一種寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器，包括由四個直梁、四個弧形梁圍成的外部殼體，相鄰的直梁成90夾角，每兩個相鄰的直梁之間連接一個弧形梁，弧形梁為內(nèi)凹的弧形，在外部殼體內(nèi)部的中心處設(shè)置中心質(zhì)量塊，中心質(zhì)量塊與四個直梁之間分別安裝一組激勵材料，外部殼體上方安裝上蓋板，外部殼體下方安裝下蓋板，上蓋板和下蓋板通過螺桿相連并使得外部殼體封閉，上蓋板上設(shè)置電纜，電纜與激勵材料相連通。本發(fā)明引用了混合激勵的原理，明顯增加了振子交叉驅(qū)動換能器的工作帶寬。可應(yīng)用于水聲定位、探測、導(dǎo)航、通訊以及水文條件測試、海洋資源勘探等領(lǐng)域。
【專利說明】一種寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種水下聲學(xué)領(lǐng)域的換能裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著消聲技術(shù)的高速發(fā)展，對于潛艇及其他水中物體準確、及時的探測變得越來越困難，因此主動聲納被廣泛關(guān)注，并開始逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的被動聲納。相應(yīng)的,對主動聲納上使用的發(fā)射換能器的性能也就提出了更高的要求，低頻、寬帶、小尺寸等都是發(fā)射換能器發(fā)展的重要方向。
[0003]為了提高主動聲納的探測距離及探測性能，換能器需要發(fā)射低頻信號進行遠距離探測。同時，換能器的寬帶性能同樣十分重要，應(yīng)用寬帶聲納最根本的動機是要提高距離分辨能力，而不犧牲探測能力，而探測能力是由目標接收的能量數(shù)量控制的，這就需要通過使用寬帶換能器增加傳輸信號的帶寬來實現(xiàn)。
[0004]換能器殼體材料在不斷的更新，激勵材料也從未停下發(fā)展的腳步，然而壓電陶瓷和稀土超磁致伸縮材料仍然是目前水聲發(fā)射換能器最常用的兩種內(nèi)部激勵材料。壓電陶瓷材料性能穩(wěn)定，價格較低，可應(yīng)用于各類換能器結(jié)構(gòu)；稀土超磁致伸縮材料雖然晚于壓電陶瓷材料出現(xiàn)，但其憑借高應(yīng)變值、高能量密度、低聲速等特點，廣泛應(yīng)用于低頻、大功率換能器中。
[0005]陶瓷振子呈現(xiàn)電容性，稀土振子呈現(xiàn)電感性，利用兩種振子之間存在的90度相位差，對換能器進行混合激勵是縱振式換能器實現(xiàn)寬帶性能的常用方法之一。兩者在機械上串聯(lián)，而電路上并聯(lián)工作。由陶瓷振子控制換能器的高頻諧振，稀土振子控制其低頻諧振。
[0006]彎張類換能器的彎曲振動具有頻率較低的特點，并且尺寸小、重量輕，因而成為一種常用的低頻水聲換能器。但這類換能器普遍存在的問題是機械品質(zhì)因數(shù)較大，帶寬很窄，在水聲通信、水聲對抗等方面的應(yīng)用可能會受到一定影響。因此，國內(nèi)外專家們對拓寬彎張類換能器的工作頻帶問題進行了相關(guān)研究，并且取得了一些進展，但對于很多結(jié)構(gòu)都并不適用，尤其對適于深水工作的具有凹形殼體的彎張換能器來說仍然沒能有效的辦法，所以迫切需要找到能夠?qū)崿F(xiàn)彎張換能器寬帶發(fā)射的新思路。
[0007]Hayes最早提出了一種內(nèi)部振子交叉驅(qū)動的換能器結(jié)構(gòu)（Harvey C. Hayes. SoundGenerating and Directing Apparatus [P]. U. S. Pantent No. 2，064，9111936),米用磁致伸縮材料作為驅(qū)動材料，作為空氣中的霧號使用。這種新型的彎張換能器結(jié)構(gòu)也逐步應(yīng)用于水聲換能器中，與傳統(tǒng)的各類彎張換能器相比，此類換能器相同尺寸下振子的長度大大增加；換能器本身結(jié)構(gòu)緊湊，方便進行小型化設(shè)計；此外，內(nèi)凹式的殼體結(jié)構(gòu)適合于深水工作。
[0008]這種內(nèi)部振子交叉驅(qū)動的換能器結(jié)構(gòu)具有其他各類彎張換能器共有的缺陷，也就是帶寬很窄，盡管具有很多優(yōu)點，但如果換能器無法寬帶工作，應(yīng)用上就會受到極大的限制。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種頻率低、功率大、尺寸小的寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器。
[0010]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0011]本發(fā)明一種寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器，其特征是：包括由四個直梁、四個弧形梁圍成的外部殼體，相鄰的直梁成90夾角，每兩個相鄰的直梁之間連接一個弧形梁，弧形梁為內(nèi)凹的弧形，在外部殼體內(nèi)部的中心處設(shè)置中心質(zhì)量塊，中心質(zhì)量塊與四個直梁之間分別安裝一組激勵材料，外部殼體上方安裝上蓋板，外部殼體下方安裝下蓋板，上蓋板和下蓋板通過螺桿相連并使得外部殼體封閉，上蓋板上設(shè)置電纜，電纜與激勵材料相連通。
[0012]本發(fā)明還可以包括：
[0013]I、所述的激勵材料為陶瓷晶堆，陶瓷晶堆分別通過內(nèi)過濾塊和外過濾塊連接中心質(zhì)量塊和直梁，每組陶瓷晶堆由偶數(shù)片壓電陶瓷粘接而成，壓電陶瓷在電路上采用并聯(lián)連接，四組陶瓷晶堆以及中心質(zhì)量塊組成十字形狀。
[0014]2、所述的激勵材料為稀土棒,第一組稀土棒包括第一稀土棒和第二稀土棒,第一稀土棒的一端安裝第一永磁片，第一永磁片和直梁之間依次連接安裝純鐵塊、外過渡塊，第二稀土棒的一端安裝第二永磁片，第二永磁片和中心質(zhì)量塊之間安裝純鐵塊，第一稀土棒和第二稀土棒之間安裝第三永磁片，第一稀土棒和第二稀土棒外部套有線圈骨架，線圈骨架里纏有線圈；四組稀土棒結(jié)構(gòu)相同、分別與中心質(zhì)量塊和各自對應(yīng)的直梁相配合，四組稀土棒以及中心質(zhì)量塊組成十字形狀。
[0015]3、所述的激勵材料包括兩組陶瓷晶堆和兩組稀土棒；每組陶瓷晶堆由偶數(shù)片壓電陶瓷粘接而成，壓電陶瓷在電路上采用并聯(lián)連接，第一組陶瓷晶堆分別通過內(nèi)過濾塊和外過濾塊連接中心質(zhì)量塊和直梁；第一組稀土棒包括第一稀土棒和第二稀土棒，第一稀土棒的一端安裝第一永磁片，第一永磁片和直梁之間依次連接安裝純鐵塊、外過渡塊，第二稀土棒的一端安裝第二永磁片，第二永磁片和中心質(zhì)量塊之間安裝純鐵塊，第一稀土棒和第二稀土棒之間安裝第三永磁片，第一稀土棒和第二稀土棒外部套有線圈骨架，線圈骨架里纏有線圈；兩組陶瓷晶堆在一條直線上，兩組稀土棒在一條直線上，兩組陶瓷晶堆和兩組稀土棒組成十字形狀。
[0016]4、上蓋板和下蓋板與外部殼體之間均安裝有硅膠板，上蓋板上設(shè)置有螺紋孔。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)勢在于：
[0018](a)本發(fā)明的換能器引用了混合激勵的原理，明顯增加了振子交叉驅(qū)動換能器的工作帶寬。
[0019](b)本發(fā)明的換能器使用稀土材料作為驅(qū)動材料，可以在換能器尺寸不變的情況下，實現(xiàn)更低頻率的大功率發(fā)射。
[0020](C)本發(fā)明的換能器采用內(nèi)凹式殼體，振子與殼體同向振動，不會因水下工作深度的增加而釋放內(nèi)部材料的預(yù)應(yīng)力，因此適于深水工作。
[0021](d)本發(fā)明的換能器由于體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，適合組成換能器陣列。
[0022]本發(fā)明的寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器可應(yīng)用于水聲定位、探測、導(dǎo)航、通訊以及水文條件測試、海洋資源勘探等領(lǐng)域?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0023]圖I為本發(fā)明用壓電陶瓷和稀土材料混合激勵的寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明用壓電陶瓷和稀土材料混合激勵的寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器封裝后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明用壓電陶瓷和稀土材料混合激勵的寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線示意圖；
[0026]圖4為本發(fā)明用壓電陶瓷材料激勵的寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖5為本發(fā)明用稀土材料激勵的寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述：
[0029]實施方式I :
[0030]結(jié)合圖I?3，本實施例由直梁I和弧形梁2交替連接構(gòu)成外部殼體，可使用鋁合金材料或碳纖維、鈦合金等其他輕質(zhì)材料加工制成，弧形梁2均向換能器內(nèi)部彎曲，直梁I與內(nèi)部各個振子裝配體剛性連接。
[0031]本實施例中共有兩種振子裝配體，圖I中垂直方向的第一種振子裝配體由陶瓷晶堆5、內(nèi)過渡塊4和外過渡塊6組成。陶瓷晶堆5由16片壓電陶瓷方片并聯(lián)連接而成，每個方片的尺寸為40mmX100mmX4mm，兩個方片之間都夾有銅電極片，從電極片上引出電極引線，陶瓷晶堆分別與內(nèi)過渡塊4和外過渡塊6粘接在一起。
[0032]圖I中水平方向的第二種振子裝配體由稀土棒11、永磁片10、線圈8和線圈骨架9組成，一組振子裝配中有兩根稀土棒11，稀土棒11的尺寸為Φ20mmX 30mm,每根稀土棒11的兩側(cè)各貼放一片相同直徑的永磁片10，永磁片10可以為稀土棒11提供靜態(tài)偏置磁場。四氟材料制成的線圈骨架9套在稀土棒11和永磁片10的外部，線圈8均勻纏繞在線圈骨架中，通電后產(chǎn)生交變磁場。
[0033]兩組帶有稀土棒的振子裝配體平行放置，分別與純鐵塊7靠磁性吸附在一起，共同構(gòu)成磁通回路，整個回路位于中心質(zhì)量塊3的一側(cè)，而另外兩組帶有稀土棒的振子裝配體構(gòu)成的磁通回路位于中心質(zhì)量塊3的另一側(cè)。
[0034]兩種振子裝配體在殼體內(nèi)部交叉擺放，分別與中間質(zhì)量塊剛性連接。
[0035]同一方向上的振子裝配體與中心質(zhì)量塊連接后的總長度略大于外殼體兩相對直梁間的長度，預(yù)先拉伸弧形梁使殼體產(chǎn)生變形，利用殼體的回復(fù)力將振子裝配體固定于換能器兩直梁之間，使振子裝配體與兩端直梁剛性連接。
[0036]參考圖2，直梁和弧形梁所構(gòu)成的換能器外部殼體12的兩端用上蓋板13和下蓋板14封閉，蓋板與殼體之間加入厚度為5_的硅膠板19以起到密封和隔振的作用。上蓋板13和下蓋板14通過換能器殼體外側(cè)的螺桿15和螺母16緊固與換能器殼體12兩端。上蓋板13和下蓋板14采用的是鋁合金材料，螺桿15采用不銹鋼材料制成。電纜17與上蓋板13相連，6個用于連接法蘭的螺紋孔18均布在上蓋板13的中間。
[0037]換能器工作時，通過電纜17對陶瓷晶堆5和線圈8施加交流電，陶瓷晶堆5因壓電效應(yīng)而產(chǎn)生縱向振動，稀土棒11因磁致伸縮效應(yīng)同樣產(chǎn)生縱向振動，振動位移通過直梁I傳遞到弧形梁2，引起弧形梁2的彎曲振動從而向外部水介質(zhì)輻射聲能量。由于振動相位不同，兩種激勵材料同時工作時振動相互疊加，因此有效地抵消了反向振動效果，最終計算的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線如圖3所示，形成了三個諧振峰。第一個諧振峰主要是由稀土棒的縱向振動形成的，第二個諧振峰主要是由壓電陶瓷的縱向振動形成的，第三個諧振峰是兩種激勵材料共同作用形成的，三個諧振峰耦合在一起實現(xiàn)了換能器的寬帶發(fā)射性能。
[0038]本發(fā)明的工作原理是：將混合激勵的原理應(yīng)用到振子交叉驅(qū)動換能器中，陶瓷振子控制換能器的高頻諧振，稀土振子控制其低頻諧振，兩者還可以在更高的頻率處激勵出第三個諧振峰。兩種材料本身可以電調(diào)諧，各個諧振峰之間就不會形成很深的凹谷，耦合在一起實現(xiàn)寬帶性能。
[0039]實施方式2 ：
[0040]結(jié)合圖4，寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器內(nèi)部只有一種振子裝配體，振子裝配體由陶瓷晶堆5、內(nèi)過渡塊4和外過渡塊6組成。換能器工作時，陶瓷晶堆5因壓電效應(yīng)而產(chǎn)生縱向振動，振動位移通過直梁I傳遞到弧形梁2，引起各弧形梁等幅同相振動從而向外部水介質(zhì)輻射聲能量。
[0041 ] 本實施例的其余部分與實施例I相同。
[0042]實施方式3 ：
[0043]結(jié)合圖5，寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器內(nèi)部只有一種振子裝配體，振子裝配體由稀土棒11、永磁片10、線圈8和線圈骨架9組成。換能器工作時，稀土棒11因磁致伸縮效應(yīng)而產(chǎn)生縱向振動，振動位移通過直梁I傳遞到弧形梁2，引起各弧形梁等幅同相振動從而向外部水介質(zhì)輻射聲能量。
[0044]本實施例的其余部分與實施例I相同。
【權(quán)利要求】
1.一種寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器，其特征是：包括由四個直梁、四個弧形梁圍成的外部殼體，相鄰的直梁成90夾角，每兩個相鄰的直梁之間連接一個弧形梁，弧形梁為內(nèi)凹的弧形，在外部殼體內(nèi)部的中心處設(shè)置中心質(zhì)量塊，中心質(zhì)量塊與四個直梁之間分別安裝一組激勵材料，外部殼體上方安裝上蓋板，外部殼體下方安裝下蓋板，上蓋板和下蓋板通過螺桿相連并使得外部殼體封閉，上蓋板上設(shè)置電纜，電纜與激勵材料相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器，其特征是：所述的激勵材料為陶瓷晶堆，陶瓷晶堆分別通過內(nèi)過濾塊和外過濾塊連接中心質(zhì)量塊和直梁，每組陶瓷晶堆由偶數(shù)片壓電陶瓷粘接而成，壓電陶瓷在電路上采用并聯(lián)連接，四組陶瓷晶堆以及中心質(zhì)量塊組成十字形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器，其特征是：所述的激勵材料為稀土棒，第一組稀土棒包括第一稀土棒和第二稀土棒，第一稀土棒的一端安裝第一永磁片，第一永磁片和直梁之間依次連接安裝純鐵塊、外過渡塊，第二稀土棒的一端安裝第二永磁片，第二永磁片和中心質(zhì)量塊之間安裝純鐵塊，第一稀土棒和第二稀土棒之間安裝第三永磁片，第一稀土棒和第二稀土棒外部套有線圈骨架，線圈骨架里纏有線圈；四組稀土棒結(jié)構(gòu)相同、分別與中心質(zhì)量塊和各自對應(yīng)的直梁相配合，四組稀土棒以及中心質(zhì)量塊組成十字形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器，其特征是：所述的激勵材料包括兩組陶瓷晶堆和兩組稀土棒；每組陶瓷晶堆由偶數(shù)片壓電陶瓷粘接而成，壓電陶瓷在電路上采用并聯(lián)連接，第一組陶瓷晶堆分別通過內(nèi)過濾塊和外過濾塊連接中心質(zhì)量塊和直梁；第一組稀土棒包括第一稀土棒和第二稀土棒，第一稀土棒的一端安裝第一永磁片，第一永磁片和直梁之間依次連接安裝純鐵塊、外過渡塊，第二稀土棒的一端安裝第二永磁片，第二永磁片和中心質(zhì)量塊之間安裝純鐵塊，第一稀土棒和第二稀土棒之間安裝第三永磁片，第一稀土棒和第二稀土棒外部套有線圈骨架，線圈骨架里纏有線圈；兩組陶瓷晶堆在一條直線上，兩組稀土棒在一條直線上，兩組陶瓷晶堆和兩組稀土棒組成十字形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的一種寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器，其特征是：上蓋板和下蓋板與外部殼體之間均安裝有硅膠板，上蓋板上設(shè)置有螺紋孔，
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的一種寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器，其特征是：在直梁和弧形梁未發(fā)生形變時，位于同一條直線的兩組激勵材料以及中心質(zhì)量塊的總長度大于該條直線上兩個直梁間的距離，預(yù)先拉伸弧形梁使外部殼體產(chǎn)生變形，激勵材料通過外部殼體的回復(fù)力固定于兩個直梁之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種寬帶振子交叉驅(qū)動水聲換能器，其特征是：在直梁和弧形梁未發(fā)生形變時，位于同一條直線的兩組激勵材料以及中心質(zhì)量塊的總長度大于該條直線上兩個直梁間的距離，預(yù)先拉伸弧形梁使外部殼體產(chǎn)生變形，激勵材料通過外部殼體的回復(fù)力固定于兩個直梁之間。
【文檔編號】G10K11/00GK103489440SQ201310451371
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】藍宇, 李寬, 盧葦 申請人:哈爾濱工程大學(xué)