Гидрофон
HYDROPHONE

Область техники
Изобретение относится к области пьезоэлектрических преобразователей гидроакустических сигналов в электрические (гидрофонам) и предназначено для использования в составе буксируемых сейсмических кос в качестве сейсмоприёмников.
Предшествующий уровень техники.
Известен гидрофон по патенту на полезную модель RU88236, МПК H04R 1/44 (2006.01), 2009. Как и в заявляемом техническом решении указанный аналог содержит пьезоэлектрический элемент, соединенный с печатной платой. В отличие от заявленного технического решения пьезоэлемент выполнен цилиндрическим и закреплен в корпусе. В корпусе закреплена и печатная плата. Снаружи гидрофон залит двойным слоем акустически прозрачного эластичного полиуретанового компаунда. Между слоями компаунда наносится тонкий (30 мкм) слой из сплава олово-свинец, повышающий гидроустойчивость чувствительного элемента и одновременно являющегося электрическим экраном.
Недостатком указанного аналога является наличие корпуса для крепления пьезоэлемента, что приводит к увеличению материалоемкости гидрофона. Выполнение пьезоэлемента охватывающим корпус приводит к необходимости защиты пьезоэлемента снаружи компаундом и размещения снаружи дополнительного металлического слоя. Это также увеличивает сложность и материалоемкость конструкции.
Также известен гидроакустический преобразователь дискового типа ПКС-6 (Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под редакцией В.М. Шарапова. - М.: Техносфера, 2006, ISBN: 5-94836-100-4, стр. 419-420).  Как и в заявляемом техническом решении указанный аналог содержит две чашеобразные мембраны, с внутренней стороны к днищам которых закреплены дисковые пьезоэлектрические элементы. В отличие от заявленного технического решения мембраны состыкованы друг с другом краями чашеобразной формы, а выходные проводники соединены непосредственно с мембранами и  пьезоэлектрическими элементами. При этом в пространстве между мембранами два проводника от каждого пьезоэлектрического элемента соединяются вместе в один проводник, и уже этот один проводник выходит из указанного пространства.
Недостатком указанного аналога является соединение выходных проводников непосредственно с пьезоэлектрическими элементами. При использовании преобразователя это приводит к необходимости его разборки для закрепления выходных проводников к пьезоэлектрическим элементам и последующей сборки (соединения чашеобразных мембран краями) с герметизацией места соединения и места выхода проводника из пространства между мембранами. Также это приводит к наличию незакрепленного соединения проводников в пространстве между мембранами, что снижает надежность устройства. Кроме того, место ввода гибкого выходного проводника во внутреннее пространство между чашеобразными мембранами при эксплуатации теряет герметизацию, что приводит к попаданию посторонних веществ в это внутреннее пространство. Это приводит к возникновению дополнительных шумов на выходе преобразователя, коррозии соединений и материала.
Гидроакустический преобразователь дискового типа ПКС-6 является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому техническому решению. Поэтому он принят в качестве прототипа.
Раскрытие заявляемого технического решения.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является уменьшение количества операций при сборке гидрофона и исключение из его конструкции недостаточно надежных узлов крепления деталей между собой.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является увеличение надежности и срока службы гидрофона.
Дополнительным техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является снижение трудоемкости сборки сейсмокосы с использованием гидрофонов.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что гидрофон содержит две чашеобразные мембраны, во внутреннем пространстве на днищах которых своими первыми сторонами механически закреплены пьезоэлектрические пластины. Отличается тем, что механическая связь мембран и пьезоэлектрических пластин также является их гальванической или емкостной связью. При этом мембраны своими краями закреплены на многослойной печатной плате с двух сторон с образованием герметизации внутренних пространств мембран. При этом вторые стороны пьезоэлектрических пластин через гибкий проводник и по крайней мере одну токопроводящую дорожку во внутреннем слое печатной платы электрически соединены с по крайней мере одной выходной контактной площадкой на печатной плате, размещенной снаружи мембран.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение всех заявленных технических результатов. Данное нововведение позволяет упростить процедуру сборки гидрофона и зафиксировать в пространстве все точки электрических соединений внутри конструкции гидрофона.
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение следующим образом.
Предпочтительно края мембран припаивать к кольцевым контактным площадкам на внешних слоях печатной платы. При этом пьезоэлектрические пластины одной стороной приклеены к мембранам электропроводным или неэлектропроводным клеем, а другой стороной гибкими проводами соединены с внутренними контактными площадками на печатной плате, расположенными во внутреннем пространстве мембран и электрически соединенными с одной выходной контактной площадкой за пределами внутреннего пространства мембран. При этом другая выходная контактная площадка электрически соединена с кольцевыми контактными площадками. Выходные провода припаяны к выходным контактным площадкам.
Края мембран предпочтительно выполнять имеющими кольцевую форму и снабженными кольцевым прессованным выступом.
Авторами заявленного технического решения изготовлен опытный образец этого решения, испытания которого подтвердили достижение технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 показан внешний вид гидрофона, вид сверху, на фиг. 2 — продольный разрез гидрофона (разрез А-А на фиг. 1).
Лучший вариант осуществления технического решения.
Гидрофон (фиг. 1, 2) представляет собой многослойную печатную плату (2), в частности, 4-слойную печатную плату, на двух внешних слоях которой зеркально друг к другу выполнены одинаковые кольцевые контактные площадки. К этим площадкам своими краями по всему периметру припаяны одинаковые чашеобразные металлические мембраны (1). Для усиления контакта мембраны (1) с печатной платой (2) и повышения надежности этого контакта край мембраны имеет кольцевую форму, соответствующую кольцевой контактной площадке, и кольцевой прессованный выступ наружу. Припой (6) герметизирует внутреннее пространство мембраны между ее плоским круглым днищем и печатной платой.
Во внутреннем пространстве мембран к днищу мембран (1) электропроводным или неэлектропроводным клеем приклеены пьезоэлектрические пластины (3), например, ЦТСНВ-1 (твердого раствора титаната-цирконата свинца с примесями натрия и висмута). Таким образом пластины (3) одной стороной механически соединены с мембраной (1) и электрически с кольцевыми контактными площадками на печатной плате (2). При этом между мембранами (1) и пьезоэлектрическими пластинами (3) имеется гальваническая или емкостная связь. Другой стороной пластины (3) электрически соединены с внутренними контактными площадками, расположенными на внешних слоях печатной платы (2) во внутреннем пространстве мембран (1). Это соединение выполнено с помощью одинаковых гибких проводов МГТФ (4), припаянных к пластинам (3) и внутренним сквозным контактным площадкам. Внутренние контактные площадки снабжены металлизированными отверстиями и  электрически соединены между собой.
Снаружи мембран (1) печатная плата (2) снабжена двумя выходными контактными площадками с металлизированными отверстиями для припаивания выходных проводов (5) гидрофона. Одна выходная контактная площадка электрически соединена с обоими кольцевыми контактными площадками посредством печатных проводников на внешних слоях печатной платы. Другая выходная контактная площадка электрически соединена с внутренними контактными площадками посредством печатных проводников во внутреннем слое печатной платы.
Печатная плата (2) также снабжена двумя вспомогательными отверстиями, одно из которых используется для закрепления выходных проводов (5), а второе предназначено для крепления гидрофона в месте его установки при использовании.
Таким образом, печатная плата (2) является элементом механической фиксации пространственного положения других конструктивных элементов гидрофона и точек их соединения.
Реализация заявляемого технического решения не ограничивается приведенным выше предпочтительным вариантом. В частности, мембраны могут быть закреплены к печатной плате неэлектропроводным герметиком, тогда один из выходных проводов припаивается непосредственно к мембранам.
Порядок использования.
При использовании гидрофона его печатную плату (2) закрепляют в месте установки и соединяют свободные концы выходных проводов (5) согласно измерительной электрической схемы сейсмокосы. При этом, а также при дальнейшей эксплуатации, изгибание выходных проводов не влияет на герметичность внутреннего пространства мембран, что повышает надежность гидрофона и увеличивает срок его службы.
Гидрофон работает следующим образом.
При воздействии гидроакустических сигналов на мембраны (1) деформируются приклеенные к ним пьезоэлектрические пластины (3), что приводит к появлению электрических зарядов на сторонах пластин. Гальваническая или емкостная связь пьезоэлектрических пластин через мембраны (1), печатную плату (2) и выходные проводники (5) с измерительной цепью обеспечивает формирование электрического сигнала, соответствующего гидроакустическим сигналам.
Промышленная применимость.
Заявляемое техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть собрано на любом радиоэлектронном предприятии и найдет широкое применение в области пьезоэлектрических преобразователей гидроакустических сигналов.