使換能器兼具深海工作、寬帶、低頻、大功率、重量輕等特點而提供一種深海寬帶鑲拼圓環(huán)換能器。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：包括底座、金屬背板、均勻設(shè)置在金屬背板與座之間的支撐桿、與金屬背板下端面連接的上去耦定位圈、與上去耦定位圈連接的鑲拼陶瓷圓環(huán)、設(shè)置在鑲拼陶瓷圓環(huán)下端的下去耦定位圈、與下去耦定位圈下端連接的定位環(huán)、U型橡膠囊，所述U型橡膠囊嵌套在上去耦定位圈、鑲拼陶瓷圓環(huán)、下去耦定位圈、定位環(huán)組成的圓環(huán)結(jié)構(gòu)外部，U型橡膠囊的上端與金屬背板連接，金屬背板上還設(shè)置有出氣孔、注油孔和電連接孔，電連接孔上設(shè)置有水密電纜頭。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.所述金屬背板下端面設(shè)置有兩組環(huán)形的水密槽，U型橡膠囊的上端沿分別設(shè)置在兩組水密槽中，且通過外卡環(huán)、內(nèi)卡環(huán)以及螺栓實現(xiàn)連接，支撐桿的下端與底座固連、上端穿過外卡環(huán)、U型橡膠囊后與金屬背板連接。

2.U型橡膠囊的下表面與底座的上表面接觸。

3.所述U型橡膠囊是具有型如字母“U”的結(jié)構(gòu)，并由透聲、耐滲水、耐油的橡膠材料硫化而成。

4.所述鑲拼陶瓷圓環(huán)是由n片楔形PZT-4壓電陶瓷條粘接成一圓環(huán)，n為偶數(shù)，壓電陶瓷條沿厚度方向極化，每相鄰的兩片壓電陶瓷條極化方向相反，且相鄰兩陶瓷條之間設(shè)置電極片。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的聚氨酯橡膠灌封圓環(huán)換能器的機(jī)聲耦合系數(shù)不高的缺點，采用充油溢流結(jié)構(gòu)可以使得換能器的發(fā)射效率和輻射聲功率更高。本發(fā)明又克服了傳統(tǒng)的充油溢流結(jié)構(gòu)圓環(huán)換能器在實現(xiàn)較低頻率時，重量過大、制作更為困難復(fù)雜的缺點，利用了“U”型橡膠囊結(jié)構(gòu)，使得換能器的重量和制作復(fù)雜度都大大減小，同時使得換能器可以全空間輻射。本發(fā)明利用“U”型橡膠囊嵌套鑲拼陶瓷圓環(huán)，并與金屬背板連接形成整體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部充油，實現(xiàn)溢流結(jié)構(gòu)形式，而達(dá)到深海工作。其特點為重量輕，制作相對簡單，工藝可靠，電聲效率高、能實現(xiàn)全空間輻射性能，并由鑲拼圓環(huán)的液腔諧振與圓環(huán)徑向諧振耦合形成寬帶發(fā)射效果。本專利水聲換能器兼具深海工作、寬帶、低頻、大功率、重量輕等特點，可應(yīng)用于主動探測聲納，深海水聲通信、深海對抗、海洋環(huán)境監(jiān)測、海底地質(zhì)地貌探測等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明換能器結(jié)構(gòu)的主視剖面示意圖；

圖2是本發(fā)明換能器金屬背板局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明換能器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

結(jié)合圖1至圖3，本發(fā)明的深海寬帶鑲拼圓環(huán)換能器，主要包括金屬背板1、上下去耦定位圈2、鑲拼陶瓷圓環(huán)3、U型橡膠囊4、橡膠囊內(nèi)部填充的油5、定位環(huán)6、內(nèi)卡環(huán)7、外卡環(huán)8、支撐桿9、底座10、密封帽11、水密電纜頭14、螺釘15等結(jié)構(gòu)。其金屬背板上有注油孔12、出氣孔13、電連接孔16和水密槽17。陶瓷圓環(huán)上下端連接去耦定位圈2并與金屬背板1和定位環(huán)6相連接，具體的說是鑲拼陶瓷圓環(huán)上方設(shè)置有上去耦定位圈2與金屬背板1相連接，其下方設(shè)置有下去耦定位圈2與定位環(huán)6相連接；U型橡膠囊4上邊沿與金屬背板1的水密槽17，通過螺釘15和支撐桿9連接提供壓力，以保證兩者之間的水密；支撐桿9與底座10配合連接，形成換能器整體外形結(jié)構(gòu)；金屬背板上有水密電纜頭通過導(dǎo)線與鑲拼陶瓷圓環(huán)相連接，金屬背板上有注油孔12和出氣孔13，通過注油孔將U型橡膠囊4內(nèi)部空腔注滿內(nèi)部填充油5，經(jīng)密封帽11密封住注油孔和出氣孔。金屬背板1下方有與去耦定位圈2相配合的定位槽，以保證鑲拼陶瓷圓環(huán)3環(huán)向準(zhǔn)確定位；所述金屬背板的水密槽和所述的“U”型橡膠囊相連接時，有用于方便施加壓力的內(nèi)卡環(huán)7和外卡環(huán)8，并用螺釘15和帶有螺紋的支撐桿9進(jìn)行連接和施加壓力，以達(dá)到水密特性和連接強度。

本發(fā)明的鑲拼陶瓷圓環(huán)3是由n片(n由圓環(huán)半徑和楔形條尺寸決定，其中n必須為偶數(shù))楔形PZT-4壓電陶瓷條粘接成一圓環(huán)，壓電陶瓷條沿厚度方向極化，每相鄰的兩片壓電陶瓷條極化方向相反，陶瓷條之間設(shè)置電極片，在電路上采用并聯(lián)連接。并在鑲拼陶瓷圓環(huán)外側(cè)纏繞粘有環(huán)氧樹脂膠的玻璃絲用于施加預(yù)應(yīng)力，構(gòu)成完整的鑲拼陶瓷圓環(huán)。用導(dǎo)線引出正負(fù)電極與耐壓水密電纜頭14連接，水密電纜頭與金屬背板上的電連接孔連接，并通過O型圈保證水密。所述的鑲拼陶瓷圓環(huán)也可以由多個組成，這時候只需將多個圓環(huán)沿軸向方向排列連接，每兩個圓環(huán)之間增加去耦定位環(huán)，其他結(jié)構(gòu)件不變，只是按配合改變相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸即可。鑲拼陶瓷圓環(huán)由楔形陶瓷條和銅電極在圓周方向通過環(huán)氧樹脂膠拼接而成，圓環(huán)外部用玻璃絲纏繞施加預(yù)應(yīng)力。該發(fā)明特征在于，利用U型橡膠囊嵌套鑲拼陶瓷圓環(huán)，鑲拼陶瓷圓環(huán)上下端連有去耦定位圈，下端去耦定位圈再連接定位環(huán)，橡膠囊上端與金屬背板通過內(nèi)外卡環(huán)緊密連接，支撐桿連接底座形成整體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部空腔充滿油，實現(xiàn)溢流結(jié)構(gòu)形式，而達(dá)到深海工作，其重量較輕，并能實現(xiàn)全空間輻射性能，并由鑲拼圓環(huán)的液腔諧振與圓環(huán)徑向諧振耦合形成寬帶發(fā)射效果。

去耦定位圈2采用粗布結(jié)構(gòu)和環(huán)氧樹脂加工而成，其剛度較小，能起到一定去耦作用，同時在深水工作時，能保證其壓縮量很小，且有較大的電絕緣性；在結(jié)構(gòu)配合中起到上下夾持和環(huán)向定位鑲拼陶瓷圓環(huán)1的作用。

所述的金屬背板上有注油孔12、出氣孔13、電纜頭接孔16，其進(jìn)油孔和出氣孔為填充內(nèi)部油及去氣泡處理工序時所需，電纜頭接孔用于安裝鑲拼陶瓷圓環(huán)電連接的耐壓水密電纜頭14。所述的金屬背板下方有兩個與U型橡膠囊4上沿相配合連接的內(nèi)外兩個水密槽17，并水密槽深度小于“U”型橡膠囊4上沿的厚度，以保證橡膠囊與金屬背板相連接時，使得橡膠囊上沿有一定塑性變形壓縮量，在保證水密特性的同時增加兩者的連接強度，內(nèi)外水密槽內(nèi)部有均勻分布的螺紋孔，并通過內(nèi)外卡環(huán)及其六個螺釘和六個外定位桿使得橡膠囊和金屬背板能夠緊密連接，并保證水密性。

U型橡膠囊4采用透聲性、耐滲水、耐油形變較好的氯丁橡膠材料硫化而成，其具有型如字母U的結(jié)構(gòu)，頂側(cè)有內(nèi)外延伸結(jié)構(gòu)，與金屬背板水密槽17配合連接保證水密特性。所述的U型橡膠囊內(nèi)部U型壁內(nèi)外徑與定位環(huán)內(nèi)外徑尺寸一致，配合連接，實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)環(huán)向定位，U型橡膠囊內(nèi)部U型底壁與定位環(huán)底部接觸連接，“U”型橡膠囊內(nèi)壁與定位環(huán)6及金屬背板水密槽17內(nèi)邊沿相接觸，與鑲拼陶瓷圓環(huán)3內(nèi)外壁存在距離，保證鑲拼陶瓷圓環(huán)內(nèi)外壁與填充油接觸，形成溢流結(jié)構(gòu)，提高機(jī)聲耦合系數(shù)。

金屬背板1、定位環(huán)6、內(nèi)卡環(huán)7、外卡環(huán)8、支撐桿9、底座10、密封帽11、螺釘15等結(jié)構(gòu)都采用結(jié)構(gòu)強度大、耐海水腐蝕的316L不銹鋼或者鈦合金材料。

所述的底座內(nèi)邊界線為“齒”狀并鏤空，保證不阻擋聲輻射，減輕結(jié)構(gòu)重量，并與支撐桿配合連接，通過外支撐桿的長度尺寸保證底座上邊界面與U型橡膠囊下表面接觸，起到整體支撐作用，保證“U”型橡膠囊不會受重力出現(xiàn)明顯塑性變形。

本發(fā)明的深海寬帶鑲拼圓環(huán)換能器進(jìn)行制作的基本步驟為：

1、將耐壓水密電纜頭14與金屬背板1上的電連接孔16按配合連接，兩者之間安有O型圈，螺紋旋緊，保證水密性；

2、將金屬背板1反向放置，去耦定位圈2按配合連接到金屬背板上，通過兩根導(dǎo)線連接水密電纜頭和鑲拼陶瓷圓環(huán)3的正負(fù)極；

3、將鑲拼陶瓷圓環(huán)3按配合連接到去耦定位圈2上，按配合依次再連接去耦定位圈2和定位環(huán)6；

4、將U型橡膠囊4反向套入步驟3完成的整體環(huán)形結(jié)構(gòu)，直至橡膠囊外沿結(jié)構(gòu)與金屬背板上的水密槽17接觸；

5、按配合反向壓入內(nèi)卡環(huán)7和外卡環(huán)8，用內(nèi)螺釘15和外部定位桿9旋緊至配合尺寸，使得U型橡膠囊上部外沿在金屬背板密封槽17和內(nèi)外卡環(huán)之間處于塑性壓縮狀態(tài)(緊密連接)，保證水密性及連接強度，再按配合將底座10與外部定位桿9相連接；

6、將步驟1-5完成的整體翻轉(zhuǎn)過來，將油先做去氣泡處理，由金屬背板上注油孔12緩慢注入橡膠囊內(nèi)部空腔，直至出氣孔13有油溢出，表明內(nèi)部空腔已注滿油；

7、在金屬背板上表面內(nèi)外邊緣處，垂直放置兩個高度為8cm金屬圓環(huán)，與金屬背板接觸處用容易去除的硅橡膠粘接，進(jìn)一步在金屬圓環(huán)內(nèi)部注入油，至油面距金屬背板面高度5cm左右，整體放入抽真空箱中，抽真空直至液面處無氣泡溢出，停止抽真空，此時，在油液面以下擰緊帶有“O”型圈的密封帽11，封住注油孔12和出氣孔13，防止氣泡再次進(jìn)去，去除多出油液，拿下金屬圓環(huán)，完成整體操作。

本發(fā)明的換能器在水中工作時，對鑲拼陶瓷圓環(huán)3施加交變電場，在交變電場的激勵下鑲拼陶瓷圓環(huán)產(chǎn)生徑向的往復(fù)振動，鑲拼陶瓷圓環(huán)做徑向振動時，激發(fā)內(nèi)部腔體產(chǎn)生液腔振動，在腔諧振頻率處，水中的頻響曲線出現(xiàn)較大值，當(dāng)交變信號頻率達(dá)到鑲拼陶瓷圓環(huán)徑向諧振頻率時，水中的頻響曲線也同樣出現(xiàn)較大值，通過兩個模態(tài)耦合使得換能器可以較寬頻帶工作；同時，本發(fā)明因為采用U型橡膠囊4的結(jié)構(gòu)形式，所以金屬背板1中間可以開有圓孔，使得液腔振動有上下兩個輻射面，實現(xiàn)了換能器全空間輻射特性。