本发明专利技术涉及一种深水超宽带球形换能器。所述换能器包括：压电陶瓷球(1)、水密层(4)、穿孔螺钉(7)、去耦管(8)、电缆头(10)和耐压壳体；其特征在于，所述压电陶瓷球(1)上沿竖直的中心轴上下开有两导线孔，压电陶瓷球(1)内表面和外表面分别沿两导线孔的圆周上设置有未覆盖镀银层的隔离区，形成两个独立的半球电极；所述的穿孔螺钉(7)沿导线孔穿设于压电陶瓷球(1)，穿孔螺钉(7)的底部引出的导线分别与两个半球电极外表面的镀银层电联接，其上部侧面引出的导线，分别与两个半球电极内表面的镀银层电联接。本发明专利技术的换能器具有非常宽的工作带宽和一定指向性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及声学探测领域，具体地，本专利技术涉及深水超宽带球形换能器。
技术介绍
声学换能器被称为声学仪器的神经，在水声探测、石油勘探等领域都有着十分重要的应用，换能器性能的稳定直接决定了整个声学系统性能的稳定，性能的优劣直接决定了整个仪器系统的好坏。然而换能器常常需要直接暴露在恶劣的使用环境中，其又是整个仪器中最容易受到损害的部分。以深海勘探的换能器为例，地球上海洋的平均深度达到3700多米，其中最深的地方深度达到11000多米，如果换能器工作在海洋的平均深度的话，换能器表面要承受370个大气压的压力，这么大的静水压力会使大部分的换能器失效或者损坏。而在声学换能器应用的另外一个重要领域石油测井里，其工作的环境会更加苛刻。自从100多年前工业革命以来，地球上的石油被不断地开采，如今地球上储层浅的石油已 经基本被开采完毕，人类不得不向更深的地层寻找石油，资料表明世界上如今钻探得最深的井孔已经达到12600多米，而且这一数据还在不断被刷新。钻探过程中井孔内充满了比水密度还大的泥浆，这样的井孔内的静压力将是一个惊人的数字。如何设计使声学换能器有效地工作在大的静水压力下将是一个非常具有挑战性的工作。宽带性能是换能器的另外一个十分重要的技术指标。宽带使换能器的一次发射和接收包含了更多的信息量，减少了信号的失真，为后期的信号处理提供了更详细的信号细节。水声通信应用中，在宽频带上对信号进行调制，能够同时传递更多的信息量，提高通信的效率；对信号进行编码可以有很好地提高信息传递的可靠性；对信号进行加密能够提高通信的保密性能。声成像应用中，宽频带的反射信号包含了更多的信息量，有利于提高图像的分辨率；水声对抗中，利用宽带声源可以在整个频段范围内对对方信号进行跟踪和干扰，同时又能够有效的抵抗对方的干扰，提升了攻击武器的命中率也同时提升了自身的生存能力。常见的深水换能器设计方案主要分为以下几种压力平衡、压力释放、压力补偿等。压力平衡是通过结构设计使陶瓷处于受力平衡状态，陶瓷内部各点只存在正压应力而没有拉伸应力和剪切应力，其主要的表现形式有溢流和充油；压力释放主要是指利用耐压壳体或者去耦材料释放压力来达到保护陶瓷元件的目的，采用此类设计方案的时候需要注意附加结构对换能器声学性能的影响；压力补偿是当工作表面产生压差的时候在工作面一侧引入补偿压力以实现压力平衡。这种方法主要运用在动圈式的换能器上，常见的此类型换能器如美国海军标准型J系列。其中压力补偿又可分为主动压力补偿和被动压力补偿两类。被动补偿具有实时补偿的优点，然而其所载的补偿气体的数量限制了其工作深度。主动压力补偿利用储气罐装载更多的补偿气体而使换能器能够工作在更深的水域。换能器的宽带设计方法有很多种，从本质上来说主要可以分为两类第一种为降低结构的机械品质因数。机械品质因数与换能器的带宽成反比的关系，因此换能器如果减少换能的质量抗或者增加换能器的力阻都有利于换能器带宽的展开。另一种更常见的带宽拓展方法是利用多模态叠加展宽带宽。比如=Tonpilz换能器头质量块的纵弯耦合；Tonpilz换能器头质量块上铺设一层柔性介质形成的纵振动和匹配层耦合；溢流圆管的径向振动和液腔的稱合振动Janus换能器和Helmholtz谐振腔复合形成的纵振动和谐振腔耦合；Hybrid型换能器中压电元件和磁致伸缩元件共同激发耦合形成的模态；同时激发结构基础I旲态和闻阶I旲态等等。通常通过上述的带宽拓展手段能够实现一个倍频程左右的宽带。然而随着合成孔径技术、高分辨率成像技术、水下通讯技术、宽频带干扰技术等的发展，一个倍频程的带宽已不能够满足工程中的需求，为了进一步地拓展带宽，技术人员不得不采用更多模态的耦合来实现，比如纵振动-弯张-匹配层耦合等等。多模态的设计会导致换能器的结构更加复杂，设计过程中的不可控因数更多，设计成本越来越高。以往的换能器设计过程中经常采用的是结构的基础模态，比如球、圆环的呼吸模态。而实际中，这些结构存在着更多的工作模态，比如偶极子模态，四极子模态等等，如果能想办法激发出这一系列的模态的话，通过这些模态的共同作用，将能够有效地拓展换能器 的带宽。而且这种设计思想中只需要对现有结构的激励方式进行改变，而不需要对结构形式做大的改变，这也大大地降低了换能器的设计难度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为了克服上述难题，提供了一种深水超宽带球形换能器。为了实现上述目的，本专利技术的深水超宽带球形换能器包括压电陶瓷球I、水密层4、穿孔螺钉7、去耦管8、电缆头10和耐压壳体；所述压电陶瓷球I上沿竖直的中心轴上下开有两导线孔，压电陶瓷球I内表面和外表面分别沿两导线孔的圆周上设置有未覆盖镀银层的隔离区，形成两个独立的半球电极；所述的穿孔螺钉7沿导线孔贯穿设于压电陶瓷球1，穿孔螺钉7的底部引出的导线分别与两个半球电极外表面的镀银层电联接，其上部侧面引出的导线，分别与两个半球电极内表面的镀银层电联接。所述的穿孔螺钉7分别与压电陶瓷球I上的上下两导线孔之间设有第三去耦垫13。所述的耐压壳体由内而外依次包括柔顺层2和耐压层3 ;所述的柔顺层2和耐压层3采用不同的材料灌注，所述柔顺层的材料参数的模量范围为IXlO6Pa到IXlO11Pa ;所述的耐压层的材料参数的模量范围为IXlO8Pa到3X IO11Pa ;所述的耐压层的材料参数的模量比所述的柔顺层的材料参数的模量相差OPa到3X 10nPa。所述的柔顺层2采用无机掺杂改性的环氧树脂材料,其厚度为0. 5 6mm ;所述的耐压层3采用金属材料或浇注型环氧树脂材料，其厚度为I. 5 50mm。所述的水密层4采用聚氨酯橡胶材料，其厚度为I 6mm。所述的压电陶瓷球采用PZT系列压电陶瓷球。所述的水密头11采用硫化橡胶材料。所述的深水超宽带球形换能器还包括在穿孔螺钉7上依次套设的第一去耦垫6、硅胶去耦管8和第二去耦垫9，该第一去耦垫6、硅胶去耦管8和第二去耦垫9均设置于电缆头10灌注端内，用于电缆头10和陶瓷球I以及耐压壳体之间的振动隔离。本专利技术为了克服深水静压的问题，使耐压壳体对陶瓷球表面起到保护的目的，本专利技术中将耐压壳体分为耐压层和柔顺层两层，利用耐压层释放压力载荷而利用柔顺层释放位移载荷，其只对耐压壳体的强度有要求而对刚度没有要求，因此可以选用模量较低的材料来设计耐压层，从而降低了耐压壳体的特性阻抗，便于声波的透射；使该耐压壳体释放作用在陶瓷球表面的压力，达到保护的目的。此外，本专利技术还采用独立激励的方法，分别对两半陶瓷球加载激励电压，通过对电压幅度和相位差的调整能够有效地激发出陶瓷球的零阶模态和所有奇次阶模态，并且通过对幅度和相位的调整来控制各阶模态的响应幅值，可以丰富的模态和可调的响应幅值能够有效地拓展换能器的带宽；同时，耐压壳体以及水密层具有匹配层的功能，而且各阶模态都有对应的匹配层模态都有不同，因此可以进一步地丰富换能器的工作模态，便于进一步地拓展换能器的带宽，实现超宽带发射，本专利技术的换能器的工作带宽非常宽的(_6dB带宽接近3个倍频程)。本专利技术采用成合结构设计耐压壳体实现换能器的压力释放，同时利用耐压壳体做·匹配层，实现带宽拓展。进一步改变结构的激励方式，激励出结构的多阶模态，拓展带宽。本专利技术的优点在于，本专利技术设计的换能器是一种能够工作在大静水压力本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种深水超宽带球形换能器，该换能器包括：压电陶瓷球(1)、水密层(4)、穿孔螺钉(7)、去耦管(8)、电缆头(10)和耐压壳体；其特征在于，所述压电陶瓷球(1)上沿竖直的中心轴上下开有两导线孔，压电陶瓷球(1)内表面和外表面分别沿两导线孔的圆周上设置有未覆盖镀银层的隔离区，形成两个独立的半球电极；所述的穿孔螺钉(7)沿导线孔贯穿设于压电陶瓷球(1)，穿孔螺钉(7)的底部引出的导线分别与两个半球电极外表面的镀银层电联接，其上部侧面引出的导线，分别与两个半球电极内表面的镀银层电联接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：戴郁郁，莫喜平，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：
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