专利名称：一种具有低瞬态响应的高频宽带水声发射器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水声发射器，更具体说，它涉及一种具有低瞬态响应的高频宽带 水声发射器。
技术背景水声发射器是一种电声转换器件。当电信号激励换能器的敏感元件时，敏感元件 由于自身的压电效应，将电信号转换为机械振动，机械振动通过介质的耦合，从而将振动以 声波的形式传递，完成电声转换。在声学测量过程中，比如水听器校准等，需要发射声源，发 射器一般是具有一定的指向性的，因此发射器一般设计成平面结构，通常的设计是采用一 片整片敏感元件作为有源部分，其工作模式往往是单一谐振频率工作的模式，工作带宽比 较窄，在水听器宽频校准测试过程中需要频繁更换发射器，以满足校准的频段需求，这就给 校准测试工作带来了极大的不便利。另外，高频测试一般在尺寸较小的水槽中开展，为了减 小混响以及水槽壁反射的影响，发射信号采用脉冲填充波，这要求发射器的Q值要比较低， 一方面使得发射器在尽量短的时间内达到稳态，另一方面降低了发射器的余振效应。显然， 单频工作模式的发射器是不能满足需求的。
发明内容本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提出了一种有源部分由若干立柱型 敏感元件与去耦定位结构拼嵌而成，辐射面贴附匹配层，非辐射面贴附高阻抗背衬材料的 发射器，具有工作带宽宽，瞬态响应时间短，机械品质因数低的显著特点，并且能耐受一定 的水压，具有良好的抗干扰性能和时间稳定性。本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。这种具有低瞬态响应的高频宽带 水声发射器，主要包括敏感元件、去耦定位结构、绝缘去耦板、高阻抗背衬、声学匹配层、防 水透声层、金属外壳、适配电缆，所述敏感元件与去耦定位结构的定位孔相配合，敏感元件 工作面一侧贴附声学匹配层，立柱型敏感元件非工作面一侧贴附高阻抗背衬，所述敏感元 件、去耦定位结构、高阻抗背衬和声学匹配层整体设置于金属外壳内，金属外壳的开口端灌 注有防水透声层。作为优选所述敏感元件为至少一个。作为优选敏感元件为立柱型结构且几何尺寸相同，敏感元件排布成阵列形式。作为优选敏感元件相互之间的电连接为并联方式，电信号激励时敏感元件同相工作。作为优选高阻抗背衬由环氧树脂和钨粉组成。作为优选声学匹配层的厚度为声波波长的1/4，声学匹配层的声阻抗介于敏感 元件和防水透声层声阻抗之间的。作为优选防水透声层采用直接灌注工艺形成，防水透声层的声阻抗与水介质的 声阻抗接近。[0011]作为优选适配电缆选用带屏蔽层的低衰减的水密电缆。作为优选绝缘去耦板为对金属外壳绝缘，并且能有效隔离振动跟金属外壳之间 耦合的电绝缘去耦材料。本实用新型的有益效果是(1)有源部分由若干立柱型敏感元件和去耦定位结构拼嵌而成，各敏感元件可并 联工作，或根据需要进行特殊连接。并且可以根据设计要求来决定敏感元件的有效面积，使 得设计更为灵活。 (2)采用敏感元件与去耦定位结构复合的模式，大大降低了由于单纯使用敏感元 件所引入的很高的特性阻抗，使得声学匹配层的设计更加容易实现，并且由于降低了阻抗， 与水介质的耦合性变好，声波的穿透效率更高。(3)采用声学匹配层，显著地增加了发射器的工作带宽，其所起到的阻抗过渡作用 提高了声波的透射效率。(4)高阻抗的背衬，有效地降低了发射器的瞬态响应时间和余振，对增加发射器工 作带宽起到了重要作用。(5)金属外壳，可以有效保护发射器免于空气和水介质的侵蚀，并且保障发射器可 承受较大的压力，同时可以对一些干扰信号进行屏蔽。借助于金属外壳，无需灌注模具，可 直接对发射器表面进行灌注密封。
图1为本实用新型的剖面结构示意图；图2为有源振动部分结构示意图；图3为有源振动部分俯视图；图4为适配电缆结构示意图；图5为本实用新型的爆炸图；附图标记说明敏感元件1 ；去耦定位结构2 ；高阻抗背衬3 ；声学匹配层4 ；防水透 声层5 ；金属外壳6 ；适配电缆7 ；绝缘去耦板8 ；电缆头9 ；0型密封圈10 ；螺钉11 ；出线孔 12。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步描述。虽然本实用新型将结合较 佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本实用新型限制在所述实施例中。相反，本实用新 型将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本实用新型的范围内的替换物、改进型和等同 物。参见图1至图5，这里介绍的具有低瞬态响应的高频宽带水声发射器一般用于水 声测量的辅助发射声源以及其它能满足应用需求的场所使用，然而应知道，本实用新型也 可用于其它声学换能器。这种具有低瞬态响应的高频宽带水声发射器，由若干敏感元件1、去耦定位结构 2、高阻抗背衬3、声学匹配层4、防水透声层5、金属外壳6、绝缘去耦板7、适配电缆等构 成。敏感元件1为立柱型，通过与去耦定位结构2拼嵌排布成阵列，各敏感元件1之间并联连接，同相工作；采用高阻抗特性材料作为发射器的高阻抗背衬3，可以吸收反向传输的声 波，降低发射器的余振效应，使得本实用新型具有较低的瞬态响应；高阻抗背衬3与金属外 壳6之间以绝缘去耦板8隔离，起到电绝缘和隔振作用；振动辐射面一侧贴附特定的声学匹 配层4，使得高特性的压电元件和低阻抗的水介质之间能量更易传输，同时又起到拓展工作 带宽的作用；声学匹配层4与水介质之间灌注防水透声层5，防水透声层5与金属外壳6形 成一体结构，起到防护、绝缘和防水的作用；适配电缆7与金属外壳6水密连接。 所述的敏感元件1为若干立柱型压电陶瓷，其尺寸根据发射器的需要的工作频段 进行设计，各个敏感元件1各维几何尺寸相同，排布成一定的阵列形式，相互之间的电连接 为并联方式，电信号激励时各敏感元件1同相工作。也可根据需要，敏感元件1可以单个或 者部分并联工作。所述的去耦定位结构2为整体的去耦材料通过一定的加工形式加工出若干与敏 感元件1尺寸匹配的定位通孔，从而对敏感元件1进行定位排布，形成敏感元件1与去耦定 位结构2复合的阵列结构。所述的高阻抗背衬3，是由环氧树脂和钨粉组成，将二者按照一定的配比均勻混 合，形成具有很高的声学特性阻抗的背衬材料。高阻抗背衬3贴附于发射器有源部分的非 工作面上，一方面作用是将反向传播的声波吸收，降低或者消除发射器的余振，另一方面增 加机械谐振系统的阻尼，起到拓展带宽的作用。所述绝缘去耦板8是一种绝缘的去耦材料加工而成，主要是对金属外壳6绝缘和 防止振动耦合到金属外壳6。所述的声学匹配层4是声阻抗介于敏感元件1和防水透声层5声阻抗之间的特殊 材料。其厚度一般为声波波长的1/4，主要作用是起到阻抗过渡和匹配的作用，使得声波更 易透过，同时可以有效地增加发射器的工作带宽。所述的防水透声层5采用橡胶灌注工艺在声学匹配层4外形成的防水密封层，要 求具有较低的渗水性和良好的水密性，以保证本实用新型可长时间工作于水下，防水透声 层5的声学特性阻抗与水介质相近，以保证其优良的透声性能。所述的金属外壳6，是由耐腐蚀和氧化的金属材料经机械加工而成，通常是采用不 锈钢材料。敏感元件1、去耦定位结构2、高阻抗背衬3以及声学匹配层4均置于金属外壳6 中，金属外壳6与防水透声层5形成一个整体结构，对本实用新型进行保护，使得本实用新 型可以承受较大的静水压，同时又可以起到抗电磁干扰的作用。所述的适配电缆7是带屏蔽层的低信号衰减的水密电缆。在信号频率比较高时， 适配电缆7的分布参数对本实用新型的性能有一定的影响，因此，要根据工作频段的不同 选取不同的适配电缆7。适配电缆7须能保证本实用新型可长期工作于水下和信号的长距 离传输。本实用新型的装配实施具体如下如图1所示，本实用新型主要包括若干敏感元件1、去耦定位结构2、高阻抗背衬3、 声学匹配层4、防水透声层5、金属外壳6、适配电缆7、绝缘去耦板8等。若干立柱型敏感元 件1嵌在去耦定位结构2预先加工好的定位孔内，工作面一侧贴附声学匹配层4，非工作面 一侧贴附高阻抗背衬3以及绝缘去耦板8，然后整体装配在金属外壳6中，在声学匹配层4 外灌注一层防水透声层5，最后将适配电缆安装到金属外壳6。[0038]图2给出本实用新型有源振动部分的装配示意图，各敏感元件1尺寸一致，分别将敏感元件1外侧表面涂上胶粘剂后嵌入到去耦定位结构2的各个定位孔中，最后与去耦定 位结构2形成一个整体。用导线将各敏感元件1按照设计焊接完成后，导线由出线孔12中 引出。图3给出本实用新型适配电缆7制作示意图。将适配电缆7的外护套层剥离一部 分，同时将外护套适当做毛化处理，然后与经喷砂处理后的电缆头9 一起放入橡胶硫化模 具，将二者硫化成一体即可。图4给出本实用新型整体装配过程具体实施示意图。按图2将敏感元件1与去耦 定位结构2装配好后，在敏感元件1辐射面的一侧贴附声学匹配层4。固化完成后，在敏感 元件1非辐射面的一侧贴附高阻抗背衬3，待高阻抗背衬3固化完成，将绝缘去耦板8粘到 高阻抗背衬3上，并将敏感元件1正负极的引出线穿出绝缘去耦板8。将由敏感元件1、去 耦定位结构2、高阻抗背衬3、声学匹配层4、绝缘去耦板8等装配而成的整体置于金属外壳 6之中，表面灌注防水透声层5。待防水透声层5固化后，将正负极引出线分别与适配电缆 7的正负芯线相连接，并将电缆头9与金属外壳6以螺钉11紧固，借助于0型密封圈10完 成水密连接。
权利要求一种具有低瞬态响应的高频宽带水声发射器，其特征在于主要包括敏感元件(1)、去耦定位结构(2)、绝缘去耦板(8)、高阻抗背衬(3)、声学匹配层(4)、防水透声层(5)、金属外壳(6)和适配电缆(7)，所述敏感元件(1)与去耦定位结构(2)的定位孔相配合，敏感元件(1)工作面一侧贴附声学匹配层(4)，立柱型敏感元件(1)非工作面一侧贴附高阻抗背衬(3)，所述敏感元件(1)、去耦定位结构(2)、高阻抗背衬(3)和声学匹配层(4)整体设置于金属外壳(6)内，金属外壳(6)的开口端灌注有防水透声层(5)。
2.根据权利要求1所述的具有低瞬态响应的高频宽带水声发射器，其特征在于敏感 元件(1)为立柱型结构且几何尺寸相同，敏感元件(1)排布成阵列形式。
3.根据权利要求1所述的具有低瞬态响应的高频宽带水声发射器，其特征在于敏感 元件(1)相互之间的电连接为并联方式，电信号激励时敏感元件(1)同相工作。
4.根据权利要求1所述的具有低瞬态响应的高频宽带水声发射器，其特征在于高阻 抗背衬(3)由环氧树脂和钨粉组成。
5.根据权利要求1所述的具有低瞬态响应的高频宽带水声发射器，其特征在于声学 匹配 层(4)的厚度为声波波长的1/4，声学匹配层(4)的声阻抗介于敏感元件(1)和防水透 声层(5)声阻抗之间。
6.根据权利要求1所述的具有低瞬态响应的高频宽带水声发射器，其特征在于防水 透声层(5)采用直接灌注工艺形成，防水透声层(5)的声阻抗与水介质的声阻抗接近。
7.根据权利要求1所述的具有低瞬态响应的高频宽带水声发射器，其特征在于适配 电缆(7)选用带屏蔽层的低衰减的水密电缆。
8.根据权利要求1所述的具有低瞬态响应的高频宽带水声发射器，其特征在于绝缘 去耦板(8)为对金属外壳(6)绝缘，并且能有效隔离振动跟金属外壳(6)之间耦合的电绝 缘去耦材料。
专利摘要本实用新型公开了一种具有低瞬态响应的高频宽带水声发射器，主要包括敏感元件、去耦定位结构、绝缘去耦板、高阻抗背衬、声学匹配层、防水透声层、金属外壳、适配电缆，所述敏感元件与去耦定位结构的定位孔相配合，敏感元件工作面一侧贴附声学匹配层，立柱型敏感元件非工作面一侧贴附高阻抗背衬，所述敏感元件、去耦定位结构、高阻抗背衬和声学匹配层整体设置于金属外壳内，金属外壳的开口端灌注有防水透声层。本实用新型的有益效果是有源部分由若干立柱型敏感元件和去耦定位结构拼嵌而成，各敏感元件可并联工作，或根据需要进行特殊连接。
文档编号G01H3/00GK201589860SQ20092020206
公开日2010年9月22日 申请日期2009年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者仲林建, 唐军, 李建成, 王世全, 钟琴琴, 黄勇军 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所