具有指向性的聲波換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有指向性的聲波換能器。本發(fā)明中的能量轉(zhuǎn)換模塊包括設(shè)置在套筒內(nèi)的超磁致伸縮棒、線圈和永磁體，其中線圈通過(guò)骨架繞在超磁致伸縮棒上，線圈的外圍為提供偏置磁場(chǎng)的永磁體；超磁致伸縮棒兩端的輸出頂桿穿過(guò)端蓋活動(dòng)設(shè)置，輸出頂桿與端蓋之間設(shè)置有碟簧。能量發(fā)射模塊包括位移放大連桿和彎曲輻射面，位移放大連桿有兩根，呈鉸接形式，彎曲輻射面固定在遠(yuǎn)離鉸接點(diǎn)的兩根位移放大連桿之間，能量轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置在靠近鉸接點(diǎn)的兩根位移放大連桿之間，能量轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)兩端的輸出頂桿與兩根位移放大連桿連接。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作頻帶寬、指向性好等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于換能器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種具有指向性的聲波換能器。 具有指向性的聲波換能器

【背景技術(shù)】
[0002] 換能器是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的器件，在超聲技術(shù)和其他領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，承擔(dān) 著信號(hào)產(chǎn)生與接收的使命。發(fā)射換能器主要作用是產(chǎn)生一定的聲壓信號(hào)，目前工作頻率已 經(jīng)從幾赫茲拓展到幾兆赫茲，工作原理主要有電動(dòng)式、磁致伸縮式和壓電式等。
[0003] 近些年來(lái)對(duì)換能器的性能提出了更高的要求，主要是提高換能器的發(fā)聲功率和提 高換能器的工作帶寬。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種具有指向性的聲波換能器，該裝置能將電能轉(zhuǎn)換成聲波能，通 過(guò)發(fā)射聲波對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。該聲波換能器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作頻帶寬、指向性好等優(yōu) 點(diǎn)。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0006] 本發(fā)明包括能量轉(zhuǎn)換模塊和能量發(fā)射模塊。
[0007] 所述能量轉(zhuǎn)換模塊包括設(shè)置在套筒內(nèi)的超磁致伸縮棒、線圈和永磁體，其中線圈 通過(guò)骨架繞在超磁致伸縮棒上，線圈的外圍為提供偏置磁場(chǎng)的永磁體；超磁致伸縮棒兩端 的輸出頂桿穿過(guò)端蓋活動(dòng)設(shè)置，輸出頂桿與端蓋之間設(shè)置有碟簧。
[0008] 所述能量發(fā)射模塊包括位移放大連桿和彎曲輻射面，位移放大連桿有兩根，呈鉸 接形式，彎曲輻射面固定在遠(yuǎn)離鉸接點(diǎn)的兩根位移放大連桿之間，能量轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置在靠 近鉸接點(diǎn)的兩根位移放大連桿之間，能量轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)兩端的輸出頂桿與兩根位移放大連 桿連接；在靠近鉸接點(diǎn)處的兩根位移放大連桿之間還裝有彈簧，所述的彈簧位于鉸接點(diǎn)下 方。
[0009] 所述位移放大連桿將輸出頂桿的微小振動(dòng)放大并轉(zhuǎn)換成彎曲輻射面的彎張振動(dòng)， 從而向彎曲福射面的徑向方向發(fā)射聲波，彎曲福射面的彎張振動(dòng)和彎曲福射面在位移放大 連桿作用下的前后振動(dòng)耦合，得到較寬的工作頻帶。
[0010] 進(jìn)一步說(shuō)，所述彈簧和碟簧為超磁致伸縮棒提供預(yù)緊力，當(dāng)裝配完成后，碟簧同時(shí) 為輸出頂桿提供回復(fù)力。
[0011] 進(jìn)一步說(shuō)，所述位移放大連桿將超磁致伸縮棒微小軸向振動(dòng)放大并轉(zhuǎn)換成彎曲輻 射面的軸向振動(dòng)，彎曲輻射面的彎張振動(dòng)將軸向振動(dòng)放大成徑向振動(dòng)，通過(guò)位移放大連桿 和彎曲輻射面的兩級(jí)放大作用，超磁致伸縮棒微小振動(dòng)將放大數(shù)倍。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0013] 所述聲波換能器的有源材料為超磁致伸縮棒，相比于傳統(tǒng)的壓電陶瓷，超磁致伸 縮棒具有更高的能量密度、能量轉(zhuǎn)換效率和更大的應(yīng)變量。
[0014] 所述聲波換能器的通過(guò)位移放大連桿和彎曲輻射面的兩級(jí)放大設(shè)計(jì)將超磁致伸 縮棒的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成彎曲輻射面的徑向振動(dòng)，其放大倍數(shù)可達(dá)10倍以上。
[0015] 所述聲波換能器通過(guò)彎曲輻射面的彎張振動(dòng)和彎曲輻射面在位移放大連桿作用 下的前后振動(dòng)耦合，拓寬了聲波換能器的工作頻帶。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1所示為一種具有指向性的聲波換能器的剖視圖；
[0017] 圖2所示為一種具有指向性的聲波換能器能量轉(zhuǎn)換模塊主視圖；
[0018] 圖3所示為一種具有指向性的聲波換能器的彎曲輻射面三維圖；
[0019] 圖4所示為一種具有指向性的聲波換能器的彎曲輻射面的微觀形變示意圖；
[0020] 圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明如下：彎曲輻射面1、鉸制孔用螺栓2、位移放大連桿3、預(yù)緊彈簧4、 套筒5、平頭螺釘6、端蓋7、輸出頂桿8、碟簧9、超磁致伸縮棒10、線圈骨架11、線圈12、永 磁體13、導(dǎo)線孔14、外殼15。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 如圖1、圖2和圖3所示，本實(shí)施例包括彎曲輻射面1、鉸制孔用螺栓2、位移放大連 桿3、預(yù)緊彈簧4、套筒5、平頭螺釘6、端蓋7、輸出頂桿8、碟簧9、超磁致伸縮棒10、線圈骨 架11、線圈12、永磁體13、導(dǎo)線孔14和外殼15。由超磁致伸縮棒10、線圈12和永磁體13 為主的構(gòu)件組成了聲波換能器的能量轉(zhuǎn)換模塊，端蓋7和碟簧9對(duì)超磁致伸縮棒10施加預(yù) 緊力，永磁體13為超磁致伸縮棒10提供偏置磁場(chǎng)，以消除預(yù)緊力作用下超磁致伸縮棒10 的倍頻現(xiàn)象，線圈12通過(guò)導(dǎo)線孔14連接外部電源，在超磁致伸縮棒10周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)， 由于磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)，超磁致伸縮棒10在其軸向方向發(fā)生伸縮振動(dòng)，從而將 電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)能；能量發(fā)射模塊主要由位移放大連桿3和彎曲輻射面1組成，位移放 大連桿3將輸出頂桿8的微小振動(dòng)放大并轉(zhuǎn)換成彎曲福射面1的彎張振動(dòng)，從而向彎曲福 射面的徑向方向發(fā)射聲波。該聲波換能器屬于彎張式換能器，可以得到較低的發(fā)射頻率，另 外彎曲輻射面1的彎張振動(dòng)和彎曲輻射面1在位移放大連桿3作用下的前后振動(dòng)耦合，可 以得到較寬的工作頻帶。該聲波換能器具有低頻、寬帶和指向性等特性。
[0022] 所述的聲波換能器能量轉(zhuǎn)換部分呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)保證了振動(dòng)輸出的穩(wěn)定性， 使彎曲輻射面1始終向其徑向發(fā)射聲波。
[0023] 所述的聲波換能器通過(guò)預(yù)緊彈簧4和碟簧9為超磁致伸縮棒提供預(yù)緊力，當(dāng)裝配 完成后，碟簧9同時(shí)為輸出頂桿8提供回復(fù)力。
[0024] 所述的聲波換能器位移放大連桿3具有將超磁致伸縮棒10微小軸向振動(dòng)放大并 轉(zhuǎn)換成彎曲輻射面1的軸向振動(dòng)，放大比為節(jié)點(diǎn)前后兩桿長(zhǎng)之比U :L2 ;所述換能器U :L2 =2:1 ;而彎張振動(dòng)可以將軸向振動(dòng)放大成徑向振動(dòng)，彎曲輻射面1的微觀形變?nèi)鐖D4所示 (圖中實(shí)線為變形前的彎曲輻射面1形狀，虛線為變形后的彎曲輻射面1形狀），從模型可 以得到
[0025] (χ- Δ x) 2+ (y+ Δ y)2 = x2+y2
[0026] 式中：x--彎張輻射面1的徑向尺寸；y--彎張輻射面1的軸向尺寸；Λχ-- 徑向微小變形量；Ay--軸向微小變形量；
[0027] 由于Λχ2、Ay2相比于其他微小量是高階無(wú)窮小量，可以忽略，因此上式可最終化 簡(jiǎn)為
[0028]

【權(quán)利要求】
1. 具有指向性的聲波換能器，包括能量轉(zhuǎn)換模塊和能量發(fā)射模塊，其特征在于： 所述能量轉(zhuǎn)換模塊包括設(shè)置在套筒內(nèi)的超磁致伸縮棒、線圈和永磁體，其中線圈通過(guò) 骨架繞在超磁致伸縮棒上，線圈的外圍為提供偏置磁場(chǎng)的永磁體；超磁致伸縮棒兩端的輸 出頂桿穿過(guò)端蓋活動(dòng)設(shè)置，輸出頂桿與端蓋之間設(shè)置有碟簧； 所述能量發(fā)射模塊包括位移放大連桿和彎曲輻射面，位移放大連桿有兩根，呈鉸接形 式，彎曲輻射面固定在遠(yuǎn)離鉸接點(diǎn)的兩根位移放大連桿之間，能量轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置在靠近鉸 接點(diǎn)的兩根位移放大連桿之間，能量轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)兩端的輸出頂桿與兩根位移放大連桿連 接；在靠近鉸接點(diǎn)處的兩根位移放大連桿之間還裝有彈簧，所述的彈簧位于鉸接點(diǎn)下方； 所述位移放大連桿將輸出頂桿的微小振動(dòng)放大并轉(zhuǎn)換成彎曲輻射面的彎張振動(dòng)，從而 向彎曲福射面的徑向方向發(fā)射聲波，彎曲福射面的彎張振動(dòng)和彎曲福射面在位移放大連桿 作用下的前后振動(dòng)耦合，得到較寬的工作頻帶。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有指向性的聲波換能器，其特征在于：所述彈簧和碟簧為 超磁致伸縮棒提供預(yù)緊力，當(dāng)裝配完成后，碟簧同時(shí)為輸出頂桿提供回復(fù)力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有指向性的聲波換能器，其特征在于：所述位移放大連桿 將超磁致伸縮棒微小軸向振動(dòng)放大并轉(zhuǎn)換成彎曲輻射面的軸向振動(dòng)，彎曲輻射面的彎張振 動(dòng)將軸向振動(dòng)放大成徑向振動(dòng)，通過(guò)位移放大連桿和彎曲輻射面的兩級(jí)放大作用，超磁致 伸縮棒微小振動(dòng)將放大數(shù)倍。
【文檔編號(hào)】B06B1/08GK104056770SQ201410250000
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月7日
【發(fā)明者】孟愛(ài)華, 陳文藝, 劉成龍, 楊劍鋒, 胡濤, 程彥泉 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)