[发明专利]深海压电水声换能器及其制造方法

说明书

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。