一种高稳定性水声标准器及制作方法
阅读说明：本技术 一种高稳定性水声标准器及制作方法 (High-stability underwater sound standard device and manufacturing method thereof ) 是由 何涛 赵涵 易文胜 于 2021-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高稳定性水声标准器及制作方法。水声标准器主要由敏感元件组件、支撑杆、上下端盖、透声橡胶套、填充油、不锈钢压环、水密屏蔽电缆等构成。敏感元件选用多个小直径压电陶瓷圆管,谐振频率高于工作频率上限的2倍,远离谐振频率工作。压电陶瓷圆管通过软性的支撑垫柔性悬挂于支撑杆内部,保持自由振动状态。选用透声橡胶套作为透声窗,通过填充油传递能量,避免敏感元件与透声材料直接接触。在制作工艺方面,透声橡胶套与上下端盖通过不锈钢压环挤压变形密封,填充油充满后通过抽真空去除填充油内部气泡,该结构形式及制作工艺保证水声标准器具有良好温度压力时间稳定性,适合作为水声计量标准装置的考核标准。(The invention discloses a high-stability underwater sound standard device and a manufacturing method thereof. The underwater sound standard device mainly comprises a sensitive element assembly, a support rod, an upper end cover, a lower end cover, a sound-transmitting rubber sleeve, filling oil, a stainless steel pressure ring, a watertight shielding cable and the like. The sensitive element adopts a plurality of small-diameter piezoelectric ceramic round tubes, the resonant frequency is 2 times higher than the upper limit of the working frequency, and the piezoelectric ceramic round tubes work far away from the resonant frequency. The piezoelectric ceramic round tube is flexibly suspended inside the supporting rod through the soft supporting pad, and the free vibration state is kept. An acoustic-transmission rubber sleeve is selected as an acoustic-transmission window, energy is transmitted through filling oil, and the sensitive element is prevented from being in direct contact with an acoustic-transmission material. In the aspect of the manufacturing process, the sound-transmitting rubber sleeve and the upper end cover and the lower end cover are extruded and deformed to be sealed through the stainless steel compression ring, and air bubbles in the filling oil are removed through vacuumizing after the filling oil is filled.)
技术领域
本发明涉及水声测量领域，具体属于一种水声计量标准装置考核用标准器，主要是一种高稳定性水声标准器及制作方法。
背景技术
二战前后，随着军事斗争和海洋开发的需要，诞生了水声工程学科。经过几十年的不断发展，如今水声工程学应用越来越广泛，已经融入到日常生活的各个方面，在军事中的应用主要有各型声呐系统、鱼雷声制导、水雷声引信和水声对抗器材等设备，在民用中主要有海洋通信、海洋环境观测、油气资源勘测、海底沉物搜寻、渔业资源调查等。水声工程应用中有大量用于声接收或发射的水声设备，为了准确评价这些水声设备及其水下声系统和部件的声学性能是否满足设计的技术指标和使用要求，需要建立各种水声性能测试系统，国防科技工业水声一级计量站就建立了多套水声计量标准装置，频率范围从低频到高频，压力从常压到高静水压。水声计量标准装置测量不确定度小，判断其运行状况是否正常，是一项较为困难的工作，需要利用装置考核标准来实现。用于接收性能的考核标准一般称为标准水听器，用于发射性能的考核标准称为标准发射器，能实现收发性能考核的标准称为水声标准器。标准水听器的研究较多，如贾友娣、沈建新等人报道的“20Hz～150kHz高稳定性标准水听器”，何涛、徐卓华等人报道的“100kHz～500kHz压电复合材料标准水听器”等，但这些标准水听器通常带有前置放大器，仅能作为接收性能考核，无法用于发射性能考核。华明龙等人提出《15kHz～25kHz水声标准发射换能器》CN85200255，该换能器为短圆柱形，在工作频率范围内有平坦的发送响应。和常用的发射换能器一样，该方案换能器采用PZT-4材料，表面密封材料为透声橡胶，工作在谐振频率附近，因此其性能随温度、压力变化远大于标准装置的测量不确定度，作为标准装置的发射考核标准是不合适的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种高稳定性水声标准器及制作方法，本发明设计制作了一种接收、发射性能优异，具有高稳定性的水声标准器，应用于中低频水声标准装置的接收和发射性能考核和工作状况的准确评估。
本发明是为了提高水声标准器的稳定性，满足水声计量标准装置收发性能考核需要，公布了一种利用多个小直径压电陶瓷圆管作为敏感元件，敏感元件柔性悬挂，内部充油的高稳定性水声标准器结构及制作方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种高稳定性水声标准器，包括上端盖、下端盖、透声橡胶套和敏感元件组件，透声橡胶套的二端分别与上端盖、下端盖相连接并形成一个封闭的空间，透声橡胶套内部填充油作为能量传递的介质；多根支撑杆安装在该空间内并与上端盖、下端盖的端面连接，用于接收和发射声波的多个敏感元件组件呈上下排列并柔性悬挂于支撑杆上，多个敏感元件组件的正负极通过导线并联后连接到电连接器；水密屏蔽电缆与电连接器连接，电缆头装入上端盖顶部腔体并通过紧固螺钉固定。
所述的敏感元件组件包括上盖板、压电陶瓷圆管、支撑垫片和下盖板，压电陶瓷圆管设置在上盖板和下盖板之间，支撑垫片穿过压电陶瓷圆管柔性悬挂于支撑杆上。
所述压电陶瓷圆管内部为空气去耦，其谐振频率高于工作频率上限的2倍。
采用8个敏感元件组件并联形成等距线列阵。
所述填充油的声阻抗应该与水的声阻抗匹配。
所述透声橡胶套与上端盖、下端盖采用不锈钢压环挤压变形密封。
本发明同时公开了一种高稳定性水声标准器的制作方法，包括如下步骤：
1、将多根支撑杆安装于上端盖上，依次将装配好的敏感元件组件安装于支撑杆内部，等间距排列，利用胶固定在相应位置，盖好下端盖；
2、利用导线将多个敏感元件组件的正负极分别连在一起，最终与电连接器连接；
3、将透声橡胶套穿过下端盖覆盖在支撑杆外部，一端与上端盖所留台阶对齐，另一端与下端盖台阶对齐；不锈钢压环安放于透声橡胶套与端盖连接位置，利用扣压设备将不锈钢压环挤压变形，实现端盖与橡胶套的密封；
4、选择合适的填充油通过上端盖内部的充油孔注入标准器内部，充满后在真空腔中抽真空，并保持一定时间，直到标准器内部气泡全部排出，拧紧充油密封螺钉，依靠其端面的密封圈实现填充油密封；
5、将水密屏蔽电缆穿过电缆头，预留一定长度剥开外皮，留下芯线，利用模具硫化实现水密，水密屏蔽电缆与电连接器连接后，电缆头装入上端盖顶部腔体，利用紧固螺钉13固定，就完成了水声标准器制作。
本发明的有益效果为：
a)敏感元件采用小直径压电陶瓷圆管，发射和接收时，其谐振频率远高于工作频率上限，温度、压力、时间变化造成的谐振频率变化对收发性能影响很小，水声标准器具有高的温度压力时间稳定性。
b)压电陶瓷圆管固定在支撑垫片内部，然后柔性的悬置予支撑杆上，橡胶垫具有良好的去耦作用，保证了压电陶瓷圆管的自由振动状态，提高了水声标准器接收灵敏度响应平坦性。
c)透声采用透声橡胶套，内部填充稳定性好的填充油，透声材料与压电陶瓷圆管无直接接触，透声材料性能随温度压力变化影响被大幅降低，进而提高了标准器的温度压力稳定性。
d)利用多个压电陶瓷圆管并联，形成一段线列阵，大大提高了水声标准器的发送电压响应；并联后静态电容增大，提高了标准器带电缆能力。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2敏感元件组件示意图。
附图标记：敏感元件组件1、下端盖2、支撑杆3、上端盖4、填充油5、透声橡胶套6、导线7、电连接器8、不锈钢压环9、充油密封螺钉10、水密屏蔽电缆11、电缆头12、紧固螺钉13、上盖板14、压电陶瓷圆管15、支撑垫片16、下盖板17。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍：
如图1所示，一种高稳定性水声标准器，主要包括敏感元件组件1、下端盖2、支撑杆3、上端盖4、填充油5、透声橡胶套6、导线7、电连接器8、不锈钢压环9、充油密封螺钉10、水密屏蔽电缆11、电缆头12、紧固螺钉13等。透声橡胶套6的二端分别与上端盖4、下端盖2相连接并形成一个封闭的空间，透声橡胶套6内部填充油5作为能量传递的介质；多根支撑杆3安装在该空间内并与上端盖4、下端盖2的端面连接，用于接收和发射声波的多个敏感元件组件1呈上下排列并柔性悬挂于支撑杆3上，多个敏感元件组件1的正负极通过导线7并联后连接到电连接器8；水密屏蔽电缆11与电连接器8连接，电缆头12装入上端盖4顶部腔体并通过紧固螺钉13固定。
如图2所示，所述敏感元件组件，是电声转换的核心，当标准器用于接收时，敏感元件将感应到的声信号转换为电信号；当标准器用于发射时，功率放大器激励信号作用到敏感元件组件上，产生高频振动，向水下发射声波。所述的敏感元件组件1包括上盖板14、压电陶瓷圆管15、支撑垫片16和下盖板17，压电陶瓷圆管15设置在上盖板14和下盖板17之间，支撑垫片16穿过压电陶瓷圆管15柔性悬挂于支撑杆3上。上下盖板用于压电陶瓷圆管两个端面的密封，内部空气层去耦。压电陶瓷圆管为小直径圆管，远离谐振频率工作，通常标准器工作频率上限低于元件谐振频率的1/2。支撑垫片采用橡胶材料制作，内部留有与压电陶瓷圆管直径相同的通孔，压电陶瓷圆管固定在支撑垫片内部后，柔性悬挂于支撑杆内部，压电陶瓷圆管处于自由振动状态。实施时，将上盖板14及下盖板16分别粘接在压电陶瓷圆管15的两个端面，固化成型后将装配体安装于支撑垫片16内部，利用胶固定，这样就完成了敏感元件组件的制作。
所述的下端盖采用密度较大的铜或不锈钢材料加工而成，下端盖底部留有一个通孔，用于悬挂配重块，保持标准器工作时垂直于水中。在下端盖上端留有一个台阶，其高度与透声橡胶套相当，将透声套一端安装在台阶位置，利用不锈钢压环挤压变形实现端盖与透声橡胶套之间密封。
所述支撑杆为高强度金属杆，用于安装敏感元件组件，并起到保护作用。支撑杆直径与最高工作频率有关，一般小于最高工作频率波长的1/10，并尽量远离压电陶瓷圆管。
所述上端盖采用密度较大的铜或不锈钢材料加工而成，在上端盖下部留有一个台阶，其高度与透声橡胶套相当，将透声套一端安装在台阶位置，利用不锈钢压环挤压变形实现端盖与透声橡胶套之间密封。上端盖内部安装电连接器，并预留有充油螺纹通孔。顶部腔体与电缆头尺寸紧密配合，利用电缆头上的径向“O”形密封圈实现水密。
所述填充油，为透声橡胶套与压电陶瓷圆管间的填充液。其作用是实现压电陶瓷圆管与透声橡胶套之间的能量传递。对填充油材料选择有三个方面要求。一、声学性能，填充液的声阻抗应该与水的声阻抗匹配，避免声波聚焦或发散。二、化学性能稳定，对于透声橡胶及压电陶瓷无腐蚀性。三、物理性能，具有合适的粘度，粘度随温度变化较小，液体膨胀系数较低。通常选用稳定性好的硅油。
所述透声橡胶套，利用模具硫化成形，厚度通常在3-5mm。透声橡胶套需要满足声波入射到材料层上能够无反射、无损耗地通过，其特性阻抗与水匹配、衰减常数很低，并具有低透水率，可以长期水下工作，通常为氯丁橡胶或丁基橡胶材料。
所述导线，用于8个敏感元件组件之间的电学连接以及敏感元件组件与电缆接器之间的连接。标准器需要用于发射，导线应满足发射时的电流电压要求。
所述电连接器用于标准器充油部分与后端的电学连接，选用2芯小尺寸电连接器，一端连接压电陶瓷圆管的正极和负极，另外一端连接水密屏蔽电缆的芯线。
所述不锈钢压环，主要用于透声橡胶套与端盖之间的密封。未形变以前，其内径与橡胶套外径相同，利用扣压设备使其挤压变形，从而引起橡胶套变形，实行了橡胶套与端盖之间的水密。
所述水密屏蔽电缆，接收时将压电陶瓷圆管转换的电信号传输到信号采集端，用作发射时，将激励信号从功放端施加到压电陶瓷圆管。选用带屏蔽的水密电缆。金属屏蔽层用于屏蔽空间的电磁信号，降低电磁干扰。
具体制作方法为：
1、将6根支撑杆2安装于上端盖4上，依次将装配好的敏感元件组件1安装于支撑杆2内部，等间距排列，利用胶固定在相应位置，盖好下端盖2；
2、利用导线7将8个敏感元件组件1的正负极分别连在一起，最终与电连接器8连接；
3、将透声橡胶套6穿过下端盖2覆盖在支撑杆3外部，一端与上端盖4所留台阶对齐，另一端与下端盖2台阶对齐；不锈钢压环9安放于透声橡胶套6与端盖连接位置，利用扣压设备将不锈钢压环9挤压变形，实现端盖与橡胶套的密封；
4、选择合适的填充油5通过上端盖4内部的充油孔注入标准器内部，充满后在真空腔中抽真空，并保持一定时间，直到标准器内部气泡全部排出，拧紧充油密封螺钉10，依靠其端面的密封圈实现填充油密封；
5、将水密屏蔽电缆11穿过电缆头12，预留一定长度剥开外皮，留下芯线，利用模具硫化实现水密，水密屏蔽电缆11与电连接器8连接后，电缆头12装入上端盖4顶部腔体，利用紧固螺钉13固定，就完成了水声标准器制作。
本发明选用透声橡胶套作为透声窗，通过填充油传递能量，避免敏感元件与透声材料直接接触。在制作工艺方面，透声橡胶套与上下端盖通过不锈钢压环挤压变形密封，填充油充满后通过抽真空去除填充油内部气泡，该结构形式及制作工艺保证水声标准器具有良好温度压力时间稳定性，适合作为水声计量标准装置的考核标准。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
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