專利名稱：一種稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聲學(xué)傳感器領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器。
背景技術(shù)：
復(fù)合棒式換能器是目前水聲和超聲行業(yè)應(yīng)用比較廣泛的一種換能器形式，它通常 應(yīng)用在幾千赫茲到幾十千赫茲的頻率范圍。復(fù)合棒式換能器的驅(qū)動(dòng)材料可分為壓電材料 和稀土超磁致伸縮材料(Terfenol-D)。幾十年來(lái)，絕大多數(shù)的復(fù)合棒式換能器都是由壓電 材料制成的，壓電材料的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的機(jī)電耦合系數(shù)、高頻介電損失相對(duì)較小、成本低 廉、制備容易等。與壓電材料相比，稀土超磁致伸縮材料具有更優(yōu)異的特性，如較大的應(yīng)變 值、更大的能量密度、較低的聲速、無(wú)過(guò)熱失效的特性等。目前，稀土超磁致伸縮材料已經(jīng)在低頻大功率水聲換能器、大功率執(zhí)行器等方面 得到了較多的應(yīng)用。本發(fā)明人在專利“CN200610065104. 6”中公開(kāi)了一種超低頻水聲換能 器，該換能器的每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元中使用了一根整體的稀土超磁致伸縮材料棒并在該棒的兩端 粘貼了一圓片狀的稀土永磁體，但由于稀土超磁致伸縮材料最大的缺點(diǎn)是在高頻段工作時(shí) 的渦流損耗比較大、效率較低，這極大的限制了其在超聲頻段的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為克服現(xiàn)有的稀土超磁致伸縮材料只能應(yīng)用在低頻大功率水聲換能器種，從而提出一種稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器。。本發(fā)明在換能器的設(shè)計(jì)中采用了一種全新形式的靜態(tài)偏磁場(chǎng)施加方式和一種全新的稀土材料布放結(jié)構(gòu)。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器，該換 能器包括前輻射頭、后輻射頭、預(yù)應(yīng)力螺釘、稀土超磁致伸縮材料、永磁體和線圈架及導(dǎo) 線，其特征在于，所述永磁體呈中空的圓管；所述稀土超磁致伸縮材料為若干長(zhǎng)度相同的 Terfenol-D圓棒，所述的圓棒沿永磁體的外圓周周向且同軸均勻布放，且圓棒與永磁體之 間留有間隙。作為本發(fā)明的一個(gè)改進(jìn)，所述的換能器還包含兩個(gè)圓片狀的導(dǎo)磁純鐵片；所述的 兩個(gè)導(dǎo)磁純鐵片分別設(shè)置在稀土超磁致伸縮材料的上端和前輻射頭之間、及下端和后輻射 頭之間。所述的導(dǎo)磁純鐵片采用徑向開(kāi)縫，徑向開(kāi)縫的長(zhǎng)度是半徑的四分之三，即沿徑向均 勻分別若干不切透的縫隙。上述技術(shù)方案，所述的永磁體的長(zhǎng)度小于圓棒的長(zhǎng)度。上述技術(shù)方案，所述的換能器由預(yù)應(yīng)力螺釘穿心緊固并提供預(yù)應(yīng)力。上述技術(shù)方案，所述的線圈架及導(dǎo)線設(shè)置在兩片導(dǎo)磁純鐵片之間。上述技術(shù)方案，所述前輻射頭1采用輕金屬材料制成，通常情況下選用鋁合金、鋁 鎂合金和鈦合金等；所述后輻射頭7采用重金屬材料制作，通常情況下選用鋼或銅材料。所述的換能器各連接構(gòu)件間采用環(huán)氧樹(shù)脂類粘接劑粘接。所述的永磁體采用銣鐵硼材料加工 并經(jīng)過(guò)充分磁化后制作而成。上述技術(shù)方案中，所述永磁體4為圓管狀，中間孔內(nèi)可穿過(guò)預(yù) 應(yīng)力螺釘2 ；所述Terfenol-D棒5加工成直徑較小的圓棒，均勻分布在永磁體4的圓周方 向，Terfenol-D棒5與永磁體4不直接接觸，永磁體4的長(zhǎng)度小于Terfenol-D棒5。上述技術(shù)方案中，線圈架及導(dǎo)線6的中心有若干圓孔，Terfenol-D棒5與永磁體4 布放其中，線圈架基體起定位、支撐的作用。上述技術(shù)方案中，所述前輻射頭1、導(dǎo)磁純鐵片3、永磁體4和后輻射頭7的中心均 加工有孔，預(yù)應(yīng)力螺釘2從孔中穿過(guò)并使上述零件相互間固定，同時(shí)為Terfenol-D棒5提 供機(jī)械預(yù)應(yīng)力。上述技術(shù)方案中，本發(fā)明在換能器的設(shè)計(jì)中采用了一種全新形式的靜態(tài)偏磁場(chǎng)施 加方式和一種全新的稀土材料布放結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用的永磁體4是為Terfenol-D棒提供靜 態(tài)偏置磁場(chǎng)，將其制作成圓管狀并置于稀土超磁致伸縮材料內(nèi)部，在Terfenol-D棒的兩端 面各放置一導(dǎo)磁純鐵片，這樣的結(jié)構(gòu)使得Terfenol-D棒中的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)更均勻，有利于 提高稀土超磁致伸縮材料的工作效率。本發(fā)明還針對(duì)大尺寸規(guī)格的Terfenol-D棒內(nèi)的高 頻渦流損失較大、效率較低的缺點(diǎn)，將經(jīng)常應(yīng)用的大尺寸Terfenol-D棒分解成若干較小尺 寸的Terfenol-D棒，均勻分布在永磁體的周圍，這樣的結(jié)構(gòu)形式和布放方式有效地抑制了 高頻渦流的產(chǎn)生，大大提高了 Terfenol-D棒驅(qū)動(dòng)的復(fù)合棒式換能器在高頻段的工作效率。本發(fā)明提供一種由稀土超磁致伸縮材料(Terfenol-D)驅(qū)動(dòng)的、工作在超聲頻段 的復(fù)合棒式換能器，在此換能器的設(shè)計(jì)中采用了一種全新形式的靜態(tài)偏磁場(chǎng)施加方式和一 種全新的稀土材料布放結(jié)構(gòu)。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于，可以有效的克服稀土超磁致伸縮材料在高 頻段工作時(shí)的渦流損耗比較大、效率較低的缺點(diǎn)，在工程實(shí)際中具有較大的應(yīng)用價(jià)值。
圖1是本發(fā)明提供的換能器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明提供的永磁體與八根Terfenol-D棒分布示意圖。附圖標(biāo)志1、前輻射頭 2、預(yù)應(yīng)力螺釘3、導(dǎo)磁純鐵片4、永磁體 5、稀土超磁致伸縮材料 6、線圈架及導(dǎo)線7、后輻射頭
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。實(shí)施例1如圖1所示，換能器的前輻射頭1用硬鋁材料加工成錐臺(tái)形狀，后輻射頭7用黃銅材料加工成圓柱形狀。Terfenol-D棒5為直徑4mm的圓柱棒，其兩端平面各與一圓片狀導(dǎo) 磁純鐵片3相連接，導(dǎo)磁純鐵片3分別與前、后輻射頭相連接，換能器的整體結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力 螺釘2穿心緊固并提供機(jī)械預(yù)應(yīng)力。線圈架及導(dǎo)線6安裝在兩片導(dǎo)磁純鐵片3之間，線圈 架與導(dǎo)線6與導(dǎo)磁純鐵片3、Terfenol-D棒5和永磁體4在機(jī)械上均采用間隙配合，目的是 使線圈架和導(dǎo)線6與其他結(jié)構(gòu)件不產(chǎn)生剛性連接，從而不影響換能器的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。
所述的永磁體4是由銣鐵硼材料加工成圓管形狀并充分磁化后制成的。如圖2所 示，永磁體4布放在線圈架6的中心，預(yù)應(yīng)力螺桿2從永磁體4的中心孔穿過(guò)。在永磁體4 的圓周方向均勻分布八根Terfenol-D棒5，由線圈架6作為結(jié)構(gòu)支撐和定位，Terfenol-D 棒5與永磁體4不接觸。八根Terfenol-D棒5的長(zhǎng)度尺寸盡量保持一致并要大于永磁體 4的長(zhǎng)度1mm，目的是當(dāng)對(duì)換能器整體結(jié)構(gòu)施加機(jī)械預(yù)應(yīng)力時(shí)，永磁體4不受到預(yù)應(yīng)力的作 用，而保證每根Terfenol-D棒5在長(zhǎng)度方向的機(jī)械預(yù)應(yīng)力近似相等。圓片形導(dǎo)磁純鐵片 3在結(jié)構(gòu)中是起導(dǎo)磁作用，即永磁體4產(chǎn)生的靜態(tài)磁場(chǎng)能夠通過(guò)導(dǎo)磁純鐵片3順利過(guò)渡到 Terfenol-D棒5的兩端面，保證Terfenol-D棒內(nèi)靜態(tài)磁場(chǎng)的均勻。由于在工作時(shí)，導(dǎo)磁純 鐵片3中同樣會(huì)產(chǎn)生高頻渦流，所以使用的導(dǎo)磁純鐵片3應(yīng)做開(kāi)縫處理，即沿導(dǎo)磁純鐵片的 徑向每隔15度角加工一 0. 2mm的縫隙，開(kāi)縫時(shí)不能沿著半徑方向完全切透，開(kāi)縫的長(zhǎng)度是 半徑的四分之三。為了使各結(jié)構(gòu)件間(不包括線圈架及導(dǎo)線6)具有較好的機(jī)械耦合并能 夠順利傳遞Terfenol-D棒5的激勵(lì)力，各結(jié)構(gòu)件間應(yīng)使用環(huán)氧樹(shù)脂類粘接劑粘接。本發(fā)明為一種由稀土超磁致伸縮材料驅(qū)動(dòng)的復(fù)合棒式換能器，當(dāng)換能器工作時(shí)， 導(dǎo)線6通電后產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，八根Terfenol-D棒5在交變磁場(chǎng)和永磁體4提供的靜態(tài)偏 磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生磁致伸縮振動(dòng)，并通過(guò)導(dǎo)磁純鐵片3的機(jī)械耦合帶動(dòng)了前、后輻射頭的振 動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了換能器的聲輻射。在此換能器的設(shè)計(jì)中，通過(guò)結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，改變了 Terfenol-D 棒的布放方式，將原來(lái)一根大尺寸規(guī)格的Terfenol-D棒分解為多根分布式布放的小尺寸 的Terfenol-D棒，大大減小了高頻渦流的產(chǎn)生，提高了換能器的工作效率。同時(shí)，結(jié)構(gòu)中還 改變了 Terfenol-D棒靜態(tài)偏磁場(chǎng)的施加方式，并在Terfenol-D棒的兩端面各放置一導(dǎo)磁 純鐵片，這樣的處理使得Terfenol-D棒中的靜態(tài)偏磁場(chǎng)更加均勻，提高了 Terfenol-D棒的 工作效率。通過(guò)以上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，很大程度上解決了稀土超磁致伸縮材料在高頻應(yīng)用中所 遇到的問(wèn)題，拓寬了稀土超磁致伸縮材料在工程應(yīng)用的頻率范圍。最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器，該換能器包括前輻射頭、后輻射頭、預(yù)應(yīng)力螺釘、稀土超磁致伸縮材料、永磁體和線圈架及導(dǎo)線，其特征在于，所述永磁體呈中空的圓管；所述稀土超磁致伸縮材料為若干長(zhǎng)度相同的Terfenol-D圓棒，所述的圓棒沿永磁體的外圓周周向均勻布放，且圓棒與永磁體之間留有間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器，其特征在于，所述的永磁 體的長(zhǎng)度小于圓棒的長(zhǎng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器，其特征在于，所述的預(yù)應(yīng) 力螺釘同軸放置在永磁體的內(nèi)部且與永磁體之間留有間隙，所述的換能器由預(yù)應(yīng)力螺釘穿 心緊固并提供預(yù)應(yīng)力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器，其特征在于，所述的換能 器還包含兩個(gè)圓片狀的導(dǎo)磁純鐵片；所述的兩個(gè)導(dǎo)磁純鐵片分別設(shè)置在稀土超磁致伸縮材料的上端和前輻射頭之間、及下 端和后輻射頭之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器，其特征在于，所述的導(dǎo)磁 純鐵片采用徑向開(kāi)縫，徑向開(kāi)縫的長(zhǎng)度是半徑的四分之三。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器，其特征在于，所述的線 圈架及導(dǎo)線設(shè)置在兩片導(dǎo)磁純鐵片之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器，其特征在于，所述的換能 器各連接構(gòu)件間采用環(huán)氧樹(shù)脂類粘接劑粘接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器，其特征在于，所述的前輻 射頭采用硬鋁材料制成，后輻射頭采用黃銅材料制成。
9.按權(quán)利要求1所述的稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器，其特征在于，所述的永磁體 采用銣鐵硼材料加工并經(jīng)過(guò)充分磁化后制作而成。
全文摘要
本發(fā)明提出一種稀土超磁致伸縮復(fù)合棒式換能器，該換能器包括前輻射頭、后輻射頭、預(yù)應(yīng)力螺釘、稀土超磁致伸縮材料、永磁體和線圈架及導(dǎo)線，其特征在于，所述永磁體呈中空的圓管；所述稀土超磁致伸縮材料為若干長(zhǎng)度相同的Terfenol-D圓棒，所述的圓棒沿永磁體的外圓周周向均勻布放，且圓棒與永磁體之間留有間隙。所述的換能器還包含兩個(gè)圓片狀的導(dǎo)磁純鐵片；所述的兩個(gè)導(dǎo)磁純鐵片分別設(shè)置在稀土超磁致伸縮材料的上端和前輻射頭之間、及下端和后輻射頭之間。所述的導(dǎo)磁純鐵片采用徑向開(kāi)縫，徑向開(kāi)縫的長(zhǎng)度是半徑的四分之三。本發(fā)明有效克服稀土超磁致伸縮材料在高頻段工作時(shí)的渦流損耗大、效率低的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)G10K9/128GK101847403SQ201010154938
公開(kāi)日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者劉永平, 莫喜平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所