校內(nèi)講義《水聲換能器設(shè)計(jì)與制作工藝》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書水聲工程學(xué)院王文芝目錄實(shí)驗(yàn)一壓電陶瓷材料主要參數(shù)測(cè)試…………1實(shí)驗(yàn)二環(huán)氧樹脂粘結(jié)與灌封工藝實(shí)驗(yàn)………4實(shí)驗(yàn)三薄壁圓管換能器的制作………………6實(shí)驗(yàn)四復(fù)合棒換能器的制作…………………10實(shí)驗(yàn)五聚氨酯橡膠的灌封工藝………………13實(shí)驗(yàn)六薄圓片徑向振動(dòng)換能器的制作………15實(shí)驗(yàn)七薄長(zhǎng)片長(zhǎng)度振動(dòng)換能器的設(shè)計(jì)與制作………………18實(shí)驗(yàn)八水聲換能器電聲性能參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)…20實(shí)驗(yàn)九氯丁橡膠硫化工藝實(shí)驗(yàn)………………26實(shí)驗(yàn)十超聲應(yīng)用實(shí)驗(yàn)…………27實(shí)驗(yàn)一、壓電陶瓷材料主要參數(shù)測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆諌弘娞沾刹牧闲阅軈?shù)的測(cè)試方法，了解主要參數(shù)的計(jì)算方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)儀器的使用；2.用“諧振-反諧振”法測(cè)試PZT-4、PZT-5的主要參數(shù)；3.電容電橋測(cè)量，；4.用NW1232低頻頻率特性測(cè)試儀測(cè)量；5.用ZJ-3A型準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量各元件的值。三、實(shí)驗(yàn)儀器：信號(hào)源GFG——8250A一臺(tái)毫伏表DF2175二臺(tái)型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接器自制一個(gè)低頻頻率特性測(cè)試儀NW1232一臺(tái)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量?jī)xZJ-3A一臺(tái)電容電橋一臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)原理：通過(guò)“諧振-反諧振”方法，測(cè)試壓電陶瓷材料的串聯(lián)諧振頻率、并聯(lián)諧振頻率等，計(jì)算出各主要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)儀器：五、儀器連接：六：實(shí)驗(yàn)方法：1.按圖連接好儀器。2.打開儀器開關(guān)，將樣品夾到夾持架兩頂尖處，注意夾持力要盡量小，以樣品不掉下來(lái)即可，夾持點(diǎn)應(yīng)選在樣品的中心處。3.調(diào)節(jié)輸入電壓，測(cè)量薄圓片和薄長(zhǎng)條片材料時(shí)，使V=1V，測(cè)量長(zhǎng)圓柱試樣時(shí)，使V=3V。4.調(diào)節(jié)信號(hào)頻率，按測(cè)量參數(shù)的需要測(cè)出試樣的，測(cè)量時(shí)，將轉(zhuǎn)接器開關(guān)撥到，測(cè)量時(shí)將轉(zhuǎn)接器開關(guān)撥到，注意觀察輸出電壓，當(dāng)輸出電壓出現(xiàn)第一個(gè)峰值時(shí)，此時(shí)的信號(hào)頻率即為，繼續(xù)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)頻率，當(dāng)輸出電壓出現(xiàn)第一個(gè)谷值時(shí)，此時(shí)頻率為，當(dāng)輸出電壓出現(xiàn)第二個(gè)峰值時(shí)，此時(shí)的輸入信號(hào)頻率為。5.用NW1232低頻頻率特性測(cè)試儀測(cè)量時(shí)，選掃頻方式為“線性”，檢波方式為“線性”，調(diào)節(jié)掃頻寬度可觀測(cè)到頻率特性曲線，再將掃頻方式改為“手動(dòng)”，可在相應(yīng)位置測(cè)出。6.ZJ-3A靜態(tài)測(cè)量?jī)x使用方法見附頁(yè)。七、實(shí)驗(yàn)步驟：1、用薄圓片試樣（PZT-4，PZT-5二種）測(cè)試材料的2、用薄長(zhǎng)方片試樣（PZT-4，PZT-5二種）測(cè)試材料的3、用長(zhǎng)圓柱試樣（PZT-4）測(cè)試材料的，S33D要求：每個(gè)頻率反復(fù)測(cè)量3次，取平均值。附頁(yè)ZJ-3A型準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量?jī)x操作方法一般手續(xù)下面的一般手續(xù)適用于試樣電容值小于0.01(對(duì)×1檔)或小于0.001(對(duì)×0.1檔)的情況。1.用兩根多芯電纜把測(cè)量頭和儀器本體連接好。2.把附件盒內(nèi)的塑料片插入測(cè)量頭的上下兩探頭之間，調(diào)節(jié)測(cè)量頭頂端的手輪，使塑料片剛好壓住為止。3.把儀器后面板上的“”選擇開關(guān)置“”一側(cè)。（如置“力”一側(cè)，則面板表上顯示的低頻交變力值，應(yīng)為“250”左右，這是低頻交變力0.25N的對(duì)應(yīng)值）。4.使儀器后面板上的量程選擇開關(guān)，按被測(cè)試樣的估計(jì)值，處于適當(dāng)位置，如無(wú)法確定估計(jì)值，則從大量程開始。（量程選擇開關(guān)置×1一側(cè)）。5.在儀器通電預(yù)熱10分鐘后，調(diào)節(jié)儀器前面板上的調(diào)零旋鈕使面板表指示在“0”與“-0”之間。6.去掉塑料圓片，插入待測(cè)試樣于上下兩探頭之間（參考圖1），調(diào)節(jié)手輪使探頭與樣品剛好夾持好住，靜壓力應(yīng)盡量小，使面板表指示值不跳動(dòng)即可。靜壓力不宜過(guò)大，如力過(guò)大，會(huì)引起壓電非線性，甚至損壞測(cè)量頭。但也不能過(guò)小，以致試樣松動(dòng)，指示值不穩(wěn)定。待指示值穩(wěn)定后，即可讀取的數(shù)值和極性。當(dāng)測(cè)量大量同樣厚度的試樣時(shí)，則可輕輕壓下測(cè)量頭的膠木板，取出已測(cè)試樣，插入一個(gè)待測(cè)樣品后，松開膠木板即可；不必再調(diào)節(jié)測(cè)量頭上方的調(diào)節(jié)手輪，這樣既方便，且還使靜壓力保持一致。7.為減小測(cè)量誤差，零點(diǎn)如有變化或換檔時(shí)，需重新調(diào)零。實(shí)驗(yàn)二環(huán)氧樹脂粘結(jié)與灌封工藝實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)習(xí)環(huán)氧樹脂粘結(jié)與灌封工藝，掌握粘結(jié)與灌封用環(huán)氧樹脂的配方與調(diào)制方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、配制粘結(jié)與灌封用環(huán)氧樹脂膠；2、用環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)金屬片。實(shí)驗(yàn)儀器及材料：電子天平1臺(tái)組合工具1套環(huán)氧樹脂適量鄰苯二甲酸二丁脂適量多乙烯多胺適量乙醇適量金屬片3個(gè)螺釘1個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟粘結(jié)工藝實(shí)驗(yàn)：1、選擇合適的配方：（配方一）環(huán)氧樹脂…………100鄰苯二甲酸二丁脂………………20多乙烯多胺………14～17呋喃樹脂……………25（配方二）環(huán)氧樹脂…………100一縮二乙二醇………52、粘結(jié)物體表面處理：金屬片表面磨砂后用乙醇清洗。3、按配方調(diào)制環(huán)氧樹脂膠：用天平稱量容器，首先加入環(huán)氧樹脂，之后加入增塑劑，最后加入固化劑，將混合液攪拌均勻備用。如果有需要可加入填料。4、先在要粘結(jié)的物體表面均勻地涂上環(huán)氧樹脂膠，越薄越好，再將粘結(jié)的物體表面對(duì)合在一起，加壓，擦去多余的膠。5、按配方規(guī)定的固化條件進(jìn)行固化。灌封工藝：（附加介紹，后續(xù)實(shí)驗(yàn)將會(huì)用到）1、選擇合適的配方：環(huán)氧樹脂…………100鄰苯二甲酸二丁脂………………20多乙烯多胺………14～17呋喃樹脂……………252、預(yù)處理：用乙醇清洗模具及灌封體表面。3、在模具內(nèi)表面均勻地涂上脫模劑：低溫潤(rùn)滑脂或真空脂。4、按配方調(diào)制環(huán)氧樹脂膠：用天平稱量容器，首先加入環(huán)氧樹脂，之后加入增塑劑，最后加入固化劑，將混合液攪拌均勻備用。如果有需要可加入填料。5、將調(diào)制好的環(huán)氧樹脂膠放置10分鐘左右，待膠液中的氣泡浮起后用熱風(fēng)將其吹除。6、將吹除氣泡后的環(huán)氧樹脂膠到入模具中，繼續(xù)觀察有無(wú)氣泡出現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)氣泡及時(shí)去除，直到不再產(chǎn)生氣泡為止7、放置在室溫環(huán)境中，24小時(shí)后固化反應(yīng)完成。思考題：1、環(huán)氧樹脂膠中有氣泡會(huì)對(duì)灌封后的換能器產(chǎn)生什么影響？2、粘結(jié)過(guò)程中為什么要嚴(yán)格地進(jìn)行清潔處理？實(shí)驗(yàn)三、薄壁圓管換能器的制作一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆毡”趫A管接收換能器的設(shè)計(jì)、制作方法，了解這類換能器生產(chǎn)制作的工藝過(guò)程。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.設(shè)計(jì)并制作一只中心工作頻率的圓柱型水聽器。2.計(jì)算低頻開路電壓靈敏度。3.計(jì)算水聽器的垂直指向性開角。三、實(shí)驗(yàn)儀器及材料：頻率特性測(cè)試儀NW12321臺(tái)兆歐表1只組合工具1套壓電陶瓷薄壁圓管PZT-5一個(gè)金屬電纜接頭自制1個(gè)電纜雙芯屏蔽1根定位墊自制2個(gè)減振墊自制2個(gè)四、設(shè)計(jì)理論依據(jù)：（電壓元件的選取、設(shè)計(jì)過(guò)程、零部件圖紙）。1.薄壁圓管換能器自由振動(dòng)時(shí)的共振頻率的計(jì)算薄壁壓電陶瓷圓管自由振動(dòng)時(shí)的共振頻率方程： 時(shí)，對(duì)于薄壁短圓管的共振頻率：式中：——圓管的平均半徑；單位:m；——壓電陶瓷的密度，單位：kg/m3;——短路彈性柔順系數(shù)，單位：m2/N。2.徑向極化時(shí)低頻開路接收電壓靈敏度的計(jì)算管端屏蔽時(shí)：管端暴露時(shí)：管端有端蓋時(shí)：其中：——壓電陶瓷圓管的內(nèi)半徑，單位：m；——壓電陶瓷圓管的外半徑，單位：m；——水聽器開路輸出電壓，單位：V；——水聽器表面受到的聲壓：?jiǎn)挝唬篜a；——壓電常數(shù)，單位：V.m/N；——壓電常數(shù)，單位：V.m/N。3.定向平面為XOZ的垂直指向性函數(shù)為：——介質(zhì)中的縱波波數(shù)。主瓣波束寬度：其中：——介質(zhì)中的聲波波長(zhǎng)，單位：m；——圓柱換能器的輻射面長(zhǎng)度，單位：m。五、制作工藝過(guò)程：①按設(shè)計(jì)要求加工外部零件；②對(duì)PZT元件進(jìn)行高溫（100~200℃）老化若干天；③測(cè)試元件性能，挑選性能附合要求，一致性好的元件各用；④用細(xì)去污粉擦洗元件，用清水沖凈、擦干，再高溫烘1小時(shí)后自然降溫，之后元件不要再用手觸摸，以免再次被油污，而影響粘結(jié)強(qiáng)度；⑤對(duì)部件進(jìn)行處理：去毛刺、檢驗(yàn)配合尺寸等；⑥對(duì)電纜接頭進(jìn)行預(yù)處理；⑦用酒精或丙酮對(duì)各部件去油污、清洗；⑧電纜處理：剝線、芯線鍍錫、焊接過(guò)渡線；用兆歐表、三用表檢查電纜的絕緣狀態(tài)及連通狀態(tài)；硫化或灌封預(yù)處理；⑨PZT元件焊接處事先鍍錫，注意焊接時(shí)間盡量短，以免將銀電極焊掉；⑩依次安裝換能器零件，將電纜的屏蔽線與電纜接頭連通，電纜的芯線分別焊于圓管的內(nèi)外電極上，并在電纜的另外一端作標(biāo)記。eq\o\ac(○,11)將各零件位置置于同軸狀態(tài)，擰上螺桿。eq\o\ac(○,12)用兆歐表檢查換能器的絕緣狀態(tài)，要附合相關(guān)要求；eq\o\ac(○,13)用頻率特性測(cè)試儀檢查換能器的工作狀態(tài)是否正常，合格進(jìn)行下一步；eq\o\ac(○,14)上述檢查合格后，進(jìn)行透聲層灌封；eq\o\ac(○,15)完成電纜的密封工作（這一工序可以在裝配前完成）；eq\o\ac(○,16)測(cè)量換能器各項(xiàng)性能指標(biāo)。六、測(cè)試結(jié)果1.換能器在空氣中的阻抗特性測(cè)試結(jié)果；2.換能器在水中的阻抗特性測(cè)試結(jié)果；3.換能器在水中的開路電壓靈敏度及頻響曲線。實(shí)驗(yàn)四、復(fù)合棒換能器的制作一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆諒?fù)合棒發(fā)射換能器的設(shè)計(jì)、制作方法，了解復(fù)合棒換能器的制作工藝。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.設(shè)計(jì)并制作一只復(fù)合棒發(fā)射換能器，中心工作頻率。2.在空氣中測(cè)試阻抗特性。三、實(shí)驗(yàn)儀器及材料：頻率特性測(cè)試儀NW12321臺(tái)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量?jī)xZJ-3A1臺(tái)兆歐表1只，預(yù)應(yīng)力施加裝置自制1臺(tái)，組合工具1套，壓電陶瓷元件PZT-42個(gè)，硬鋁前蓋板自制1個(gè)，黃銅后蓋板自制1個(gè)，預(yù)應(yīng)力螺桿自制1個(gè)，電極片自制2個(gè)，定位模具自制1個(gè)，環(huán)氧樹脂618型適量固化劑適量增塑劑適量四、設(shè)計(jì)理論依據(jù)：（包括元件的選取，計(jì)算過(guò)程及零部件圖紙）1.節(jié)面位置的選擇：節(jié)面位置選在兩壓電陶瓷元件的結(jié)合面上，即：。2.前蓋板的頻率方程：3.后蓋板的頻率方程式中：——壓電陶瓷圓片的厚度，單位m； ——后蓋板，前蓋板的長(zhǎng)度，單位，m;——各部分的波數(shù)； ——延展系數(shù)；——前蓋板小端、大端半徑，單位m；——后蓋板聲速，前蓋板聲速，壓電陶瓷元件級(jí)聯(lián)后的聲速；單位m/s；，單位：m/s；——后蓋板，前蓋板，壓電陶瓷的密度，單位：kg/m3；——短路柔順系數(shù)和開路柔順系數(shù)，m2/N；——縱向機(jī)電耦合系數(shù)；4.當(dāng)前蓋板為圓柱體時(shí)，,此時(shí)前蓋板的頻率方程為五、制作工藝過(guò)程：①按設(shè)計(jì)要求加工外部零件；②對(duì)PZT元件進(jìn)行高溫（100~200℃）老化若干天；③測(cè)試元件性能，挑選性能附合要求，一致性好的元件各用；④壓電元件表面正極作標(biāo)記后用細(xì)去污粉擦洗元件，用清水沖凈、擦干，再用60℃烘1小時(shí)后自然降溫，之后元件不要再用手直接觸摸粘結(jié)表面，以免再次被油污而影響粘結(jié)強(qiáng)度；⑤對(duì)部件進(jìn)行處理去毛刺、檢驗(yàn)配合尺寸等；⑥前、后蓋板的粘結(jié)表面預(yù)處理；⑦金屬電極片兩面預(yù)處理；⑧用酒精或丙酮清洗前、后蓋板及電極表面；⑨電極焊接處先鍍錫；⑩按配方調(diào)制粘結(jié)用環(huán)氧樹脂膠；eq\o\ac(○,11)按各部件的排列順序逐一在粘結(jié)表面上涂膠，膠層要均勻，越薄越好，檢驗(yàn)壓電元件的極性是否正確，保證兩元件在電路上的并聯(lián)關(guān)系，即相鄰兩片的極性相反，逐一粘結(jié)各部件，擰入預(yù)應(yīng)力螺桿，不加力。（預(yù)應(yīng)力螺桿上要加絕緣套管）；eq\o\ac(○,12)將各部件調(diào)整到同軸位置，套入定位模，以保證各部件施加預(yù)應(yīng)力后的同軸度；eq\o\ac(○,13)將換能器放入施加預(yù)應(yīng)力的裝置中，加壓并緊固好預(yù)應(yīng)力螺桿，釋壓后取出換能器，去掉定位模具，擦凈擠出的膠，注意電極片焊接處不可有殘膠；eq\o\ac(○,14)用兆歐表檢驗(yàn)絕緣；eq\o\ac(○,15)視環(huán)氧樹脂膠配方情況，將換能器置于高溫或室溫環(huán)境中固化，固化完成后焊電極引線；eq\o\ac(○,16)測(cè)試換能器相關(guān)參數(shù)。六、換能器空氣中的阻抗特性測(cè)試結(jié)果實(shí)驗(yàn)五聚氨酯橡膠的灌封工藝一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆站郯滨ハ鹉z的灌封工藝過(guò)程，了解抽真空系統(tǒng)的組成。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器具：恒溫干燥箱101C-21臺(tái)真空泵2X-41臺(tái)、電動(dòng)攪拌器90W1臺(tái)、電熱器1只調(diào)壓器1臺(tái)調(diào)溫電爐1個(gè)三口瓶1個(gè)溫度計(jì)2只，天平1臺(tái)、臺(tái)秤1臺(tái)、燒杯1個(gè)，水平尺1把，真空表1只，聚氨酯橡膠適量固化劑適量脫模劑適量三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.了解脫模劑的配制過(guò)程。2.了解聚胺酯橡膠的配方。3.灌封60kHz水聽器。四、灌封工藝1、按需要設(shè)計(jì)加工好模具，并對(duì)模具進(jìn)行清潔處理，將配好的脫模劑均勻地涂在模具上，將模具安裝好，放入高溫烘箱中加熱到60℃，保溫1小時(shí)。2、將聚氨酯按需量稱好，裝入三口瓶中，插入溫度計(jì)、真空機(jī)接口及攪拌機(jī)。加溫并開始抽真空，同時(shí)邊抽空氣邊攪拌，抽真空約1.5小時(shí)左右，直至膠液中無(wú)氣泡或僅有少量氣泡為止。3、將膠液降溫，繼續(xù)抽真空。將固化劑MoCa按每次配方量計(jì)算好，放入燒杯中，加熱熔化，溫度在120℃～150℃之間。當(dāng)MoCA全部熔解時(shí)倒入聚氨酯中，邊抽真空邊攪拌約一分鐘。此時(shí)便可以進(jìn)行灌注了。4、將聚氨酯從模具一側(cè)倒入，灌封用的模具要事先用丙酮清洗干凈。將所有地方處理好，方可灌注。5、灌注膠液后，要及時(shí)將膠液中氣泡處理干凈，灌注半小時(shí)以后，膠的流動(dòng)性變差，此時(shí)不可再清除氣泡。6、灌注后加熱至70℃保溫4小時(shí)，之后升溫至90℃保溫2小時(shí)。加熱的溫度、時(shí)間與膠固化后的硬度有關(guān)，有待于今后實(shí)際探索。7、三口瓶?jī)?nèi)的膠要倒干凈，放入烘箱內(nèi)一起加溫固化。之后將殘膠取出。8、加熱6小時(shí)后，斷電自然降溫到室溫，取出脫模。9、MoCa量的計(jì)算，MoCA=聚胺酯量×NCO×3.18×K/100K——為系數(shù)在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。NCO——每次購(gòu)買膠體后由廠方提供，各次均不相同。五、抽真空系統(tǒng)組成示意圖實(shí)驗(yàn)六薄圓片徑向振動(dòng)換能器的制作一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆毡A片徑向振動(dòng)換能器的設(shè)計(jì)、制作方法，了解此類換能器生產(chǎn)制作的一般工藝過(guò)程。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.設(shè)計(jì)并制作一只徑向振動(dòng)頻率115kHz的薄圓片徑向振動(dòng)發(fā)射換能器。2.計(jì)算全開角。3.用環(huán)氧樹脂封裝換能器。三、實(shí)驗(yàn)儀器及材料：頻率特性測(cè)試儀NW12321臺(tái)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量?jī)xZJ-3A1臺(tái)兆歐表1只，組合工具1套壓電陶瓷薄圓片PZT-41個(gè)金屬電纜接頭自制1個(gè)電纜雙芯屏蔽1根減振墊自制1個(gè)環(huán)氧樹脂適量增塑劑適量固化劑適量四、實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)：（包括壓電元件的選取、設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程及零部件圖紙）。1.壓電陶瓷薄圓片自由振動(dòng)時(shí)的共振頻率方程為：當(dāng)σ=0.27~0.42時(shí)，其近似的共振基頻表達(dá)式為：式中：——共振基頻，單位：Hz；——壓電陶瓷的泊松比；——短路彈性柔順系數(shù)，單位：m2/N；——壓電薄圓片的半徑，單位：m；V——壓電薄圓片中徑向振動(dòng)的聲速，單位：m/s；——壓電陶瓷的密度，單位：kg/m3；2.換能器在XOZ、YOZ定向平面內(nèi)的指向性函數(shù)為： 主瓣波束寬度為式中：——介質(zhì)中聲波的波長(zhǎng)，單位：m；——薄圓片的半徑，單位：m；五、制作工藝過(guò)程：1．按設(shè)計(jì)要求加工外部零件；2．對(duì)PZT元件進(jìn)行高溫（100～200℃）老化若干天；3．測(cè)試元件性能，挑選性能附合要求，一致性好的元件備用；4．用細(xì)去污粉擦洗元件，用清水沖凈、擦干，再高溫烘1小時(shí)后自然降溫，之后元件不要再用手觸摸，以免再次被油污而影響粘結(jié)強(qiáng)度；5．對(duì)部件進(jìn)行處理：去毛刺、檢驗(yàn)配合尺寸等；6．對(duì)外殼進(jìn)行預(yù)處理；7．用酒精或丙酮對(duì)各部件去油污、清洗；8．電纜處理：剝線、芯線鍍錫、焊接過(guò)渡線；用兆歐表、三用表檢查電纜的絕緣狀態(tài)及連通狀態(tài)；硫化或灌封部分處理；9．PZT元件焊接處鍍錫，注意焊接時(shí)間盡量短，以免將銀電極焊掉；10．按順序組裝：引電纜；固定去耦材料；焊接元件與電纜；固定PZT元件；焊點(diǎn)防腐蝕處理；11．檢查PZT元件安裝是否平整、位置是否居中，不附合要求要校正；12．用兆歐表檢查換能器的絕緣狀態(tài)，要附合相關(guān)要求；13．用頻率特性測(cè)試儀檢查換能器的工作狀態(tài)是否正常，合格進(jìn)行下一步；14．上述檢查合格后，進(jìn)行透聲層灌封；15．完成電纜的密封工作（這一工序可以在裝配前完成）。16．測(cè)量換能器各項(xiàng)性能指標(biāo)。六、換能器在空氣中的阻抗特性測(cè)試結(jié)果及波束角的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)七薄長(zhǎng)片長(zhǎng)度振動(dòng)換能器的設(shè)計(jì)與制作一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)習(xí)薄長(zhǎng)片長(zhǎng)度振動(dòng)換能器的設(shè)計(jì)方法，掌握薄長(zhǎng)片長(zhǎng)度振動(dòng)換能器的制作工藝。二、實(shí)驗(yàn)儀器及材料：頻率特性測(cè)試儀NW12321臺(tái)準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)試儀ZJ-3A1臺(tái)，兆歐表1臺(tái),組合工具1套,壓電陶瓷薄長(zhǎng)片PZT—41個(gè),電纜接頭自制1個(gè),水聲換能器專用電纜雙芯屏蔽1根,去耦墊自制1個(gè),絕緣板自制1塊,端蓋自制1個(gè),背襯殼體自制1個(gè),聚氨酯灌封設(shè)備1套,聚氨酯橡膠適量固化劑適量三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：設(shè)計(jì)并制作一只長(zhǎng)度振動(dòng)發(fā)射換能器，中心工作頻率f0＝55kHz。計(jì)算頻率為55kHz,70kHz,100kHz時(shí)的-3dB全開角。對(duì)發(fā)射換能器進(jìn)行水密封裝。四、實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)：半波振子,其共振基頻:f＝v/l或者l＝λ/2;指向性按連續(xù)線陣計(jì)算。實(shí)驗(yàn)步驟:1、按工作條件及技術(shù)要求設(shè)計(jì)選定壓電陶瓷元件型號(hào)、尺寸;2、設(shè)計(jì)并加工結(jié)構(gòu)件;3、壓電陶瓷元件處理:高溫老化、元件篩選;去油并清洗備用。4、結(jié)構(gòu)件預(yù)處理:去毛刺、去油并清洗、檢驗(yàn)加工尺寸等。5、電纜處理:剝線、鍍錫、焊接過(guò)渡線;檢查絕緣及連通狀態(tài)。6、壓電陶瓷元件焊接點(diǎn)鍍錫;7、換能器組裝：引電纜并固定;粘結(jié)固定背襯殼體;粘結(jié)固定絕緣板及去耦墊;焊接并固定壓電陶瓷元件;固定端蓋。8、用NW1232頻率特性測(cè)試儀檢查換能器的頻率特性;9、用兆歐表檢查換能器的絕緣狀態(tài);10、用聚氨酯橡膠灌封換能器的透聲層及電纜;11、測(cè)試換能器的發(fā)射性能參數(shù)。思考題：1、如果選用PZT-5壓電陶瓷薄長(zhǎng)片,尺寸相同,諧振頻率有何變化？2、試回答去耦墊的作用？實(shí)驗(yàn)八水聲換能器電聲性能參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)習(xí)常用聲學(xué)儀器的使用，掌握壓電換能器主要性能參數(shù)的測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、自己設(shè)計(jì)制做的水聲換能器電阻抗特性測(cè)量；2、自己設(shè)計(jì)制做的水聽器自由場(chǎng)開路電壓靈敏度測(cè)量3、自己設(shè)計(jì)制做的水聲換能器指向性圖測(cè)量4、自己設(shè)計(jì)制做的水聲發(fā)射器發(fā)送電壓響應(yīng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備1、信號(hào)源B&K10271臺(tái)2、選通門電路B&K44401臺(tái)3、功率放大器B&K27131臺(tái)4、測(cè)量放大器B&K26101臺(tái)5、濾波器B&K16171臺(tái)6、示波器國(guó)產(chǎn)1臺(tái)7、發(fā)射換能器自研1臺(tái)8、被測(cè)水聽器自研1臺(tái)9、標(biāo)準(zhǔn)水聽器B&K81041臺(tái)10、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置自研1臺(tái)11、阻抗分析儀HP41921臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備連接方法及框圖說(shuō)明：上述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中后三項(xiàng)儀器設(shè)備的連接框圖基本一致。注意事項(xiàng)：認(rèn)真識(shí)別每臺(tái)儀器設(shè)備的功能旋鈕，仔細(xì)閱儀器設(shè)備使用說(shuō)明書按照儀器設(shè)備連接框圖正確連接，連接前檢查連接用電纜的可靠性；3、經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后方可通電；4、加電后開機(jī)檢查各儀器設(shè)備是否能夠正常工作，如不正常，單機(jī)調(diào)試；5、連接好水聲發(fā)射器、水聽器后，應(yīng)加載電信號(hào)，觀察水聽器接收波形是否正常，如遇有干擾等問(wèn)題及時(shí)采取相應(yīng)措施解決，以免影響實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行及可能帶來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。信號(hào)源外觸發(fā)信號(hào)示波器監(jiān)測(cè)信號(hào)選通門電路濾波器功率放大器測(cè)量放大器旋轉(zhuǎn)裝置標(biāo)準(zhǔn)水聽器被測(cè)水聽器發(fā)射器水聲水池儀器設(shè)備連接框圖五、實(shí)驗(yàn)步驟擦洗、浸泡實(shí)驗(yàn)用水聲換能器，浸泡時(shí)間足夠長(zhǎng)；根據(jù)實(shí)驗(yàn)用水聲換能器幾何尺寸及實(shí)驗(yàn)工作頻帶范圍確定遠(yuǎn)場(chǎng)距離，并將換能器吊放在聲場(chǎng)中合適位置處；正確連接儀器設(shè)備；開機(jī)聯(lián)調(diào)；觀察波形，并記錄；根據(jù)測(cè)量?jī)?nèi)容，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。（1）水聲換能器電阻抗測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用HP4192A阻抗特性分析儀進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。（2）水聽器自由場(chǎng)電壓靈敏度的測(cè)量將標(biāo)準(zhǔn)水聽器與待測(cè)水聽器置于聲場(chǎng)中與水聲發(fā)射器呈等腰三角形或?qū)⑷叩刃曋行奶幱谝粭l直線上，發(fā)射器和接收器的間距要滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。將頻率為待測(cè)換能器工作頻率f的電信號(hào)加到發(fā)射器上,且保持其發(fā)射聲場(chǎng)恒定不變。注意要使發(fā)射器的聲軸方向?qū)?zhǔn)水聽器，記錄標(biāo)準(zhǔn)水聽器與待測(cè)水聽器輸出端的電壓。（3）水聲換能器指向性圖測(cè)量·發(fā)射換能器指向性圖的測(cè)量將待測(cè)發(fā)射換能器安裝在測(cè)量回轉(zhuǎn)桿上，水聽器置于待測(cè)換能器聲軸方向的遠(yuǎn)場(chǎng)。將頻率為待測(cè)換能器諧振頻率f的電信號(hào)加到待測(cè)換能器上，且保持加到換能器上電流(或電壓)恒定(即保持發(fā)射聲場(chǎng)穩(wěn)定不變)。轉(zhuǎn)動(dòng)待測(cè)換能器,記下?lián)Q能器不同方位上水聽器輸出電壓值。（4）水聲發(fā)射器發(fā)送電壓響應(yīng)的測(cè)量將標(biāo)準(zhǔn)水聽器與水聲發(fā)射器的等效聲中心處于一條直線上，發(fā)射器和接收器的間距要滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。將頻率為待測(cè)換能器工作頻率f的電信號(hào)加到發(fā)射器上,且保持其發(fā)射聲場(chǎng)恒定不變。注意要使發(fā)射器的聲軸方向?qū)?zhǔn)水聽器，記錄水聽器輸出端的電壓和發(fā)射器輸入端的電壓。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法1、水聽器自由場(chǎng)電壓靈敏度測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法實(shí)驗(yàn)室采用比較法測(cè)量水聽器的自由場(chǎng)電壓靈敏度，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)記錄的數(shù)據(jù)包括：標(biāo)準(zhǔn)水聽器的自由場(chǎng)電壓靈敏度一級(jí)校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)，即；標(biāo)準(zhǔn)水聽器在不同頻率下開路輸出電壓數(shù)據(jù)，即；被測(cè)水聽器在不同頻率下開路輸出電壓數(shù)據(jù)，即。根據(jù)水聽器自由場(chǎng)電壓靈敏度定義，有：對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)水聽器（1.1）對(duì)于被測(cè)水聽器（1.2）這里，分別是標(biāo)準(zhǔn)水聽器和被測(cè)水聽器在聲場(chǎng)中未放入該水聽器前其聲中心位置處的聲壓值。一般在測(cè)量中，使，這樣由（1.1）、（1.2）兩式可得被測(cè)水聽器的自由場(chǎng)開路電壓靈敏度為：（1.3）如果采用分貝表示，則被測(cè)水聽器的自由場(chǎng)開路電壓靈敏度級(jí)為：（1.4）2、水聲發(fā)射器發(fā)送電壓響應(yīng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法實(shí)驗(yàn)室采用比較法測(cè)量水聲發(fā)射器發(fā)送電壓響應(yīng)，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)記錄的數(shù)據(jù)包括：（1）標(biāo)準(zhǔn)水聽器的自由場(chǎng)電壓靈敏度一級(jí)校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)，即；（2）標(biāo)準(zhǔn)水聽器在不同頻率下開路輸出電壓數(shù)據(jù)，即；（3）加在被測(cè)發(fā)射器輸入端的電壓數(shù)據(jù)，即。根據(jù)水聲發(fā)射器發(fā)送電壓響應(yīng)定義，有：（2.1）這里，是指聲場(chǎng)中距離發(fā)射器聲中心d米處的聲壓值。如果測(cè)量中將標(biāo)準(zhǔn)水聽器置于距離發(fā)射器等效聲中心d米處，則根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)水聽器自由場(chǎng)電壓靈敏度定義，有：（2.2）因此將（2.2）式代入（2.1）式，有：（2.3）如果采用分貝表示，則被測(cè)水聲發(fā)射器發(fā)送電壓響應(yīng)級(jí)為：（2.4）3、水聲換能器指向性圖測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)一化處理，公式為：（dB）（3.1）這里，是任意方向和最大方向水聽器的輸出電壓值。將歸一化的數(shù)據(jù)L繪制成圖。指向性圖可用極坐標(biāo)形式,也可用直角坐標(biāo)形式。由于指向性是頻率和空間的函數(shù),因此,所測(cè)指向性圖要指明頻率和定向平面。指向性響應(yīng)通常用波束寬度及旁瓣級(jí)來(lái)描述。4、水聲換能器阻抗特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理水聲換能器阻抗特性測(cè)量采用阻抗分析儀測(cè)量，可由分析儀直接讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)采用下列方法進(jìn)行處理：在以頻率為橫坐標(biāo)、電阻和電抗或電導(dǎo)和電納為縱坐標(biāo)的直角坐標(biāo)圖中,分別畫出電阻和電抗或電導(dǎo)和電納隨頻率變化的曲線。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求寫明實(shí)驗(yàn)名稱；列出實(shí)驗(yàn)儀器名稱、型號(hào)；標(biāo)明實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所示意圖，并標(biāo)明環(huán)境條件；畫出實(shí)驗(yàn)聲場(chǎng)布防圖及儀器連接框圖；簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)原理；列出實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)及最后處理結(jié)果數(shù)據(jù)表格；繪出水聽器自由場(chǎng)電壓靈敏度頻率響應(yīng)曲線、水聲發(fā)射器發(fā)送電壓響應(yīng)頻率特性曲線和水聲換能器指向性圖以及阻抗特性曲線；實(shí)驗(yàn)誤差分析；實(shí)驗(yàn)體會(huì)。實(shí)驗(yàn)九氯丁橡膠硫化工藝實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)習(xí)氯丁橡膠硫化工藝，了解膠漿的配方與調(diào)制方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、用氯丁混煉原膠配制膠漿。2、用氯丁混煉原膠硫化電纜。三、實(shí)驗(yàn)儀器及材料：硫化成型機(jī)1臺(tái)電子天平1臺(tái)組合工具1套電纜硫化模具自制1套電纜及連接頭自制1套氯丁混煉原膠適量三氯甲烷適量列克納適量四、實(shí)驗(yàn)步驟按下列配方配制涂于金屬部分和電纜部分的膠漿方：配方A（涂于金屬部分）氯化丁基膠……100三氯甲烷………300列克納…………130配方B（涂于電纜部分）氯丁混煉原膠……100三氯甲烷…………400列克納………………502、預(yù)熱硫化成型機(jī)及電纜硫化模具。3、用丙酮或酒精清洗需硫化部分的表面，金屬部分須預(yù)先進(jìn)行處理。4、按硫化厚度制備氯丁混煉原膠片，用三氯甲烷對(duì)氯丁混煉原膠片進(jìn)行清潔處理。5、計(jì)算用膠量，按硫化用量將氯丁混煉原膠片剪成與電纜硫化模具相仿的形狀。6．在金屬電纜連接頭部分均勻地涂抹膠漿A，涂抹2～3遍，晾干后備用。7．在電纜及連接頭部分均勻地涂抹膠漿B，涂抹2～3遍，晾干后備用。8.將氯丁混煉原膠片均勻地包繞在欲硫化件的表面，固定好電纜連接頭及電纜，合上模具。9.加壓將多余的膠擠壓出模具，直到模具完全閉合為止。10.按氯丁混煉原膠的硫化條件保溫一定的時(shí)間，具體條件由氯丁混煉原膠的生產(chǎn)廠家提供。11.打開模具，取出硫化好的電纜及電纜連接頭，檢查電纜的通路及絕緣情況，處理好模具備下次使用。實(shí)驗(yàn)十超聲應(yīng)用實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．學(xué)習(xí)超聲波清洗機(jī)的原理、物理機(jī)制、參數(shù)的選擇及其設(shè)備的基本組成；2．學(xué)習(xí)超聲馬達(dá)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)組成；3．學(xué)習(xí)超聲測(cè)深儀的工作原理、基本結(jié)構(gòu)組成。實(shí)驗(yàn)儀器：1．簡(jiǎn)易超聲波清洗機(jī)自制1臺(tái)2．縱扭復(fù)合型超聲馬達(dá)自制1臺(tái)3．簡(jiǎn)易超聲測(cè)深儀自制1臺(tái)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：介紹超聲波清洗機(jī)的工作原理，利用簡(jiǎn)易超聲波清洗機(jī)清洗部件；講解超聲馬達(dá)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)組成，縱扭復(fù)合型超聲馬達(dá)的實(shí)際工作演示；3、介紹超聲測(cè)深儀的工作原理、基本結(jié)構(gòu)組成，超聲測(cè)深儀實(shí)際工作演示。儀器工作原理：（一）.超聲波清洗機(jī)的原理1.1超聲波清洗及其特點(diǎn)超聲波清洗的應(yīng)用范圍非常廣泛，主要應(yīng)用于機(jī)械、電子、光學(xué)和醫(yī)藥工業(yè)，但其實(shí)際應(yīng)用跨度很大，從大小鑄件到小手表，包括醫(yī)用玻璃器皿、外科器械、攝影透鏡、濾波器、電子印刷電路板、半導(dǎo)體器件、自動(dòng)汽化器和熱交換器等等。通常的超聲波清洗裝置使用的是在20～80kHz頻率范圍的超聲。超聲清洗的特點(diǎn)是速度快、質(zhì)量高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。它特別適合用于表面形狀復(fù)雜的工件，對(duì)精密工件的空穴、狹縫、凹槽、微孔及暗洞等處，通常的洗刷方法是沒(méi)有什么效果的，利用超聲清洗可以達(dá)到良好的效果。超聲波清洗的另一個(gè)特點(diǎn)就是對(duì)質(zhì)地較硬、聲反射強(qiáng)的材料，如金屬、玻璃、塑料等，其清洗效果較好而另一方面，對(duì)質(zhì)地較軟、聲吸收較大的材料，如橡膠、布料等，清洗效果就要差點(diǎn)。1.2超聲清洗的物理機(jī)制超聲清洗的主要機(jī)制是超聲空化作用。超聲波清洗工作主要是由位于清件表面或附近的空化氣泡來(lái)完成的。瞬態(tài)空化氣泡閉合時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波的強(qiáng)度能將污物層擊碎而將其剝落。超聲空化產(chǎn)生的原因：空化首先是從液體中強(qiáng)度薄弱的地方開始發(fā)生，這些地方由于熱度的不均勻或其它物理原因出現(xiàn)一些很小的蒸汽泡，或者那里本來(lái)有溶解在液體中的微氣泡，于是在聲波負(fù)壓的作用下，氣泡核膨脹而產(chǎn)生空化。使液體產(chǎn)生空化的最低聲壓或聲壓幅值稱為空化閾?？栈撾S不同液體而不同；空化閾還隨液體的靜壓力增加而增加；此外，空化閾還與液體的粘滯系數(shù)有關(guān)，液體的粘度越大，空化閾也高。同時(shí)，空化閾和聲波頻率也有密切的關(guān)系，頻率越高空化閾也越高。2.超聲清洗的參數(shù)選擇只要根據(jù)超聲清洗的原理和實(shí)際具體需要，就可以選擇一些具體的參數(shù)來(lái)達(dá)到最佳狀態(tài)，并取得最佳的清洗效果。2.1功率方面的選擇應(yīng)該說(shuō)，使用超聲清洗的主要參數(shù)就是功率，或更確切的說(shuō)，是清洗池內(nèi)被清洗件表面處的功率密度大小，它直接影響到超聲聲強(qiáng)大小。聲強(qiáng)大小又是直接影響空化效果的因素，所以在選擇超聲清洗機(jī)功率時(shí)應(yīng)該特別注意。超聲清洗效果不一定完全與功率×清洗時(shí)間成正比。功率達(dá)到一定數(shù)值，則可以很快將污垢去處。如果功率過(guò)大，空化強(qiáng)度將大大增強(qiáng)，清洗效果提高了。但會(huì)使較精密的零件損壞，而且清洗缸底部振動(dòng)處空化嚴(yán)重，很容易受水點(diǎn)腐蝕，減少超聲清洗機(jī)的壽命。太高的聲強(qiáng)會(huì)造成空化過(guò)多，形成聲波屏障，使聲波不容易傳播到整個(gè)液體空間。在遠(yuǎn)離聲源的地方，聲波強(qiáng)度可能會(huì)減弱很快，不能形成有效的清洗。2.2頻率方面的選擇超聲清洗的頻率一般在20～100kHz之間，在使用水時(shí)，空化作用引起的物理清洗力對(duì)低頻有利，一般用15～30kHz的超聲波。對(duì)于表面復(fù)雜的零件則用高頻較好。對(duì)于小縫隙、間隙、深孔等表面形狀復(fù)雜的零件則用高頻較好。對(duì)鐘表零件清洗是用40kHz的頻率較好。2.3清洗液溫度的選擇水溶劑清洗液最適宜的溫度為40～60度，尤其是在天冷的時(shí)候若清洗液的溫度低會(huì)影響空化效果，進(jìn)而引起清洗效果不好，因此大部分清洗機(jī)都以不同的方式加熱清洗液，并對(duì)液體溫度進(jìn)行控制。當(dāng)溫度繼續(xù)升高后，氣泡內(nèi)氣壓增加，引起沖擊聲壓下降。各種不同的清洗液，空化強(qiáng)度隨溫度有一個(gè)最大值。2