一种水听器论文和设计-潘耀宗

全文摘要

本实用新型涉及到一种能够在高静水压力条件下长期工作的高灵敏度、宽带且低成本的水听器，包括外壳、硅油、压敏元件、电磁屏蔽网、电极插座、油针、前置放大器、电子仓、连接件，所述压敏元件为多个圆管形的压电陶瓷，每个压电陶瓷中间通过去耦材料隔开，将该结构用于深海探测和通讯声纳系统中，解决已有的水声换能器存在耐静水压力低、高性能与高耐压不能兼具、长期工作耐腐蚀性差、带宽较窄等问题。

主设计要求

1.一种水听器，其特征在于，包括外壳、硅油、压敏元件、电磁屏蔽网、电极插座、油针、前置放大器、电子仓、连接件，所述外壳为下端开口、顶部为半球形的圆筒，电子仓为上下两端均开口的圆筒，电子仓的上端与外壳的下端连接；所述压敏元件为多个圆管形的压电陶瓷，每个压电陶瓷中间通过去耦材料隔开；所述电极插座包括插针和堵头，堵头用于绝缘和水密；所述连接件包括上固定盖、支撑架、固定螺杆、底座、尾座、下固定盖，所述上固定盖有通孔，且上固定盖位于压敏元件的上端，支撑架位于压敏元件的下端，支撑架的下端与底座相连，底座与外壳的下端内侧连接，底座上有一个注油孔和两个插座孔，油针、两个电极插座分别置于孔内，固定螺杆与上固定盖的中心位置连接，穿过压敏元件的中心将上固定盖、压敏元件和底座三者紧压，所述尾座与电子仓的下端内侧连接，尾座上有一个插座孔，电极插座置于孔内，尾座上的电极插座包含三个互相独立的电极插针，下固定盖为漏斗形，上端与尾座下部相连，下端为电缆孔；所述电磁屏蔽网介于外壳和压电陶瓷管之间，底部与底座相连；所述硅油充满在外壳与底座形成的密闭空间内；所述前置放大器置于电子仓内，其正负极分别于底座上的电极插座相连，其输出端与尾座上的电极插座相连。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种水听器，其特征在于，所述外壳与电子仓螺纹连接，外壳与底座螺纹连接，尾座和电子仓螺纹连接，且两者间均设置有O型圈进行密封。

3.根据权利要求1所述的一种水听器，其特征在于，还包括密封层，所述密封层包裹在水听器整体的外侧。

4.根据权利要求1所述的一种水听器，其特征在于，所述外壳的材料为氯丁橡胶。

5.根据权利要求1所述的一种水听器，其特征在于，所述插针的上下两端均设有O型圈。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于声纳技术领域，具体涉及到一种水听器。

背景技术

深海地质和海洋资源探测与开发的迫切需求推动着深海探测和运载装备的不断发展，由于深海高静水压的特殊条件，深海装置搭载的水声通讯、探测和导航系统设备必须进行特殊设计。水声换能器是水声通讯、探测和导航系统的关键组成器件，其性能往往决定了整个系统的整体性能指标。工作在深海条件下的水声换能器必须能承受很高的静水压力，要求采用特殊的结构设计，常见的有释压机制、压力补偿机制、充油式、溢流式等。而在大深度水声换能器通常采用充油式，即在换能器内部充入硅油或蓖麻油等，利用其不可压缩性达到内外压平衡，从而保证了换能器能够在高静水压下正常工作。由此，换能器电极插座、注油孔、以及各部件间的配合结构设计直接决定了其工作压力上限。而装配工艺和材料选择会对换能器声学性能产生重要的影响。目前已有的水声换能器存在耐静水压力低、高性能与高耐压不能兼具、长期工作耐腐蚀性差、带宽较窄等不足。

因此，希望有一种能够在深海条件下工作的高耐压、高性能、长期工作耐腐蚀的深海充油耐腐蚀压电水听器。

实用新型内容

对于现有水听器存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种能够在高静水压力条件下长期工作的高灵敏度、宽带且低成本的水听器，用于深海探测和通讯声纳系统中，解决已有的水声换能器存在耐静水压力低、高性能与高耐压不能兼具、长期工作耐腐蚀性差、带宽较窄等问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种水听器，包括外壳、硅油、压敏元件、电磁屏蔽网、电极插座、油针、前置放大器、电子仓、连接件，所述外壳为下端开口、顶部为半球形的圆筒，电子仓为上下两端均开口的圆筒，电子仓的上端与外壳的下端连接；所述压敏元件为多个圆管形的压电陶瓷，每个压电陶瓷中间通过去耦材料隔开；所述电极插座包括插针和堵头，堵头用于绝缘和水密；所述连接件包括上固定盖、支撑架、固定螺杆、底座、尾座、下固定盖，所述上固定盖有通孔，且上固定盖位于压敏元件的上端，支撑架位于压敏元件的下端，支撑架的下端与底座相连，底座与外壳的下端内侧连接，底座上有一个注油孔和两个插座孔，油针、两个电极插座分别置于孔内，固定螺杆与上固定盖的中心位置连接，穿过压敏元件的中心将上固定盖、压敏元件和底座三者紧压，所述尾座与电子仓的下端内侧连接，尾座上有一个插座孔，电极插座置于孔内，尾座上的电极插座包含三个互相独立的电极插针，下固定盖为漏斗形，上端与尾座下部相连，下端为电缆孔；所述电磁屏蔽网介于外壳和压电陶瓷片之间，底部与底座相连；所述硅油充满在外壳与底座形成的密闭空间内；所述前置放大器置于电子仓内，其正负极分别于底座上的电极插座相连，其输出端与尾座上的电极插座相连。

进一步地，所述外壳与电子仓螺纹连接。

进一步地，所述外壳与底座螺纹连接。

进一步地，所述尾座和电子仓螺纹连接。

进一步地，所述外壳与电子仓两者间设置有O型圈进行密封。

进一步地，所述外壳与底座两者间设置有O型圈进行密封。

进一步地，所述尾座和电子仓两者间设置有O型圈进行密封。

进一步地，所述水听器还包括密封层，所述密封层包裹在水听器整体的外侧。

进一步地，所述密封层的材料为透声橡胶。

进一步地，所述外壳采用水密优良的透声橡胶在金属胶座上硫化制作而成；优选地，所述外壳为氯丁橡胶或JA-S浇注型聚氨酯。

进一步地，所述插针的上下两端均设有O型圈。

进一步地，所述电极插座采用高强环氧封装于底座上

进一步地，所述油针与注油孔螺纹连接。

进一步地，所述油针的上下两端均设有O型圈。

进一步地，所述去耦材料采用耐油高强材料制成；优选地，所述去耦材料为聚砜或环氧玻璃纤维材料。

一种水听器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将透声橡胶与胶座硫化制成外壳，将电极插座封装在底座上；

（2）固定螺杆与上固定盖的中心位置连接，穿过压电陶瓷片的中心将上固定盖、压电陶瓷管和底座三者紧压，压电陶瓷管之间、压电陶瓷与底座之间通过去耦材料隔开，将底座与外壳下端连接，形成一个封闭内腔；

（3）将硅油去气泡化处理，由底座上的注油孔通过油针注入封闭内腔中，再经去气泡化处理后将油针固定在注油孔内，使得形成全充油的封闭内腔；

（4）将电子仓的上端与外壳的下端连接，并将前置放大器置于电子仓内，其正负极分别于底座上的电极插座相连，其输出端与尾座上的电极插座相连；

（5）将尾座连通其上的电极插座与电子仓的下端连接，并将下固定盖与尾座下部相连接；

（6）将电缆装入下固定盖的电缆孔中，对下固定盖、电缆、尾座、电极插座进行整体封装，用水密头将电缆固定在下固定盖上；

（7）将下固定盖的电缆采用橡胶进行硫化水密，采用透声橡胶对水听器的整体进行全硫化防水处理。

进一步地，步骤（1）和步骤（6）中的封装均采用高强环氧树脂进行封装。

进一步地，步骤（3）中的前一个去气泡化处理的具体步骤为：a将硅油放入烧杯中置于烘箱中加热至90-110℃，保温60-90min；b取出硅油，在80℃的条件下采用抽真空搅拌系统搅拌30-40min；c放入真空烘箱，恒温60℃，真空静置直至无气泡溢出。

进一步地，在进行装配之前，各部件应使用无水乙醇和丙酮进行清洁。

在符合本领域公知常识的基础上，上述各优选条件可任意组合，既得本实用新型实施例。

本实用新型的有益效果是：

（1）本实用新型的水听器包括外壳、硅油、压敏元件、电极插座、油针、前置放大器、电子仓、连接件。此种结构设计的水听器具有频带宽、灵敏度高、抗静水压高、耐海水腐蚀的特点，能够长期在6000m水下正常工作。

（2）本实用新型的水听器可以通过调节压电陶瓷环尺寸、数量、连接方式、硅油参数等来定向控制水听器的灵敏度和带宽。

（3）本实用新型硅油去气泡化工艺设计及水听器充油结构设计，保证了硅油无泡的有效性同时极大避免了使用复杂的充油工艺设备。

（4）本实用新型去耦材料、电磁屏蔽网、前置放大器一并使用，使得水听器获得高耐压的同时保证了水听器的高性能。

（5）尾座和下固定盖的结构设计及环氧填充工艺为水听器输出极导线与电缆如何连接问题提供了一种可行的解决方案。

（6）本实用新型将透声橡胶与胶座硫化制作成外壳，将电极插座通过高强环氧树脂封装在底座上，使得电极插针间、电极插针与底座间绝缘和可靠水密。

附图说明：

图1是本实用新型一种水听器的整体结构示意图；

图2是本实用新型一种水听器中底座部分的截面图；

图3是本实用新型一种水听器中尾座插针的俯视图和尾座的截面图；

其中，1-外壳，2-硅油，3-上固定盖，4-固定螺杆，5-压电陶瓷，6-支撑架，7-底座，8-堵头，9-插针，10-胶座，11-油针，12-电子仓，13-前置放大器，14-尾座，15-下固定盖，16-水密件，17-电缆，18密封层。

具体实施方式：

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型的技术方案做进一步详述。

实施例1

一种水听器，包括外壳、硅油、压敏元件、电磁屏蔽网、电极插座、油针、前置放大器、电子仓、连接件，所述外壳为下端开口、顶部为半球形的圆筒，电子仓为上下两端均开口的圆筒，电子仓的上端与外壳的下端连接；所述压敏元件为多个圆管形的压电陶瓷管，每个压电陶瓷管中间通过去耦材料隔开；所述电极插座包括插针和堵头，堵头用于绝缘和水密；所述连接件包括上固定盖、支撑架、固定螺杆、底座、尾座、下固定盖，所述上固定盖有通孔，且上固定盖位于压敏元件的上端，支撑架位于压敏元件的下端，支撑架的下端与底座相连，底座与外壳的下端内侧连接，底座上有一个注油孔和两个插座孔，油针、两个电极插座分别置于孔内，固定螺杆与上固定盖的中心位置连接，穿过压敏元件的中心将上固定盖、压敏元件和底座三者紧压，所述尾座与电子仓的下端内侧连接，尾座上有一个插座孔，电极插座置于孔内，尾座上的电极插座包含三个互相独立的电极插针，下固定盖为漏斗形，上端与尾座下部相连，下端为电缆孔；所述电磁屏蔽网介于外壳和压电陶瓷片之间，底部与底座相连；所述硅油充满在外壳与底座形成的密闭空间内；所述前置放大器置于电子仓内，其正负极分别于底座上的电极插座相连，其输出端与尾座上的电极插座相连。

实施例2

一种水听器，包括外壳、硅油、压敏元件、电极插座、油针、前置放大器、电子仓、连接件，所述外壳为下端开口、顶部为半球形的圆筒，外壳采用JA-S浇注型聚氨酯及相关工艺与金属胶座一体化硫化而成，壁厚4mm，间距水密和透声两大功能，电子仓为上下两端均开口的圆筒，电子仓的上端与外壳的下端连接；所述压敏元件为两个的压电陶瓷圆管串联，尺寸为Φ25×Φ19×15 mm，压电陶瓷圆管中间通过去耦材料隔开；所述电极插座包括插针和堵头，插针由黄铜制成，堵头由聚砜制成，堵头用于绝缘和水密；所述连接件包括上固定盖、支撑架、固定螺杆、底座、尾座、下固定盖，所述上固定盖有通孔，且上固定盖位于压敏元件的上端，支撑架位于压敏元件的下端，支撑架的下端与底座相连，支撑架采用环氧玻璃纤维材料制作而成，起支撑压电陶瓷圆管的作用。底座与外壳的下端内侧连接，底座上有一个注油孔和两个插座孔，油针、两个电极插座均采用双0型圈密封且分别螺旋安装在孔内，并用高强环氧封装，保证绝缘和水密，固定螺杆与上固定盖的中心位置连接，穿过压敏元件的中心将上固定盖、压敏元件和底座三者紧压，所述尾座与电子仓的下端内侧连接，尾座上有一个插座孔，电极插座置于孔内，尾座上的电极插座包含三个互相独立的电极插针，下固定盖为漏斗形，上端与尾座下部相连，下端为电缆孔；所述硅油充满在外壳与底座形成的密闭空间内；所述前置放大器置于电子仓内，其正负极分别于底座上的电极插座相连，其输出端与尾座上的电极插座相连。

其制作方法为：

水听器各零部件装配前使用无水乙醇和丙酮进行清洁，按如下顺序进行装配：

（1）将透声橡胶与胶座硫化制成外壳，将电极插座封装在底座上；

（2）检测压电陶瓷圆管的电性能，用导线将两个压电陶瓷圆管串联连接，用两根颜色不同的导线引出正负极焊接到底座上的用高强环氧封装好的电极插针上；

（3）固定螺杆与上固定盖的中心位置连接，穿过压电陶瓷片的中心将上固定盖、压电陶瓷片和底座三者紧压，压电陶瓷片之间、压电陶瓷与底座之间通过去耦材料隔开，将底座与外壳下端连接，形成一个封闭内腔；

（4）按下述步骤进行硅油去气泡化处理，放入洁净容器备用：

（a）将硅油放入烧杯中置于烘箱中加热至90-110℃，保温60-90min；

（b）取出硅油，采用抽真空搅拌系统80℃下真空搅拌30-40min；

（c）放入真空烘箱，恒温60℃，真空静置直至无气泡溢出，完成去气泡化处理。

（5）按如下步骤将硅油注入封闭内腔中：

（a）将外壳倾斜，将去气泡化处理后的硅油经底座上注油孔缓慢注入封闭内腔，此过程中，注油孔要留有出气间隙；

（b）注油直到注油孔满为止，然后放入真空烘箱80-90℃保温30-60min，之后自然冷却至室温，若油面下降需添加部分硅油后重复真空处理过程直至油液面保持不变；

（c）使用油针旋紧注油孔，使用无水乙醇和丙酮擦净注油孔后用高强环氧封装。

（6）将前置放大器对应导线与底座上电极插针焊接，随后将电子仓旋紧在外壳下端。

（7）将前置放大器的输出端导线焊接在尾座的电极插针上，然后将尾座装入电子仓中。

（8）将电极插针另一端与电缆导线焊接，通过螺钉将下固定盖安装在电子仓上，向下固定盖的空腔内注入高强环氧，然后使用水密件将电缆固定在下固定盖上。

（9）使用JA-S浇注型聚氨酯对电缆及水听器整体进行全包式水密防腐处理。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

设计图

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设计说明书

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