深海宽带镶拼圆环换能器的制作方法

本发明涉及一种水声换能器技术，尤其涉及一种深海宽带镶拼圆环换能器，可应用于主动探测声纳、深海水声通信、深海对抗、海洋环境监测、海底地质地貌探测等领域。

背景技术：

声波是人类迄今为止已知的唯一能在海水中远距离传输的能量载体。无论是军事作战，还是海洋开发，均采用声波作为运载信息的媒介。军事领域的水下的跟踪、探测、识别、通信等，民用领域的海上油气资源勘探、海洋测绘、极地科考、海底地质地貌成像、海域水文条件研究与测量，都离不开相关的水声换能器。

我国拥有1.8万公里长的海岸线以及300万平方公里的海洋国土，近年来，随着国家发展海洋战略强国的愿望愈加强烈，以及海洋开发的愈加广泛，这就要求相应的水声设备及技术更加快速发展。我国自主设计和研制的“蛟龙号”载人潜水器更是成功下潜到7000米深度，

同时，中国正在研制万米级载人深潜器“彩虹鱼”平台，它由一条5000吨级科考母船、一台万米级全海深载人潜水器、一台万米级全海深无人潜水器、三台全海深着陆器组成，计划于2016年开展无人探测马里亚纳海沟，2019年进行载人深海科考。水下世界的探索已开启新的篇章，同时也对深海的相关设备提出了新的要求与挑战，尤其对作为信息交换窗口的耐大压力的深海换能器需求更为迫切，而圆环换能器作为常用深海换能器的一类，对其进行研究具有重要意义。

目前，工作在深海常见的圆环换能器结构采用有溢流式、压力补偿、充油式等，其中，溢流式圆环换能器一般是通过聚氨酯橡胶对圆环壁进行灌封硫化，使圆环内外部水连通，形成溢流结构，所以在大静水压情况下只对陶瓷圆环壁有压力，实现深水工作。压力补偿形式一般为带有压力反馈装置的空气压缩系统，随着静水压变化对换能器内部进行充气而实现与外部的静水压平衡，实现深水工作。充油式是在换能器的内部充入填充油，随着外界压力的升高内部填充油受压产生相应的内压，达到内外压力平衡，从而使换能器能够在高静压条件下工作。以上三种形式在实际应用过程中都存在一定的缺点，通过聚氨酯橡胶硫化灌封溢流式使得陶瓷环在振动过程中与水的耦合系数下降，从而降低了换能器的最大辐射能力；压力补偿形式一般带有复杂结构的压缩机，并要求有精确的反馈系统，在实际工程应用过程中，可靠性及其灵敏方便性都大大下降；传统的充油式结构为橡胶囊完全包覆陶瓷环，而换能器的结构尺寸(重量)和工作频率存在很大的矛盾，为了实现较低频率就要使得换能器的整体结构尺寸很大，这就要求有个非常大的橡胶囊，从而使得充液所需的油非常多，这样就使得换能器的重量很大，给工程实现和应用方面都增加了很大的难度。因此，就需要有一种能够兼顾深海工作、频率低、频带宽，声源级高，重量轻的水声换能器。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决目前圆环换能器在深海应用中的问题，使换能器兼具深海工作、宽带、低频、大功率、重量轻等特点而提供一种深海宽带镶拼圆环换能器。

本发明的目的是这样实现的：包括底座、金属背板、均匀设置在金属背板与座之间的支撑杆、与金属背板下端面连接的上去耦定位圈、与上去耦定位圈连接的镶拼陶瓷圆环、设置在镶拼陶瓷圆环下端的下去耦定位圈、与下去耦定位圈下端连接的定位环、U型橡胶囊，所述U型橡胶囊嵌套在上去耦定位圈、镶拼陶瓷圆环、下去耦定位圈、定位环组成的圆环结构外部，U型橡胶囊的上端与金属背板连接，金属背板上还设置有出气孔、注油孔和电连接孔，电连接孔上设置有水密电缆头。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述金属背板下端面设置有两组环形的水密槽，U型橡胶囊的上端沿分别设置在两组水密槽中，且通过外卡环、内卡环以及螺栓实现连接，支撑杆的下端与底座固连、上端穿过外卡环、U型橡胶囊后与金属背板连接。

2.U型橡胶囊的下表面与底座的上表面接触。

3.所述U型橡胶囊是具有型如字母“U”的结构，并由透声、耐渗水、耐油的橡胶材料硫化而成。

4.所述镶拼陶瓷圆环是由n片楔形PZT-4压电陶瓷条粘接成一圆环，n为偶数，压电陶瓷条沿厚度方向极化，每相邻的两片压电陶瓷条极化方向相反，且相邻两陶瓷条之间设置电极片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明克服了传统的聚氨酯橡胶灌封圆环换能器的机声耦合系数不高的缺点，采用充油溢流结构可以使得换能器的发射效率和辐射声功率更高。本发明又克服了传统的充油溢流结构圆环换能器在实现较低频率时，重量过大、制作更为困难复杂的缺点，利用了“U”型橡胶囊结构，使得换能器的重量和制作复杂度都大大减小，同时使得换能器可以全空间辐射。本发明利用“U”型橡胶囊嵌套镶拼陶瓷圆环，并与金属背板连接形成整体结构，其内部充油，实现溢流结构形式，而达到深海工作。其特点为重量轻，制作相对简单，工艺可靠，电声效率高、能实现全空间辐射性能，并由镶拼圆环的液腔谐振与圆环径向谐振耦合形成宽带发射效果。本专利水声换能器兼具深海工作、宽带、低频、大功率、重量轻等特点，可应用于主动探测声纳，深海水声通信、深海对抗、海洋环境监测、海底地质地貌探测等领域。

附图说明

图1是本发明换能器结构的主视剖面示意图；

图2是本发明换能器金属背板局部结构示意图；

图3是本发明换能器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图3，本发明的深海宽带镶拼圆环换能器，主要包括金属背板1、上下去耦定位圈2、镶拼陶瓷圆环3、U型橡胶囊4、橡胶囊内部填充的油5、定位环6、内卡环7、外卡环8、支撑杆9、底座10、密封帽11、水密电缆头14、螺钉15等结构。其金属背板上有注油孔12、出气孔13、电连接孔16和水密槽17。陶瓷圆环上下端连接去耦定位圈2并与金属背板1和定位环6相连接，具体的说是镶拼陶瓷圆环上方设置有上去耦定位圈2与金属背板1相连接，其下方设置有下去耦定位圈2与定位环6相连接；U型橡胶囊4上边沿与金属背板1的水密槽17，通过螺钉15和支撑杆9连接提供压力，以保证两者之间的水密；支撑杆9与底座10配合连接，形成换能器整体外形结构；金属背板上有水密电缆头通过导线与镶拼陶瓷圆环相连接，金属背板上有注油孔12和出气孔13，通过注油孔将U型橡胶囊4内部空腔注满内部填充油5，经密封帽11密封住注油孔和出气孔。金属背板1下方有与去耦定位圈2相配合的定位槽，以保证镶拼陶瓷圆环3环向准确定位；所述金属背板的水密槽和所述的“U”型橡胶囊相连接时，有用于方便施加压力的内卡环7和外卡环8，并用螺钉15和带有螺纹的支撑杆9进行连接和施加压力，以达到水密特性和连接强度。

本发明的镶拼陶瓷圆环3是由n片(n由圆环半径和楔形条尺寸决定，其中n必须为偶数)楔形PZT-4压电陶瓷条粘接成一圆环，压电陶瓷条沿厚度方向极化，每相邻的两片压电陶瓷条极化方向相反，陶瓷条之间设置电极片，在电路上采用并联连接。并在镶拼陶瓷圆环外侧缠绕粘有环氧树脂胶的玻璃丝用于施加预应力，构成完整的镶拼陶瓷圆环。用导线引出正负电极与耐压水密电缆头14连接，水密电缆头与金属背板上的电连接孔连接，并通过O型圈保证水密。所述的镶拼陶瓷圆环也可以由多个组成，这时候只需将多个圆环沿轴向方向排列连接，每两个圆环之间增加去耦定位环，其他结构件不变，只是按配合改变相应结构尺寸即可。镶拼陶瓷圆环由楔形陶瓷条和铜电极在圆周方向通过环氧树脂胶拼接而成，圆环外部用玻璃丝缠绕施加预应力。该发明特征在于，利用U型橡胶囊嵌套镶拼陶瓷圆环，镶拼陶瓷圆环上下端连有去耦定位圈，下端去耦定位圈再连接定位环，橡胶囊上端与金属背板通过内外卡环紧密连接，支撑杆连接底座形成整体结构，其内部空腔充满油，实现溢流结构形式，而达到深海工作，其重量较轻，并能实现全空间辐射性能，并由镶拼圆环的液腔谐振与圆环径向谐振耦合形成宽带发射效果。

去耦定位圈2采用粗布结构和环氧树脂加工而成，其刚度较小，能起到一定去耦作用，同时在深水工作时，能保证其压缩量很小，且有较大的电绝缘性；在结构配合中起到上下夹持和环向定位镶拼陶瓷圆环1的作用。

所述的金属背板上有注油孔12、出气孔13、电缆头接孔16，其进油孔和出气孔为填充内部油及去气泡处理工序时所需，电缆头接孔用于安装镶拼陶瓷圆环电连接的耐压水密电缆头14。所述的金属背板下方有两个与U型橡胶囊4上沿相配合连接的内外两个水密槽17，并水密槽深度小于“U”型橡胶囊4上沿的厚度，以保证橡胶囊与金属背板相连接时，使得橡胶囊上沿有一定塑性变形压缩量，在保证水密特性的同时增加两者的连接强度，内外水密槽内部有均匀分布的螺纹孔，并通过内外卡环及其六个螺钉和六个外定位杆使得橡胶囊和金属背板能够紧密连接，并保证水密性。

U型橡胶囊4采用透声性、耐渗水、耐油形变较好的氯丁橡胶材料硫化而成，其具有型如字母U的结构，顶侧有内外延伸结构，与金属背板水密槽17配合连接保证水密特性。所述的U型橡胶囊内部U型壁内外径与定位环内外径尺寸一致，配合连接，实现整体结构环向定位，U型橡胶囊内部U型底壁与定位环底部接触连接，“U”型橡胶囊内壁与定位环6及金属背板水密槽17内边沿相接触，与镶拼陶瓷圆环3内外壁存在距离，保证镶拼陶瓷圆环内外壁与填充油接触，形成溢流结构，提高机声耦合系数。

金属背板1、定位环6、内卡环7、外卡环8、支撑杆9、底座10、密封帽11、螺钉15等结构都采用结构强度大、耐海水腐蚀的316L不锈钢或者钛合金材料。

所述的底座内边界线为“齿”状并镂空，保证不阻挡声辐射，减轻结构重量，并与支撑杆配合连接，通过外支撑杆的长度尺寸保证底座上边界面与U型橡胶囊下表面接触，起到整体支撑作用，保证“U”型橡胶囊不会受重力出现明显塑性变形。

本发明的深海宽带镶拼圆环换能器进行制作的基本步骤为：

1、将耐压水密电缆头14与金属背板1上的电连接孔16按配合连接，两者之间安有O型圈，螺纹旋紧，保证水密性；

2、将金属背板1反向放置，去耦定位圈2按配合连接到金属背板上，通过两根导线连接水密电缆头和镶拼陶瓷圆环3的正负极；

3、将镶拼陶瓷圆环3按配合连接到去耦定位圈2上，按配合依次再连接去耦定位圈2和定位环6；

4、将U型橡胶囊4反向套入步骤3完成的整体环形结构，直至橡胶囊外沿结构与金属背板上的水密槽17接触；

5、按配合反向压入内卡环7和外卡环8，用内螺钉15和外部定位杆9旋紧至配合尺寸，使得U型橡胶囊上部外沿在金属背板密封槽17和内外卡环之间处于塑性压缩状态(紧密连接)，保证水密性及连接强度，再按配合将底座10与外部定位杆9相连接；

6、将步骤1-5完成的整体翻转过来，将油先做去气泡处理，由金属背板上注油孔12缓慢注入橡胶囊内部空腔，直至出气孔13有油溢出，表明内部空腔已注满油；

7、在金属背板上表面内外边缘处，垂直放置两个高度为8cm金属圆环，与金属背板接触处用容易去除的硅橡胶粘接，进一步在金属圆环内部注入油，至油面距金属背板面高度5cm左右，整体放入抽真空箱中，抽真空直至液面处无气泡溢出，停止抽真空，此时，在油液面以下拧紧带有“O”型圈的密封帽11，封住注油孔12和出气孔13，防止气泡再次进去，去除多出油液，拿下金属圆环，完成整体操作。

本发明的换能器在水中工作时，对镶拼陶瓷圆环3施加交变电场，在交变电场的激励下镶拼陶瓷圆环产生径向的往复振动，镶拼陶瓷圆环做径向振动时，激发内部腔体产生液腔振动，在腔谐振频率处，水中的频响曲线出现较大值，当交变信号频率达到镶拼陶瓷圆环径向谐振频率时，水中的频响曲线也同样出现较大值，通过两个模态耦合使得换能器可以较宽频带工作；同时，本发明因为采用U型橡胶囊4的结构形式，所以金属背板1中间可以开有圆孔，使得液腔振动有上下两个辐射面，实现了换能器全空间辐射特性。