本發(fā)明屬于水聲換能器領(lǐng)域，涉及一種超寬帶水聲換能器。

背景技術(shù)：

隨著有限元分析方法在換能器設(shè)計(jì)中的不斷運(yùn)用，各種新理論、新結(jié)構(gòu)的水聲換能器層出不窮，然而壓電式換能器仍是當(dāng)前水聲換能器研究的重點(diǎn)。其中結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的壓電圓管式換能器使用廣泛，占據(jù)著水聲換能器重要的研究位置，壓電陶瓷圓管通常為圓管換能器的換能元件，一般圓管的極化方向分為徑向極化和高度極化。圓管換能器具有水平無指向性、接收靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，通常作為低頻、大功率及寬帶水聲發(fā)射聲源，也可作為寬頻帶接收水聽器，它被廣泛用于海洋開發(fā)和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。壓電圓管換能器一般利用壓電圓環(huán)的徑向振動(dòng)的模態(tài)，其發(fā)射響應(yīng)的帶寬較窄。

為了展寬這種換能器的工作頻帶，設(shè)計(jì)者們提出了不同的解決的方案，傳統(tǒng)的方法是采用壓電圓環(huán)的液腔與徑向振動(dòng)的模態(tài)的耦合，由于液腔的諧振頻率較低，適合低頻換能器，也采用多模態(tài)耦合的原理合理安排各種振動(dòng)模態(tài)，這種拓寬頻帶的方式要精確控制兩種或是多種振動(dòng)模態(tài)的間距。利用壓電圓管的徑向振動(dòng)的模態(tài)和高階徑向振動(dòng)模態(tài)的耦合也能實(shí)現(xiàn)圓管換能器的寬帶發(fā)射，以此原理制作的換能器具有一定的水平指向性，哈爾濱工程大學(xué)的學(xué)者提出了利用壓電圓管的徑向振動(dòng)模態(tài)和彎曲振動(dòng)模態(tài)的耦合振動(dòng)設(shè)計(jì)了一種帶寬為40-80kHz、起伏±4dB的高頻寬帶換能器，總之目前的換能器都是利用以上各種技術(shù)及其相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)水聲換能器在寬頻帶的頻率范圍內(nèi)工作。

現(xiàn)有技術(shù)的寬帶換能器其發(fā)射響應(yīng)的帶寬較窄，有的換能器需要添加匹配層，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明專利的目的在于提供一種超寬帶水聲換能器，該換能器由三組不同尺寸的五個(gè)壓電陶瓷圓管沿軸向排列組成，每組換能器的工作頻帶不同，三組壓電陶瓷圓管的發(fā)射聲場(chǎng)互相疊加形成換能器在較寬范圍內(nèi)的發(fā)射電壓響應(yīng)，使發(fā)射電壓響應(yīng)的起伏較小，實(shí)現(xiàn)水聲換能器在較寬的頻率范圍內(nèi)工作。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下方案：

一種超寬帶水聲換能器，包括殼體及安裝在殼體中的水聲換能器本體，水聲換能器本體包括依次設(shè)置的五個(gè)壓電陶瓷圓管，五個(gè)壓電陶瓷圓管的極化方向相同，均為徑向方向，相鄰壓電陶瓷圓管之間通過塑料泡沫隔開，五個(gè)壓電陶瓷圓管及塑料泡沫相互壓緊后固定在殼體內(nèi)，五個(gè)壓電陶瓷圓管一側(cè)分別連接正極引線，另一側(cè)分別連接負(fù)極引線，正極引線和負(fù)極引線通向殼體外部，通過調(diào)整五個(gè)壓電陶瓷圓管縱向排列的距離，降低換能器在工作頻帶內(nèi)的發(fā)射電壓響應(yīng)起伏，實(shí)現(xiàn)換能器在超寬的頻率范圍內(nèi)工作。

進(jìn)一步，所述水聲換能器本體還包括前蓋板和后蓋板，壓在一起的五個(gè)壓電陶瓷圓管及塑料泡沫通過前蓋板和后蓋板壓緊，并由貫穿五個(gè)壓電陶瓷圓管、塑料泡沫、前蓋板和后蓋板的螺桿及底部螺帽固定；負(fù)極引線和正極引線穿過螺桿一側(cè)的凹槽通殼體外部。

進(jìn)一步，所述殼體包括上外殼和下外殼，所述上外殼包圍上蓋板，下外殼包圍著前蓋板、五個(gè)壓電陶瓷圓管及塑料泡沫，上外殼和下外殼之間形成密封結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，所述上外殼為圓錐形，下外殼為圓柱殼形。

進(jìn)一步，所述上外殼和下外殼采用透聲橡膠制成。

進(jìn)一步，前蓋板和后蓋板采用鋼制成。

進(jìn)一步，五個(gè)壓電陶瓷圓管采用PZT-4壓電陶瓷制成。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的超寬帶水聲換能器包括殼體及安裝在殼體中的水聲換能器本體，水聲換能器本體包括依次設(shè)置的五個(gè)壓電陶瓷圓管，相鄰壓電陶瓷圓管之間通過塑料泡沫隔開，五個(gè)壓電陶瓷圓管及塑料泡沫相互壓緊后固定在殼體內(nèi)，換能器在外加電壓信號(hào)的激勵(lì)下，振動(dòng)模態(tài)由內(nèi)向外擴(kuò)張，從而引起換能器做徑向振動(dòng)并向外輻射聲波能量，塑料泡沫為了將兩個(gè)相鄰的壓電陶瓷圓管隔開，實(shí)現(xiàn)換能器中間支撐和固定。通過調(diào)整五個(gè)壓電陶瓷圓管縱向排列的距離及壓電陶瓷圓管的直徑，控制諧振頻率處的發(fā)射電壓響應(yīng)值，表現(xiàn)在頻率響應(yīng)曲線上一組相鄰峰谷之間差值減少，即發(fā)射電壓響應(yīng)在工作頻帶內(nèi)起伏減小，換能器非諧振頻率處的發(fā)射電壓響應(yīng)幅度幾乎沒有下降，實(shí)現(xiàn)了換能器工作頻帶的展寬。

本發(fā)明與其他寬帶換能器相比，無需添加匹配層，所用元件比較常見，價(jià)格也都比較低廉，整體結(jié)構(gòu)及制作工藝簡(jiǎn)單且成本低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的剖面示意圖；

圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例的超寬帶水聲換能器剖面示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的超寬帶水聲換能器內(nèi)部螺桿示意圖；

圖4為本發(fā)明涉及的超寬帶水聲換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)曲線圖；

圖中：1-上外殼，2-新型換能器，3-下外殼，201-前蓋板，202-塑料泡沫一，203-壓電陶瓷圓管一，204-塑料泡沫二，205-壓電陶瓷圓管二，206-塑料泡沫三，215-壓電陶瓷圓管三，207-塑料泡沫四，214-壓電陶瓷圓管四，213-塑料泡沫五，212-壓電陶瓷圓管五，211-塑料泡沫六，210-后蓋，208-螺桿，209-底部螺母，216-負(fù)極引線，217-正極引線。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例，基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員正在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參考圖1和圖2，本實(shí)施例的超寬帶水聲換能器包括上外殼1，前蓋板201，塑料泡沫一202，壓電陶瓷圓管一203，塑料泡沫二204，壓電陶瓷圓管二205，塑料泡沫三206，壓電陶瓷圓管三215，塑料泡沫四207，壓電陶瓷圓管四214，塑料泡沫五213，壓電陶瓷圓管五212，塑料泡沫六211，后蓋板210，螺桿208，底部螺帽209，負(fù)極引線216，正極引線217，下外殼3，所述前蓋板201，塑料泡沫一202，壓電陶瓷圓管一203，塑料泡沫二204，壓電陶瓷圓管二205，塑料泡沫三206，壓電陶瓷圓管三215，塑料泡沫四207，壓電陶瓷圓管四214，塑料泡沫五213，壓電陶瓷圓管五212，塑料泡沫六211，后蓋板210的中心位置安裝螺桿208，上外殼1、下外殼3分別安裝在螺桿208前后兩端，螺桿208兩側(cè)有凹槽，螺桿208底部裝有底部螺帽。

壓電陶瓷圓管一203，塑料泡沫二204，壓電陶瓷圓管二205，塑料泡沫三206，壓電陶瓷圓管三215，塑料泡沫四207，壓電陶瓷圓管四214，塑料泡沫五213，壓電陶瓷圓管五212交替縱向排列而成。塑料泡沫一202安裝在所述前蓋板201與壓電陶瓷圓管一203之間，塑料泡沫六211安裝在所述后蓋板210與壓電陶瓷圓管五212之間，所述正極引線217分別連接壓電陶瓷圓管一203，壓電陶瓷圓管二205，壓電陶瓷圓管三215，壓電陶瓷圓管四214，壓電陶瓷圓管五212內(nèi)側(cè)，所述負(fù)極引線216分別連接五個(gè)壓電陶瓷圓管外側(cè)。

超寬帶水聲換能器的三個(gè)諧振頻率主要是由前兩個(gè)壓電陶瓷圓管以及中間的壓電陶瓷圓管來控制，前兩個(gè)壓電陶瓷圓管與最后兩個(gè)壓電陶瓷圓管是同種壓電陶瓷圓管，通過調(diào)整這五個(gè)壓電陶瓷圓管的縱向排列的距離可以改變工作帶寬，使得換能器的帶寬變寬，而發(fā)射電壓響應(yīng)的起伏較小。

參考圖1，本實(shí)施例還包括透聲橡膠上外殼1和下外殼3，前蓋板201，后蓋板210，螺桿208，其中所述外殼位于圖1所安裝完成的超寬帶水聲換能器之外，在其內(nèi)安裝螺桿208；所述前蓋板201和后蓋板210位于所述外殼內(nèi)部將換能器封閉并通過螺帽將換能器固定；所述透聲橡膠位于換能器的全部。

進(jìn)一步，上外殼1呈圓錐形，下外殼3呈圓柱形固定在圖1所示裝置的上下外側(cè)，外殼緊貼換能器的外部，外殼內(nèi)裝有圓柱形螺桿208保持換能器平衡，前蓋板201中間位置開有圓孔，安裝在上外殼1內(nèi)部。

所述上外殼1和下外殼3為透聲橡膠，前蓋板201和后蓋板210為鋼質(zhì)，壓電陶瓷圓管采用PZT-4陶瓷來實(shí)現(xiàn)。

所述正極引線217分別連接壓電陶瓷圓管一203，壓電陶瓷圓管二205，壓電陶瓷圓管三215，壓電陶瓷圓管四214，壓電陶瓷圓管五212內(nèi)部的一側(cè)然后分別穿過螺桿208和前蓋板201中間的圓孔，負(fù)極引線216分別連接五個(gè)壓電陶瓷圓管外側(cè)，分別穿過螺桿208一側(cè)的凹槽，前蓋板201中間的圓孔與激勵(lì)源相連接。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)換能器工作頻帶展寬的原理是：通過調(diào)整五個(gè)壓電陶瓷圓管縱向排列之間的距離，降低壓電陶瓷圓管所控制的諧振頻率處的發(fā)射電壓響應(yīng)值，表現(xiàn)在頻率響應(yīng)曲線上一組相鄰峰谷之間差值減少(兩峰之間凹谷變淺)，實(shí)現(xiàn)了超寬帶水聲換能器發(fā)射電壓響應(yīng)起伏的減少及工作頻帶的展寬。

圖3為本發(fā)明型的超聲換能器的內(nèi)部螺桿圖，螺桿的兩側(cè)有凹槽。

圖4為本發(fā)明型的超寬帶水聲換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)曲線圖，由圖表明換能器在14kHz-131kHz工作頻帶內(nèi)發(fā)射電壓響應(yīng)起伏為12.7dB，最大發(fā)送電壓響應(yīng)為152.7dB，帶寬明顯拓寬。