專利名稱:水聲用寬頻帶高靈敏度指向性換能器的制作方法
本發(fā)明屬于一種聲吶用換能器。
在水聲換能器及近場(chǎng)測(cè)量陣中，有很多情況是選用壓電陶瓷園管作陣元排布成指向性換能器。目前通用的結(jié)構(gòu)是美國(guó)USRD的I、D·Groves，Jr在AD 684768中給出的。它是用橡膠制的O形環(huán)密封用作陣元的靈敏元件壓電陶瓷園管，再用橡膠圈將陣元夾持在烏籠式金屬框架上定位，最后置入充油套或用橡膠包封。這種技術(shù)在實(shí)施中存在一些缺點(diǎn)。首先，O形環(huán)的制作及配合精度要求高。由于O形環(huán)存在著諸如內(nèi)收、增厚、離層、皺折一類問(wèn)題，在使用O形環(huán)作密封用時(shí)須嚴(yán)格挑選。這便提高了換能器的制作成本。其次，含硫橡膠對(duì)靈敏元件的銀層電極有腐蝕作用，所以，須選用無(wú)硫橡膠制作O形環(huán)，這又提高了換能器的制作成本。在壓電陶瓷園管的內(nèi)壁面上焊的信號(hào)線通過(guò)O形環(huán)密封地穿引給換能器裝配工作帶來(lái)困難。僅僅靠O形環(huán)的自應(yīng)力完成密封還存在著對(duì)水、油、氣的滲、泄問(wèn)題，而這些問(wèn)題在水聲換能器中須嚴(yán)加予防。致于框架結(jié)構(gòu)只靠橡膠圈夾持很難保證陣元的聲中心準(zhǔn)確定位，并且在長(zhǎng)陣時(shí)難于保證垂直度，為盡量減少框架的破壞性散射影響金屬絲不能做得太粗。
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠消除因?yàn)橛肙形環(huán)密封和框架結(jié)構(gòu)而帶來(lái)的缺點(diǎn)的換能器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配容易，成品率高，一致性好。全部采用機(jī)加工件保證聲中心位置準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)成帶有軟襯環(huán)的低通機(jī)械濾波器和活塞增壓比使可以在較寬頻帶上獲得高靈敏度。
本發(fā)明的要點(diǎn)是設(shè)計(jì)出如圖1所示的管形金屬連接件1，它既有低通機(jī)械濾波器的作用，又有機(jī)械放大器作用。管形金屬連接件1的兩端前緣帶有徑向順性很大的軟襯環(huán)(20)。薄園環(huán)的集總順性表達(dá)式為
CM＝rcP/2πth1E
式中rcp為平均直徑，t為環(huán)的壁厚，h1為環(huán)的高度，E為楊氏模量。設(shè)計(jì)取t＝0.2～0.5mm，h1＝0.3～1.0mm，軟襯環(huán)(20)的順性較靈敏元件大50～200倍。這樣的軟襯環(huán)起分路濾波器作用，保證靈敏元件徑向運(yùn)動(dòng)自由，克服Tonpilz耦合振動(dòng)影響。
圖1是管形金屬連接件(1)的剖面圖。
圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明在水池中實(shí)測(cè)得的自由場(chǎng)開路接收頻響特性曲線。
圖4是本發(fā)明在水池中在f＝15.0KC時(shí)的實(shí)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)水平指向性圖。
圖5是本發(fā)明在水池中在f＝7.5KC時(shí)的垂直指向性圖。
本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施結(jié)構(gòu)所包含的各部件由圖2給出。其中(1)為管形金屬連接件，(2)為靈敏元件壓電陶瓷園管，(3)為剛性直桿，(4)為引出線，(5)為絕緣墊片，(6)為壓緊螺帽，(7)為玻璃鋼芯柱，(8)為雙芯屏蔽輸出電纜，(9)為屏蔽網(wǎng)，(10)為屏蔽網(wǎng)托架，(11)為膠封點(diǎn)。
在裝配時(shí)，將各部件的交接部分涂一薄層環(huán)氧樹脂在(3)上參差相間同心組裝，再用螺帽(6)壓緊，待膠固化后便成為渾然一體的陣芯。將陣芯裝上屏蔽網(wǎng)(9)后置于玻璃管模具中用JA-2S＃聚氨脂膠灌封即可。
件(7)開槽是為改善密封效果。當(dāng)用此種換能器排布大型面陣時(shí)以件(7)中心線校正聲中心位置。選用廉價(jià)的普通玻璃管作為模具是因?yàn)樗菀装l(fā)現(xiàn)在工藝過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題(如氣泡、臘狀物)并可以及時(shí)補(bǔ)救。模具亦可用黃銅管或鋁管做。
設(shè)計(jì)時(shí)取件(1)的端面積S1＝ (π)/4 (C2-B2)較靈敏元件(2)的橫截面積S2為大，這樣件(1)的端部(30)提供一個(gè)活塞增壓比γ＝S1/S2，提高了靈敏度。
件(8)起機(jī)械骨架支撐作用，垂直度調(diào)整在0.5mm之內(nèi)，可用黃銅、鋁和鋼管做，與件(1)滑配合。其它諸件的機(jī)械加工精度容易控制在0.05mm之內(nèi)，這樣可以保證換能器陣元聲中心位置準(zhǔn)確。
已做出的換能器采用的PZT-5壓電材料性能為g31＝-11.9×10-3v·m/N，g33＝35.0×10-3v·m/N，ε＝1700，E＝6.0×1010N/M2。本設(shè)計(jì)取圖2中件(2)尺寸為φ15×φ13×15mm的徑向極化園管。件1可用黃銅、鎂鋁合金和硬鋁，本設(shè)計(jì)取鎂鋁合金材料做，其中h1＝0.5mm，h2＝1.0mm，h2＝2.0mm，t＝0.5mm，φA＝8.5mm，γ＝2，L＝42.25mm。件(3)外表涂絕緣漆或膠層，本設(shè)計(jì)用φ8.0×1.5mm黃銅管包敷環(huán)氧玻璃布。聲陣含有11元，間距為56.25mm，電串聯(lián)，低頻電容為800pf。采用雙端對(duì)稱輸出降低同相干擾。換能器長(zhǎng)730mm，重量800克。
從圖3可見，頻響特性平滑，在f＝0.5～20KC的范圍內(nèi)開路接收電壓靈敏度起伏在±1db之內(nèi);如果取起伏為±2db時(shí)，工作頻帶寬度可以擴(kuò)展到0.5-50.0KC。不帶前置放大器時(shí)的接收靈敏度M＝100μV/μb。從圖4可見，水平方向至15KC無(wú)指向性。圖5示出垂直向性呈8字型。附表示出本發(fā)明的具體裝置在幾個(gè)典型頻率上的垂直指向性波束參數(shù)，A為設(shè)計(jì)值，B為在水池中遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，θ3為-3db波束開角，BS為最大旁瓣電平，γ1為第一旁瓣出現(xiàn)的角度。從附表可見，參數(shù)θ3、BS和γ1的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值符合，Bsmax＜-13.3db。本發(fā)明的具體裝置在0.5～20KC相位不一致性在±2°之內(nèi)。

由前述可知，件1有效地克服了多個(gè)Tonpilz耦合振動(dòng)對(duì)頻響特性的破壞性干擾，抑制了不需要的振動(dòng)模式，使元件(2)與件(1)及件(3)間去耦?；钊鰤罕忍岣吡遂`敏度。
由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)振動(dòng)、強(qiáng)沖擊、溫度、跌落、霉菌腐蝕及60大氣壓的靜水壓力實(shí)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)可靠，技術(shù)性能指標(biāo)變化在1db之內(nèi)，性能穩(wěn)定。
本發(fā)明所提供的換能器可以用做接收器，亦可用做發(fā)射器，便于根據(jù)特定需要靈活地設(shè)計(jì)、靈活地組裝。用本發(fā)明提供的換能器可以方便地排布大型平間陣、柱形陣、弧形陣，可以在水聲物理、海洋考察、聲陣研究及國(guó)防工程中使用。
權(quán)利要求
1、一種以壓電陶瓷圓管作靈敏元件的換能器，其特征在于壓電陶瓷圓管(2)通過(guò)管形金屬連接件(1)在剛性直桿(3)上同心組裝成的換能器。
2、按照權(quán)利要求
1所說(shuō)的換能器，其特征在于所說(shuō)的壓電陶瓷園管(2)是PZT-5材料制成的徑向極化圓管。
3、按照權(quán)利要求
1所說(shuō)的換能器，其特征在于所說(shuō)的管形金屬連接件(1)是鎂鋁合金材料制成，也可以用黃銅或鋁制成。
4、按照權(quán)利要求
1所說(shuō)的換能器，其特征在于管形金屬連接件(1)帶有軟墊環(huán)(20)，其高h(yuǎn)1在0.3至1.0mm，其壁厚t在0.2至0.5mm范圍之內(nèi)。
5、按照權(quán)利要求
1所說(shuō)的換能器，其特征在于管形金屬連接件1端部(30)提供活塞增壓比γ＝S1/S2，S2為圓管(2)的截截面積。
6、按照權(quán)利要求
1所說(shuō)的換能器，其特征在于所說(shuō)的剛性直桿(3)為黃銅、鋁或鋼制成的桿形或圓管形，其外表涂以絕緣漆或膠層或環(huán)氧玻璃布，與管形金屬連接件(1)滑配合，其垂直度控制在0.5mm之內(nèi)。
專利摘要
本發(fā)明是將壓電陶瓷圓管通過(guò)管形金屬連接件在剛性直桿上進(jìn)行模塊式同心組裝而成的雙指向性聲陣。中空的管形金屬連接件設(shè)計(jì)成帶有低通機(jī)械濾波器和活塞增壓比。整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，加工和裝配容易，成品率高，陣元的聲中心位置準(zhǔn)確，一致性好，工作頻帶寬，靈敏度高，不帶前放時(shí)的開路接收電壓靈敏度為100μv/μb，可承受振動(dòng)、強(qiáng)沖擊、溫變、跌落及較高靜水壓力，結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定。
文檔編號(hào)G10K11/00GK85103020SQ85103020
公開日1986年10月15日 申請(qǐng)日期1985年4月18日
發(fā)明者陳毅鋒, 徐其昌, 孫德興, 解寶興 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan