专利名称:复合陶瓷宽带水听器及其工艺的制作方法
本发明属于水声领域中的一种水听器及其工艺。
水听器的频带要作得很宽，达到200KHZ和无方向性，关键是设计并选取一种理想的灵敏元件。频带宽元件就要小。1970年美国声学杂志发表美国海军研究所声学计量分部设计的一种探针式水听器(J.A.S.A.Vol 48 P 725-728(1970))，频带是lOHZ～200KHZ，灵敏元件采用了压电陶瓷小园管，直径是3.2mm，管高3.2mm，壁厚0.76mm。水听器的灵敏度为-216dB(OdB＝lv/μPa)。1977年丹麦B&K公司产品目录中介绍了8103水听器，使用频带可达200KHZ(灵敏度起伏-10dB)，而平坦部分小于125KHZ(灵敏度起伏±2dB)，水听器的灵敏度为-211dB。压电陶瓷小园管外径大约是6.5mm。国内还报导过用特殊工艺将园管做成注射器的针头那样小以实现更宽的频带(见“频标与显示”1980年第2期p70-73，中国科学院武汉物理所。内刊)，当然这种水听器的灵敏度就更低了。设计小型元件，不但给制造带来困难，而且要实现对元件的声屏蔽，去耦，支撑，密封等还都给水听器工艺增添麻烦，结构设计更为考究。小尺寸的元件虽然能使水听器频带宽，但灵敏度很低使用受到限制。
1976年美国海军研究所P.C.Pohanka(P.C.Pohanka R.W.Rice Report NRL Progress Feb(1978))和宾夕法尼亚大学的L.E Cross(Mat.Res.Bull.13 p525-536(1978))发现了压电陶瓷和人造橡胶复合物可以提高压电性和柔顺性。1978年以后陆续见到有关复合陶瓷材料的研究报导，但都没见到应用的报导。1980年中国科学院声学所开始了复合陶瓷材料的研究工作。
本发明的目的就在于采用一种新的复合压电材料作灵敏元件，努力实现水听器的宽带(达到200KHZ)，无方向性和高灵敏度，并力求水听器结构简单，工艺容易。
本发明采用了二片或三片直径为φ4.5mm～φ5.0mm厚度为1.6mm的夹心式复合陶瓷园片，园片直径的选取约等于频带上限时水中波长的一半。在安装方式上，采用上下十字交叉的排列，也就是说垂直于园片表面的轴线相互成90度，一片在上，一片在下。上下两片净间距1～2mm，间距不能太窄，否则在灌胶时在缝隙里容易形成气泡。这样的安装目的在于能形成一个十分理想的水平无方向性的特性。
在电接线上采取并联方式以提高水听器的静电容。正，负极的接线都必须采用单股裸线(无绝缘外皮)。本发明采用了0.1mm的镀银导线，电极上的焊点要尽可能小。
二个园片的定位不用支撑架，完全靠二根电极引线。电极引线不能太长，一般从下面的那片园片算起到固定小铜管端面的净距离在5～10mm之范围内为好，不要超过10mm。负极引线焊在直径为φ2mm，长40mm的铜管(固定小铜管)的外表面上。正极引线焊在铜管内引出的带有绝缘外皮的导线上。有绝缘皮的导线事先应和铜管固定，本发明采用室温固化的环氧树脂，室温硫化硅橡胶和502胶三种方式效果一样。焊接好的电极引线牢牢地和小铜管及铜管中的芯线(有绝缘外皮的导线)固定。这样电极引线既是电的通路，又起到了对片子支撑和定位的作用。当然也可以将铜管中的芯线留有一定长度直接焊在片子的正极上。由于芯线是多股线、焊接前注意在导线上挂一层薄薄的锡，让它形成类似单股线，锡不能太多要尽可能保证导线的柔软，否则在焊电极和片子定位操作成交叉十字形时容易把片子的银层损坏，引线脱掉。使用单股引线或挂锡多股线极为重要，以避免在灌胶工艺中产生微小气泡，影响水听器的性能。
焊好定位好的片子要开始进行清洁处理，一般用丙酮或无水乙醇、用棉花或棉丝醮溶剂擦整个园片，焊点、小铜管，引线等各部分。由于夹心式复合陶瓷中间层孔隙较多要尽可能防止有机溶剂渗入，棉花上的溶剂用量要越少越好，擦洗后用红外线灯烤半小时左右，促使孔隙内的溶剂挥发。
为了保证灌胶质量，必须对片子进行防泡处理。最好在夹心陶瓷园片的侧壁上涂上一层薄薄的室温固化环氧树脂或室温硫化硅橡胶，防止灌胶时产生气泡。当夹心复合陶瓷园片灌注了高分子聚合物将孔隙基本充满时，在进行磨片加工中侧壁难免留有孔隙，仍要涂一层东西，进行防泡处理。
将完成上述工艺流程的接收系统，套上筒形模具，用聚氨酯橡胶进行灌封。为了保证胶层尽可能的薄，模具的直径要尽可能小，本发明选用了φ7mm的园筒状模具。
将脱模后的接收系统的铜管端插入水听器的连杆部件中并焊死，插入多少对性能影响不大，一般插入15mm。
将带有连杆的接收系统进行化学渗银处理，在聚氨酯橡胶上形成一层导电的银层、起电屏蔽作用，也可以对聚氨酯橡胶进行金属化处理(电镀)让金属银层全部包括聚胺酯橡胶并与小铜管(5)和连杆(6)形成通路构成屏蔽层(8)。本发明二种方法都采用过，从工艺上考虑，化学渗很容易，从屏蔽层的牢固程度上金属化处理要牢固些，但这两种处理方法法形成的屏蔽层均不能直接在水中浸泡。
为了保护屏蔽层，还要对水听器接收系统进行第二次聚氨酯橡胶灌封。第二次灌封的胶层不宜太厚，一般在1.5mm左右，灌胶时，胶层一定要全部包裹屏蔽层和连杆的上半部，为了保证灌封效果，连焊与铜管焊接端部位的外侧要加工有螺纹，达到增大接触面的效果。
因为灵敏元件的静电容较小，还可以根据使用要求选用二片，三片甚至四片进行交叉排列组成水听器的接收系统以增大静电容。本发明选用了二片和三片的两种形式。不论那一种形式都须配置高输入阻抗低自噪声的前置放大器。
本发明的特点在于选用了一种无径向共振频率的夹心式复合压电陶瓷园片作水听器的灵敏元件。利用了复合陶瓷的体积压电效应，因此水听器没有任何腔体和其他附加物，不用对元件采取特殊的水密措施和抗压措施。本发明考虑到复合陶瓷多孔和介电常数较小的特点，在制作工艺上采取了一些措施。本发明的水听器不仅结构简单，安装容易，工艺并不复杂而且灵敏度比说明书中提到的水听器高15～20dB。
图1是复合陶瓷宽带水听器的结构图。
本发明所提供的一个具体实施例由图1给出，它所包含的主要部件是(1)，(2)为二片夹心式复合压电陶瓷园片，它们排列成十字交叉形，一片在上一片在下。片子之间的净间距1～2mm，片子直径为φ4.5～φ5.0mm。
电极引线(3)、(4)要求是单股镀银导线或单股铜丝，直径约0.1mm，不宜太粗。电极引线方式是并联，先用单股线将片(1)和片(2)的正极负极焊好，然后再和固定小铜管(5)的外表面与管内的有绝缘皮的芯线焊好。
水听器连杆(6)既起固定接收系统的作用，又起与水听器前放筒10连接的作用。要求连杆与小铜管焊接端的外部加工时要有螺纹以增大第二次灌封时的接触面。连杆另一端为了保证与前放筒的水密要加工成凹形用以放入O形密封胶圈。连杆中心钻有φ2mm的孔，用以插入小铜管。连杆系用铜材加工而成。
(7)是第一次灌封接收系统的胶层，(8)是屏蔽层，(9)是第二次灌胶的胶层。(10)是前放筒，用铜材一次加工而成，大环形状如图中所示，前放筒两端加工有螺纹，下端螺纹是固定保护罩(12)用的，上端螺纹是在水密电缆头(11)插入(10)中后用固定螺帽(13)作固定时的连接螺纹。(14)是前置放大器。水密电缆头(11)和前放筒(10)，连杆(6)和前放筒(10)之间的水密靠O环，为了水密可靠都采用了二次水密设计，(11)与(10)的连接是插拔式使用十分方便。保护罩(12)是铜材管材加工而成，开有四个“窗口”，在强度允许下“窗口”开得越大越好。
从图中看出，园片(1)，(2)交叉排列(净间距为1～2mm)，靠电极引线(3)，(4)定位和支撑。引线4的负极焊在固定小铜管(5)的外表面上，正极焊在铜管中的芯线上。园片2和铜管(5)的净间距5～10mm。清洗后用聚胺酯橡胶进行第一次灌胶密封的胶层(7)。将小铜管(5)插入连杆(6)中焊死，铜管外露约25mm。这时进行化学渗银或金属化处理，让金属层全部包裹聚氨酯橡胶并与铜管(5)，连杆6形成通路。形成屏蔽层后就进行第二次聚氨酯橡胶的灌封的，(胶层9)，这时接收系统做好了。在连杆(6)上配好水密O环插入前放筒(10)中，将加工好的前置放大器(14)，水密电缆头(11)配上，拧紧固定螺帽(13)，安上保护罩(12)就组装成了本发明的水听器。
权利要求
1.一种以压电陶瓷为灵敏元件所组成的水听器，其特征在于采用两个(或者三个)以电极引线(3)(4)连接的相互垂直的夹心式复合式压电陶瓷园片(1)(2)，小铜管(5)和连杆(6)所组成的水听器。
2.按照权利要求
1所说的水听器，其特征在于所说的园片(1)(2)，应互相垂直呈十字交叉形，一片在上，一片在下，园片的两表面是厚度极化的电极，两园片间的净距离为1至2毫米，园片的直径为4.5至5毫米，其厚度为1.6毫米。
3.按照权利要求
1所说的水听器，其特征在于所说的电极引线(3)(4)，应以并联方式连接，其正负引出端分别连接于小铜管(5)的外表和管内有绝缘皮包封的经过挂锡的多股线形成的芯线上，电极引线(3)(4)应以直径为0.1毫米的单股铜丝，其长度应尽量短。
4.一种用于制造权利要求
1所说的水听器的工艺，其特征在于采用了引线，防泡，金属化处理和两次灌封的工艺过程。
5.按照权利要求
4所说的工艺，其特征在于所说的防泡工艺，是指对夹心式复合陶瓷园片(1)(2)的侧壁上涂抹一层薄的室温固化环氧树脂或室温硫化硅橡胶的填充材料。
6.按照权利要求
4所说的工艺，其特征在于所说的金属化处理，是指在第一次灌胶密封后，应在聚胺酯橡胶表面进行化学沉银或电镀，让金属银层全部包裹聚胺酯橡胶并与小铜管(5)和连杆(6)形成通路构成屏蔽层(8)。
7.按照权利要求
4所说的工艺，其特征在于所说的两次灌封，是指将装配好的以园片(1)(2)垂直交叉排列组成的接收系统用聚胺酯橡胶进行灌封，并在该工艺完成之后经金属化处理后再进行第二次同样的灌封。
专利摘要
采用两个夹心式复合压电陶瓷材料的圆片，设计安装的水听器结构简单、工艺容易。水听器的接收电压灵敏度为-196dB(0dB＝1V/μpa)水听器的频带50Hz～200kHz，灵敏度起伏±1.5dB，水听器在200kHz以下无水平指向性，垂直指向性开角大于60度。
文档编号G01H11/00GK85100712SQ85100712
公开日1986年8月27日 申请日期1985年4月1日
发明者何远光, 庄璆 申请人:中国科学院声学研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan