水下半空间高频宽带换能器的制作方法

1.本发明属于换能器技术领域，特别涉及到一种水下半空间高频宽带换能器。


背景技术：

2.在进行水下试验设备设计时，水声换能器的工作频带、工作带宽及其工作指向性为该换能器的关键技术指标，为满足某实验设备需求，现需制作一种水下半空间高频宽带换能器，换能器工作形式为收发分置，工作频带为200khz～400khz，且半空间开角须大于180
°
。接收换能器位于发射换能器正上方，为防止系统自激，需要发射换能器具有“上-下隔离度”，即在发射换能器满足下半空间高频宽带发射的同时，向正上方辐射声波幅值尽可能小。为满足换能器上述要求，需要加工球壳状1-3型压电复合材料并使用合适的声障板与匹配层。由于国内尚未进行该换能器的研制，所以该水下半空间高频宽带换能器的研制成为亟待解决的问题。
3.在高频换能器领域，国内尚没有单位能制作200khz～400khz频带范围内，水下半空间声辐射功能的换能器，上海硅酸盐研究所可以制作200khz～400khz频带范围内具备声发射/接收能力的1-3型压电复合材料的圆片或圆管，但不具备球壳型压电复合材料的制作能力；另一换能器厂家可以制作球壳型压电复合材料，但其换能器工作频带较窄，通常为1/10倍的f0，即当中心频率为300khz时，其换能器的工作频带为285khz～315khz，显然不符合使用需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，针对该品种换能器的缺失，本发明提出了一种水下半空间高频宽带换能器，能实现200khz～400khz频带范围内，水下半空间声发射/接收功能，并使得换能器的“上-下隔离度”大于15db。
5.为了解决上述技术问题，本发明的实施例采用如下技术方案：
6.本发明的一种水下半空间高频宽带换能器，它包括：防水层、匹配层、压电元件、背衬层、换能器壳体、紧固螺钉和转接法兰，其中：换能器壳体为半球形和圆柱形的组合，在换能器壳体半球形和部分圆柱形的外侧粘接有与换能器壳体外侧贴附的背衬层，在背衬层半球形外侧依次贴附粘接有压电元件和匹配层，在匹配层半球形、背衬层圆柱形和换能器壳体圆柱形的外侧贴附粘接有防水层，转接法兰上端通过若干个紧固螺钉固定在换能器壳体圆柱形的下端，转接法兰下端与水密插头相连，压电元件的内侧和外侧分别接有换能器导线，换能器导线穿过背衬层，进入换能器壳体和转接法兰内，接到水密插头上，匹配层为混合比例为2：1～5：1的型号e44高温环氧树脂和金属粉末的混合物。
7.本发明的一种水下半空间高频宽带换能器，其中：在所述换能器壳体的圆柱形部分有一凸台，背衬层贴附粘接在凸台上端的换能器壳体半球形和圆柱形上，背衬层外侧与凸台外侧平齐。
8.本发明的一种水下半空间高频宽带换能器，其中：它还包括：密封圈，在与转接法
兰接触的换能器壳体端部装有密封圈。
9.本发明的一种水下半空间高频宽带换能器，其中：所述粘接采用703胶进行粘接。
10.本发明的一种水下半空间高频宽带换能器，其中：所述防水层为聚氨酯。
11.本发明的一种水下半空间高频宽带换能器，其中：所述背衬层为耐压聚氨酯硬质泡沫。
12.本发明的一种水下半空间高频宽带换能器，其中：所述压电元件采用1-3型压电复合材料。
13.本发明的一种水下半空间高频宽带换能器，其中：所述匹配层的厚度为1-5mm。
14.有益效果
15.与现有技术相比，本发明的水下半空间高频宽带换能器具有以下优点：
16.一、本发明的水下半空间高频宽带换能器一个最大的特点是：轴向大开角，而以往能成熟使用的1-3型压电复合材料多为空心圆柱壳设计，其周向指向性能做到全向，但是当圆柱高度为10-30mm时，300khz处的轴向开角只有8
°‑
24
°
，圆柱高度越高，其开角越小。本发明为球壳设计，在加上匹配层后，300khz处的轴向开角为180
°
，比以往的空心圆柱壳设计有了巨大的提升。
17.二、本发明的水下半空间高频宽带换能器另一个最大的特点是：宽带较宽，而以往1-3型高频换能器的带宽较窄，通常只有1/10倍的f0，本发明通过双谐振峰耦合以及匹配层的共同作用，将带宽调整为2/3倍的f0，比以往1-3型高频换能器有了巨大提升。
18.三、本发明的水下半空间高频宽带换能器使用半球壳压电元件加背衬层的方式，有效地控制换能器的辐射开角，使得换能器获得半空间辐射能力，并因此获得更大的“上-下隔离度”。
附图说明
19.图1为本发明的水下半空间高频宽带换能器的正向剖面示意图；
20.图2为本发明的水下半空间高频宽带换能器的发送电压响应级测试曲线；
21.图3为本发明的水下半空间高频宽带换能器于300khz处的周向指向性。
22.图4为本发明的水下半空间高频宽带换能器于300khz处的轴向指向性。
23.图5为本发明的水下半空间高频宽带换能器的“上-下隔离度”曲线。
24.在图1中：标号1为防水层；标号2为匹配层；标号3为压电元件；标号4为背衬层；标号5为换能器壳体；标号6为换能器导线；标号7为紧固螺钉；标号8为密封圈；标号9为转接法兰；标号10为水密插头；标号11为凸台。
具体实施方式
25.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
26.如图1所示，本发明的水下半空间高频宽带换能器包括：防水层1、匹配层2、压电元件3、背衬层4、换能器壳体5、紧固螺钉7、转接法兰9和密封圈8。换能器壳体5为半球形和圆柱形的组合，在换能器壳体5的圆柱形部分有一凸台11，背衬层4贴附粘接在凸台11上端的换能器壳体5半球形和圆柱形上，背衬层4外侧与凸台11外侧平齐。在背衬层4半球形外侧依
次贴附粘接有压电元件3和匹配层2，在匹配层2半球形、背衬层4圆柱形和换能器壳体5圆柱形的外侧贴附粘接有防水层1，转接法兰9上端通过若干个紧固螺钉7固定在换能器壳体5圆柱形的下端，转接法兰9下端与水密插头10相连，压电元件3的内侧和外侧分别接有换能器导线6，换能器导线6穿过背衬层4，进入换能器壳体5和转接法兰9内，接到水密插头10上，在与转接法兰9接触的换能器壳体5端部装有密封圈8。匹配层2为混合比例为2：1～5：1的型号e44高温环氧树脂和金属粉末的混合物，匹配层2的厚度为1-5mm。
27.所述粘接采用703胶进行粘接。防水层1为聚氨酯，背衬层4为耐压聚氨酯硬质泡沫，压电元件3采用1-3型压电复合材料。
28.对换能器进行性能测试，换能器在水中的发送电压响应如图2所示，其在200khz～400khz频带范围内响应均大于140db，带内起伏为7.4db。
29.对换能器进行性能测试，换能器在水中的300khz周向指向性如图3所示，其在300khz处周向起伏为4.6db。
30.对换能器进行性能测试，换能器在水中的300khz轴向指向性如图4所示，其在300khz处半空间-9db开角为195
°
。
31.对换能器进行性能测试，换能器在水中的“上-下隔离度”曲线如图5所示，最小值为15.8db。
32.当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种水下半空间高频宽带换能器，它包括：防水层(1)、匹配层(2)、压电元件(3)、背衬层(4)、换能器壳体(5)、紧固螺钉(7)和转接法兰(9)，其特征在于：换能器壳体(5)为半球形和圆柱形的组合，在换能器壳体(5)半球形和部分圆柱形的外侧粘接有与换能器壳体(5)外侧贴附的背衬层(4)，在背衬层(4)半球形外侧依次贴附粘接有压电元件(3)和匹配层(2)，在匹配层(2)半球形、背衬层(4)圆柱形和换能器壳体(5)圆柱形的外侧贴附粘接有防水层(1)，转接法兰(9)上端通过若干个紧固螺钉(7)固定在换能器壳体(5)圆柱形的下端，转接法兰(9)下端与水密插头(10)相连，压电元件(3)的内侧和外侧分别接有换能器导线(6)，换能器导线(6)穿过背衬层(4)，进入换能器壳体(5)和转接法兰(9)内，接到水密插头(10)上，匹配层(2)为混合比例为2：1～5：1的型号e44高温环氧树脂和金属粉末的混合物。2.如权利要求1所述的水下半空间高频宽带换能器，其特征在于：在所述换能器壳体(5)的圆柱形部分有一凸台(11)，背衬层(4)贴附粘接在凸台(11)上端的换能器壳体(5)半球形和圆柱形上，背衬层(4)外侧与凸台(11)外侧平齐。3.如权利要求2所述的水下半空间高频宽带换能器，其特征在于：它还包括：密封圈(8)，在与转接法兰(9)接触的换能器壳体(5)端部装有密封圈(8)。4.如权利要求3所述的水下半空间高频宽带换能器，其特征在于：所述粘接采用703胶进行粘接。5.如权利要求4所述的水下半空间高频宽带换能器，其特征在于：所述防水层(1)为聚氨酯。6.如权利要求5所述的水下半空间高频宽带换能器，其特征在于：所述背衬层(4)为耐压聚氨酯硬质泡沫。7.如权利要求6所述的水下半空间高频宽带换能器，其特征在于：所述压电元件(3)采用1-3型压电复合材料。8.如权利要求7所述的水下半空间高频宽带换能器，其特征在于：所述匹配层(2)的厚度为1-5mm。

技术总结
本发明的水下半空间高频宽带换能器包括：防水层、匹配层、压电元件、背衬层、换能器壳体、紧固螺钉和转接法兰，换能器壳体为半球形和圆柱形的组合，在换能器壳体半球形和部分圆柱形的外侧粘接有与换能器壳体外侧贴附的背衬层，在背衬层半球形外侧依次贴附粘接有压电元件和匹配层，在匹配层半球形、背衬层圆柱形和换能器壳体圆柱形的外侧贴附粘接有防水层，转接法兰上端通过若干个紧固螺钉固定在换能器壳体圆柱形的下端，转接法兰下端与水密插头相连，压电元件的内侧和外侧分别接有换能器导线，换能器导线穿过背衬层，进入换能器壳体和转接法兰内，接到水密插头上，匹配层为混合比例为2：1～5：1的型号E44高温环氧树脂和金属粉末的混合物。末的混合物。末的混合物。


技术研发人员：段炼 张克朗 仲超 赵勰 沈国栋 张希 熊翰林 孙聪 陈诚
受保护的技术使用者：昆明船舶设备研究试验中心（中国船舶集团有限公司七五〇试验场）
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/10/7