专利名称：深海压电水声换能器及其制造方法
技术领域：
本发明属于深海海洋探测和水声通讯技术，具体地说，本发明涉及一种能够在深海或者高静水压力下使用的压电水声换能器及其制造方法。
背景技术：
深海海洋资源探测和开发的迫切需求，带动了适用于深海条件的探测和运载装备的快速发展，这些装备通常要求配置专用通讯、导航和探测声纳系统才能进行自主航行、完成水下探测作业，水声换能器是声纳系统的关键器件，它是声纳系统与外界交换信息的主要窗口，其性能决定了声纳系统乃至整个探测装备的整体性能指标，装备于可深海条件下作业的探测装备的声纳系统，其水声换能器必须确保能在深海条件下正常工作。工作在深海条件下的水声换能器须能承受高的静水压力作用，换能器要求采用特殊的耐压结构或内外压力平衡设计，如采用释压机构(材料)、压力补偿结构、充油式、溢流式等形式。目前，在大深度水声换能器设计中常采用充油式结构，即在换能器内部充入硅油(要求温度、压力和性能稳定性好，绝缘，与水阻抗匹配性好)，利用硅油的不可压缩性，随着外界压力的升高换能器内部硅油受压产生相应的内压，达到内外压力之平衡，从而使换能器能够工作在高静压条件下。在这类充油式换能器设计中，重要的问题是换能器所充硅油的性能参数，它决定了换能器的电声性能指标；换能器压电组件的耐压强度、电极输出插座和充油油嘴的结构水密和耐压性直接决定了其工作压力上限；换能器的装配工艺包括油囊与基座的连接、充油工艺等也是影响换能器性能的重要因素。目前已有的水声换能器存在耐静水压力低、工作深度小、不能同时具备宽带和半空间指向性的特性等不足。
因此，就希望有一种能够在深海条件下工作的高灵敏度、宽带、半空间指向性的深海压电水声换能器。
发明内容
本发明的目的就是解决目前在深海探测和通讯声纳系统中急需的能够在深海条件下工作的高灵敏度、宽带、半空间指向性的且成本较低的水声换能器问题，从而提供一种改进的深海压电水声换能器及其制造方法。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案一种深海压电水声换能器，包括压电陶瓷管，所述压电陶瓷管在其纵向两端分别安装上支承架和下支承架，整体安装在一个一端封闭另一端开口的筒形油囊内，一个底座固定到所述油囊的开口端上将所述油囊密封；所述底座上设有两个电极输出插座，所述两个电极输出插座的电极插针通过导线分别与所述压电陶瓷圆管的外壁和内壁电连接；所述底座上设有一用于向油囊中注油的油孔，油孔中安装一油嘴；所述油囊中注满硅油。
在上述技术方案中，进一步地，所述油嘴通过螺纹安装在所述油孔中。
在上述技术方案中，进一步地，所述底座和所述油囊在两者接触处有多个用于增强紧固的环形凸沿和凹槽。
在上述技术方案中，进一步地，还包括在所述油囊开口端外侧有一个卡槽和一用于紧固的弹性卡环卡紧在所述底座和所述油囊的接触处外侧的所述卡槽内。
在上述技术方案中，进一步地，所述电极输出插座是由电极插针和插针堵头构成的组合结构，并用环氧玻璃纤维材料封装在所述底座上，使得电极插针与底座绝缘、水密且连接牢固。
上述技术方案中，进一步地，所述压电陶瓷圆管采用发射和接收共用型锆钛酸铅压电陶瓷材料，如PZT-4，制成圆管形且径向极化，外壁为正极、内壁为负极。
上述技术方案中，进一步地，所述上支承架、下支承架均由抗压强度大的非金属材料(要求是绝缘、耐油材料)如环氧玻璃纤维材料加工而成。
上述技术方案中，进一步地，所述油囊是采用水密且能透声的橡胶材料做成；所述橡胶材料是氯丁橡胶材料，或JA-S浇注型聚氨脂橡胶材料。
一种上述深海压电水声换能器的制造方法，包括如下步骤1)将压电陶瓷管固定在上、下支承架之间，再整体装入油囊中；2)将两个电极输出插座通过高温环氧添加玻璃纤维增强封装在底座上，使得电极插针与底座绝缘、水密并且连接牢固；3)将油囊通过卡环紧箍在底座上，使得压电陶瓷管、上下支承架压紧在底座上，在油囊内构成一个柱形封闭空腔；
4)将硅油经过去气泡处理后，由底座上注油孔注入换能器内腔，再经去气泡处理后将油嘴安装在底座注油孔处，再由油嘴充入适量硅油，在油囊内保持大于外界的内压力，最后用密封橡胶垫和油孔堵头将底座上安装油嘴后的注油孔密封。
上述技术方案中，进一步地，上述步骤3)具体分为以下步骤(1)将弹性卡环套入油囊的卡槽中；(2)将油囊扣入底座带环形卡槽的一端，使得底座和油囊的多个用于增强紧固的环形凸沿和凹槽相互卡住；(3)对卡环施加均匀周向压力使其发生塑性变形，将油囊紧箍在底座上。
上述技术方案中，进一步地，所述的硅油去气泡处理包括以下步骤(1)将硅油盛入容器中放入烘箱加温至80℃～100℃，并且保温45分钟-75分钟；(2)从烘箱中取出，连同容器一起置于超声波振动器内部盛高于80℃的热水中，利用超声波振动除去油液中的气泡；(3)放入真空烘箱中抽真空，直至油液中无气泡溢出时，停止抽真空，完成硅油去气泡处理过程。
上述技术方案中，进一步地，所述步骤4)具体包括以下步骤(1)使换能器倾斜，将去气泡后的硅油经底座上注油孔注入换能器内腔，在此过程中保持注油孔不被油全部占满，留有出气间隙；(2)注满油后，再围绕注油孔的换能器底座处直立粘结一个内径大于注油孔直径的注油管；(3)经注油管内壁继续向换能器内腔注油，并使注油管中的油面保持高于底座面1.5cm-2.5cm，将换能器置于真空烘箱中升温至50℃～60℃抽真空处理；(4)自然冷却至室温后，搁置待换能器内油液稳定，再将油嘴沿注油管沉入换能器底座注油孔中，拧紧油嘴；(5)卸去外置注油管，通过油枪由油嘴压入硅油，在换能器油囊内保持大于外界的内压力。
进一步地，所述注油管是有机玻璃材料做成的圆形管。
与现有技术相比，本发明的优点在于1)发明的换能器具有工作频带宽、灵敏度高、半空间指向性、抗静水压高的特点，具备在7000米水下工作的能力。
2)可以通过调节压电陶瓷圆管的尺寸、硅油参数、油囊尺寸、与障板的距离等参数，改变换能器液腔与径向振动的耦合特性，来控制换能器的工作带宽和指向性。
3)本发明涉及的电极输出插座具有结构简单，利用高温环氧添加玻璃纤维增强封装在换能器底座上，既保证了与底座的绝缘性，又连接牢固，耐静压强度高。
4)提供的油嘴结构简单、水密性能好、承压高。
5)换能器的充油和去除油中的气泡工艺简单，简便易行，有效地减少了硅油中含的气泡，而避免使用复杂的充油工艺设备。
图1是本发明一实施例中的深海压电水声换能器结构示意图；其中图1(a)是换能器正视剖视图；图1(b)是换能器俯视图；图1(c)是换能器底座安装油嘴后沿图1(b)中A-A线的局部剖面图。
图2是本发明一实施例中的压电陶瓷圆管示意图；图3是本发明一实施例中的电极输出插座结构示意图；图4是本发明一实施例中的安装电极输出插座的底座结构示意图；图5是本发明一实施例中的油嘴结构示意图；图6是本发明一实施例中深海压电水声换能器的响应特性、指向性图；其中6(a)是换能器的发射响应特性；图6(b)是换能器的接收响应特性；图6(c)是换能器8kHz、10kHz、12kHz频率的水平指向性图；图6(d)是换能器8kHz、10kHz、12kHz频率的垂直指向性图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述本发明的一个具体深海压电水声换能器的实施结构示意图由图1给出。由压电陶瓷圆管1、上支承架2、下支承架5、密封透声橡胶油囊3、硅油4、卡环6、支承底座7、电极输出插座8(具体如图3)和油嘴9(具体如图1(c)、图5)等组成。
如图2所示的压电陶瓷圆管1是换能器的关键元件之一，采用PZT-4压电陶瓷材料制成径向极化的圆管结构，外壁为正极、内壁为负极，其尺寸决定了最终换能器的性能，。本实施例中压电陶瓷圆管的尺寸为86×74×43mm。
上支承架2和下支承架5起支撑压电陶瓷圆管1的作用，同时在装配时能保证压电陶瓷圆管与支承底座7之间的距离，均由环氧玻璃纤维材料加工而成。
油囊3既要求水密又要求能透声，是采用JA-S浇注型聚氨脂橡胶材料及相关工艺、通过模具硫化处理后形成的薄壁橡胶油囊，其外径106mm，高度74mm，壁厚4mm，在油囊开口端内侧硫化均匀分布的截面是半圆形的环形凸沿10，外侧硫化一环形槽12，装配时用于放置卡环6。
如图3所示的电极输出插座8为由插针15和插针堵头16构成的组合结构，插针15是用黄铜材料制成，插针堵头16用环氧玻璃纤维材料制成。装配时，首先将一“O”型圈17(1.8×1.8mm)套在插针15上，然后将插针拧紧在插针堵头16上，再将一8×1.8mm的“O”型圈18装在环氧插针堵头上后一起旋紧在支承底座7的插座孔处，最后用高温环氧树脂添加玻璃纤维的粘结工艺将电极插座8封装在支承底座上(如图4所示)，并标注电极的正负极。由于插座堵头采用环氧玻璃纤维材料制成，保证了插针与支承底座的绝缘性；采用的环氧玻璃纤维增强型粘结工艺保证插座的具有高的抗静压强度和水密性。
如图5所示油嘴9为由油针19、弹簧19和油嘴座20装配而成的组合结构，油针19和油嘴座21用不锈钢材料制成，弹簧20用弹簧钢丝制成。装配时，先将弹簧套在油针上，再一起压入油嘴座孔中，然后将一“O”型圈24(6×1.8mm)从油嘴座另一端套入油针的环形槽25中，松开油针让油针在弹簧力作用下自然回弹使“O”型圈24与油嘴座密封面压紧，保证了油嘴的密封性；再将一“O”型圈22(9×1.8mm)嵌入如图5所示的位置；最后将一“O”型圈23(11×1.9mm)安装在油嘴座上，至此油嘴9装配完毕。
换能器装配前要将所用元器件清洗干净、准备好，按如下顺序进行装配(1)检测压电陶瓷圆管1的电性能，要求径向谐振频率fr＝12.4±0.2kHz，电容C0＝25±1nF。
(2)在压电陶瓷圆管1的内外壁上各焊一根不同颜色的高温导线，标明正负极，并在焊点处涂上适量914环氧胶加固焊点，如图2所示。
(3)将卡环6套在密封透声橡胶油囊3开口端外侧的环形槽12中，再将焊好电极线的压电陶瓷圆管1卡在上下两个支承架2、5间，如图1(a)所示，整体推入带卡环6的密封透声橡胶油囊3中，要求上支承架2一端朝向油囊闭口端。
(4)按前述工艺将电极输出插座8装配在支承底座7上，如图4所示。
(5)将压电陶瓷圆管1的输出导线分别焊接在如图4所示支承底座的电极插座8的正负电极插针上，并用环氧胶进行焊点加固，如图1(a)所示。
(6)将上述装有压电陶瓷圆管的油囊扣压在如图4所示的支承底座7带环形凹槽11的一端，使油囊3开口端内侧的环形凸沿10全部落入底座的环形凹槽11中，保证压电陶瓷圆管1、上下支承架2和5、支承底座7和油囊3压紧，在油囊内构成一个圆柱形封闭空腔，如图1(a)所示。
(7)通过缩管设备对图1上所示的卡环6施加均匀周向压力使其发生塑性变形，将油囊3紧箍在支承底座7上。机械装配完的压电换能器外形尺寸为106×80mm。
(8)按下述去气泡步骤将硅油预先进行去气泡处理，盛入容器中以备后用(a)将硅油盛入容器中放入烘箱加温至80℃～100℃，并且保温1小时或1小时左右；(b)从烘箱中取出，连同容器一起置于超声波振动器内部盛高于80℃的热水中，利用超声波振动除去油液中的气泡；(c)放入真空烘箱中抽真空，直至油液中无气泡溢出时，停止抽真空，完成硅油去气泡处理过程。
(9)按下述操作步骤将硅油注入换能器内腔(a)使换能器倾斜，将去气泡后的硅油经底座上注油孔缓慢注入换能器内腔，在此过程中保持注油孔不被油全部占满，留有出气间隙；(b)注满油后，再围绕注油孔的换能器底座处直立粘结一个内径大于注油孔直径的有机玻璃圆形注油管；(c)经注油管内壁继续缓慢向换能器内腔注油，并使注油管中的油面保持高于底座面2cm左右，将换能器置于真空烘箱中升温至50℃～60℃抽真空处理；(d)自然冷却至室温后，搁置待换能器内油液稳定，再将油嘴沿有机玻璃注油管沉入换能器底座注油孔中，拧紧油嘴；(e)卸去外置注油管，通过油枪由油嘴压入硅油，在换能器油囊内保持大于外界的内压力。
(10)最后用耐油密封橡胶垫13和油孔堵头14将换能器底座注油孔密封，形成完整的深海充油压电水声换能器，如图1(a)所示。
本实施例提供的压电水声换能器能够承受78MPa的高静水压力。对本实施例提供的换能器进行性能测试，结果参见图6，换能器的发射电压灵敏度Sv＝136±3dB，工作频率范围大于8～18KHz；接收电压灵敏度M0＝-183±4dB，工作频率范围大于6～16KHz；换能器具有半球指向性的特点。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种深海压电水声换能器，包括压电陶瓷管；其特征在于，所述压电陶瓷管的纵向两端分别安装上支承架和下支承架，整体安装在一个一端封闭另一端开口的筒形油囊内，一个底座固定到所述油囊的开口端上将所述油囊密封；所述底座上设有两个电极输出插座，所述两个电极输出插座的电极插针通过导线分别与所述压电陶瓷圆管的外壁和内壁电连接；所述底座上设有一用于向油囊中注油的油孔，油孔中安装一油嘴；所述油囊中注满硅油。
2.根据权利要求1所述深海压电水声换能器，其特征在于，所述底座和所述油囊在两者接触处有用于增强紧固的环形凸沿和凹槽。
3.根据权利要求1所述深海压电水声换能器，其特征在于，还包括在所述油囊开口端外侧有一个卡槽和一用于紧固的弹性卡环卡紧在所述底座和所述油囊的接触处外侧的所述卡槽内。
4.根据权利要求1所述深海压电水声换能器，其特征在于，所述电极输出插座是由电极插针和插针堵头构成的组合结构，并用环氧玻璃纤维封装在所述底座上。
5.根据权利要求1所述深海压电水声换能器，其特征在于，所述压电陶瓷管采用发射和接收共用型锆钛酸铅压电陶瓷材料制成圆管形且径向极化，外壁为正极、内壁为负极。
6.根据权利要求1所述深海压电水声换能器，其特征在于，所述油囊是采用水密且透声的橡胶材料做成。
7.一种权利要求1-6任一项所述深海压电水声换能器的制造方法，包括如下步骤1)将压电陶瓷管固定在上支承架和下支承架之间，再整体装入油囊中；2)将两个电极输出插座通过环氧玻璃纤维材料封装在底座上，使得电极插针与底座绝缘、水密并且连接牢固；3)将油囊通过卡环紧箍在底座上，使得压电陶瓷管、上支承架、下支承架压紧在底座上，在油囊内构成一个柱形封闭空腔；4)将硅油经过去气泡处理后，由底座上注油孔注入换能器内腔，再经去气泡处理后将油嘴安装在底座注油孔处，再由油嘴充入适量硅油，在油囊内保持大于外界的内压力，最后用密封橡胶垫和油孔堵头将底座上安装油嘴后的注油孔密封。
8.根据权利要求7所述深海压电水声换能器的制造方法，其特征在于，所述步骤3)具体分为以下步骤(1)将弹性卡环套入油囊的卡槽中；(2)将油囊扣入底座带环形卡槽的一端，使得底座和油囊的用于增强紧固的环形凸沿和凹槽相互卡住；(3)对卡环施加均匀周向压力使其发生塑性变形，将油囊紧箍在底座上。
9.根据权利要求7所述深海压电水声换能器的制造方法，其特征在于，所述步骤4)中的硅油去气泡处理包括以下步骤(1)将硅油盛入容器中放入烘箱加温至80℃～100℃，并且保温45分钟-75分钟；(2)从烘箱中取出，连同容器一起置于超声波振动器内部盛高于80℃的热水中，利用超声波振动除去油液中的气泡；(3)放入真空烘箱中抽真空，直至油液中无气泡溢出时，停止抽真空，完成硅油去气泡处理过程。
10.根据权利要求7所述深海压电水声换能器的制造方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括以下步骤(1)使换能器倾斜，将去气泡后的硅油经底座上注油孔注入换能器内腔，在此过程中保持注油孔不被油全部占满，留有出气间隙；(2)注满油后，再围绕注油孔的换能器底座处直立粘结一个内径大于注油孔直径的注油管；(3)经注油管内壁继续向换能器内腔注油，并使注油管中的油面保持高于底座面1.5cm-2.5cm，将换能器置于真空烘箱中升温至50℃～60℃抽真空处理；(4)自然冷却至室温后，搁置待换能器内油液稳定，再将油嘴沿注油管沉入换能器底座注油孔中，拧紧油嘴；(5)卸去外置注油管，通过油枪由油嘴压入硅油，在换能器油囊内保持大于外界的内压力。
全文摘要
本发明公开了一种深海压电水声换能器及其制作方法。该换能器包括压电陶瓷管，所述压电陶瓷管的两端安装上支承架和下支承架，整体安装在筒形油囊内，一个底座固定到所述油囊的开口端上将所述油囊密封；所述底座上设有两个电极输出插座，所述两个电极输出插座的电极插针通过导线分别与所述压电陶瓷圆管的外壁和内壁电连接；所述底座上设有一用于向油囊中注油的油孔，油孔中安装一油嘴；所述油囊中注满硅油。该方法包括如下步骤1)压电陶瓷管整体装入油囊中；2)将两个电极输出插座封装在底座上；3)将油囊紧箍在底座上；4)将硅油去气泡处理，注入换能器内腔。本发明的换能器具有工作频带宽、灵敏度高、半空间指向性、抗静水压高的特点。
文档编号H04R17/00GK101072452SQ20061017055
公开日2007年11月14日 申请日期2006年12月26日 优先权日2005年12月27日
发明者李俊宝, 解宝兴, 夏金东, 高俊琴, 李宗杰 申请人:中国科学院声学研究所