水滴型弯张换能器

摘要

本发明提供一种水滴型弯张换能器，包括水滴型辐射壳体、过渡块和驱动元件：所述水滴型辐射壳体为等厚度壳体，壳体外侧由两个等短轴、不等长轴的半椭圆拼接而成，壳体两端面用盖板封闭。所述驱动元件和过渡块组成振子装配体，振子装配体置于弯张壳体内等效长轴上，并和壳体内测两垂直端面刚性连接。本发明利用壳体结构的不对称性产生一阶不对称弯曲模态，并利用一阶不对称弯曲模态和一阶弯曲模态的耦合，拓展弯张换能器带宽。可用于水声探测、对抗、通讯、测量以及海洋资源勘探等领域。

权利要求

1.水滴型弯张换能器，其特征在于：包括辐射壳体、阵子装配体，所述辐射壳体是由两个半椭圆壳拼接而成的水滴形的等厚度壳体，其中，半椭圆壳的短轴相等，长轴不相等；所述阵子装配体包括与辐射壳体内表面圆弧处连接的两个过渡块、设置在两个过渡块之间的驱动元件，在辐射壳体的上下两端分别设置有上盖板和下盖板，且上盖板与下盖板之间通过螺纹杆螺纹的配合实现连接，在上盖板上设置有电缆头和吊放头，在上盖板与辐射壳体的连接处、下盖板与辐射壳体的连接处均设置有垫板。

2.根据权利要求1所述的水滴型弯张换能器，其特征在于：所述驱动元件包括PLZST反铁电晶堆，且所述PLZST反铁电晶堆由N片矩形反铁电陶瓷片粘接而成，其中N为≥2的偶数，且每两个反铁电陶瓷片之间还设置有一个电极片。

3.根据权利要求1所述的水滴型弯张换能器，其特征在于：所述驱动元件包括压电陶瓷晶堆，且压电陶瓷晶堆由N片矩形压电陶瓷片粘接而成，其中N为≥2的偶数，且每两个压电陶瓷片之间还设置有一个电极片。

4.根据权利要求1所述的水滴型弯张换能器，其特征在于：所述驱动元件是包括稀土超磁致伸缩棒，稀土超磁致伸缩棒外面套有线圈骨架，线圈骨架上绕有线圈，在稀土超磁致伸缩棒两端各设置一片永磁片，两片永磁片和对应的连接块连接。

说明书

水滴型弯张换能器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种水声换能器，尤其涉及一种水滴型弯张换能器。

背景技术

[0002] 众所周知，水下通信主要依靠声波，在水下能够产生声波的仪器称为发射换能器。多年来，研究者一直致力于提高发射换能器的性能，拓展换能器的宽带就是其中之一。

[0003] 宽带换能器的研究具有重要的意义。首先，宽带换能器在信号的传输方面具有优势。其次，换能器能够宽带发射，使得发射信号不局限于单品脉冲，可考虑发射调频信号。特别是对于通信声呐，宽带换能器可以提高信号的传输速率、提高通信的可靠性和保密性、降低误码率。

[0004] 实现换能器的宽带发射主要有三种方法。

[0005] 对于单谐振工作换能器，可通过提高辐射阻、减小结构质量和降低结构刚度来拓展带宽。

[0006] 将两个或者两个以上的频率相近的换能器组合使用，可以得到宽带的发射响应。美国Lockheed Martin Corporation的Raymond Porzio(US)提出了开缝圆环和稀土纵向组合式宽带换能器。

[0007] 多模态耦合也可以实现换能器的宽带发射。哈尔滨工程大学蓝宇设计并制作了双壳体弯张换能器。陈思设计并制作了压电单晶长轴加长型IV型弯张换能器。

发明内容

[0008] 本发明的目的是为了提供一种水滴型弯张换能器，通过多模态耦合拓展弯张换能器的带宽。

[0009] 本发明的目的是这样实现的：包括辐射壳体、阵子装配体，所述辐射壳体是由两个半椭圆壳拼接而成的水滴形的等厚度壳体，其中，半椭圆壳的短轴相等，长轴不相等，所述阵子装配体包括与辐射壳体内表面圆弧处连接的两个过渡块、设置在两个过渡块之间的驱动元件，在辐射壳体的上下两端分别设置有上盖板和下盖板，且上盖板与下盖板之间通过螺纹杆螺纹的配合实现连接，在上盖板上设置有电缆头和吊放头，在上盖板与辐射壳体的连接处、下盖板与辐射壳体的连接处均设置有垫板。

[0010] 本发明还包括这样一些结构特征：

[0011] 1.所述驱动元件包括PLZST反铁电晶堆，且所述PLZST反铁电晶堆由N片矩形反铁电陶瓷片粘接而成，其中N为≥2的偶数，且每两个反铁电陶瓷片之间还设置有一个电极片。

[0012] 2.所述驱动元件包括压电陶瓷晶堆，且压电陶瓷晶堆由N片矩形压电陶瓷片粘接而成，其中N为≥2的偶数，且每两个压电陶瓷片之间还设置有一个电极片。

[0013] 3.所述驱动元件是包括稀土超磁致伸缩棒，稀土超磁致伸缩棒外面套有线圈骨架，线圈骨架上绕有线圈，在稀土超磁致伸缩棒两端各设置一片永磁片，两片永磁片和对应的连接块连接。

[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用水滴型弯张的不对称椭圆壳体结构产生一阶不对称弯曲模态，并利用一阶不对称弯曲模态和一阶弯曲模态的耦合，拓展弯张换能器带宽。本发明的水滴型弯张换能器提供了一种非对称弯张壳体的新型换能器结构形式。不对称弯张壳体结构使得一阶非对称弯曲模态在振动效果上不能够完全抵消，从而产生了一阶非对称弯曲模态。通过对非对称壳体尺寸的调节可以实现一阶弯曲模态和一阶非对称弯曲模态的耦合，从而实现弯张换能器的带宽拓展。本发明的水滴型弯张换能器采用了弯张换能器的基本原理，因此具有低频、大功率、尺寸小、重量轻的优点。本发明的水滴型弯张换能器可应用于水声探测、对抗、通讯、测量以及海洋资源勘探等领域。

附图说明

[0015] 图1为本发明用反铁电陶瓷做驱动元件的水滴型弯张换能器结构示意图的俯视图；

[0016] 图2为本发明用反铁电陶瓷做驱动元件的水滴型弯张换能器结构示意图的测视图；

[0017] 图3为本发明用反铁电陶瓷做驱动元件的振子连线示意图；

[0018] 图4为本发明的水滴型弯张换能器整体外形的等轴测视图；

[0019] 图5为本发明用反铁电陶瓷做驱动元件的水滴型弯张换能器的发送电压响应仿真曲线；

[0020] 图6a和图6b分别为本发明用反铁电陶瓷做驱动元件的水滴型弯张换能器在前两个模态对应频率下的指向性图；

[0021] 图7是本发明用稀土超磁致伸缩棒做驱动元件的水滴型弯张换能器的结构示意图。

[0022] 附图中各数字的含义为：1-水滴型辐射壳体、2-驱动元件、3-过渡块、4-盖板、5-垫板、6-螺纹杆、7-螺母、8-电缆、9-电缆头、10-吊放头、11-一阶弯曲模态对应响应峰、12-一阶非对称弯曲模态对应响应峰、13-线圈骨架、14-永磁片、15-稀土超磁致伸缩棒、16-线圈具体实施方式

[0023] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

[0024] 参考图1、图2、图3，制作一本发明的水滴型弯张换能器，包括水滴型辐射壳体，过渡块和驱动元件，水滴型等厚壳体1的外边缘由两个半椭圆相拼而成，其中半椭圆的短轴相等、长轴不相等，均采用铝合金材料加工而成。壳体两端面用盖板密封；所述驱动元件和过渡块组成振子装配体，振子装配体置于弯张壳体内等效长轴上，并和壳体内壁刚性连接。

[0025] 优选，本发明的水滴型弯张换能器的等效长轴为270mm(左椭圆半长轴172mm、右椭圆半长轴98mm)，公共短轴为120mm，壳体厚度14mm，壳体高度90mm。

[0026] 驱动元件和过渡块3组成振子装配体，过渡块3采用铝合金制作。振子装配体的纵向尺寸略大于或大于壳体内侧长轴方向两垂直端面之间的距离，通过预先减小水滴型辐射壳体的等效短轴，利用等效长轴的增长所产生的压力使振子装配体固定于壳体内侧两垂直端面之间。

[0027] 优选振子装配体的纵向尺寸比换能器壳体内侧长轴方向两垂直端面之间的距离大0.32mm。在装配换能器时，通过对水滴型辐射壳体的等效短轴方向施加压力，增大壳体内侧长轴方向两垂直端面之间的距离使之大于振子装配体的纵向尺寸，将振子装配体置于两垂直端面之间并释放压力，此时通过预应力将装配体固定在换能器壳体内两垂直端面之间，并与换能器壳体刚性连接。

[0028] 换能器用盖板4封闭，盖板4与换能器壳体之间加入垫板5以起到密封、隔振的作用。盖板4通过分布在换能器壳体外侧的螺纹杆6和螺母7紧固于换能器壳体两端，使换能器内部形成封闭空气腔。盖板4上装配有电缆头9和吊放头10。本实施例的垫板5采用硅胶板，厚度为5mm，盖板4采用铝合金材料，螺纹杆6采用不锈钢材料。

[0029] 驱动元件2采用100片矩形PLZST反铁电陶瓷片制作，反铁电陶瓷片尺寸为30mm*30mm*1mm，反铁电振子采用并联连接，接线如图2所示。反铁电陶瓷片之间夹黄铜材料的金属薄片，以焊接引线，金属薄片的尺寸30mm*30mm*0.1mm。用环氧树脂将反铁电陶瓷片与金属薄片相间逐一粘接构成驱动元件。

[0030] 换能器工作时，通过电缆8对反铁电振子施加直流偏置电场和交流电场，此时反铁电产生周期性相变，使得整体反铁电振子产生纵向伸缩振动，通过驱动元件与壳体的机械耦合，可以在不同的频率范围内激发出壳体不同的振动模式，利用产生的一阶弯曲模态和一阶非对称弯曲模态耦合实现换能器的带宽拓展。

[0031] 换能器的发送电压响应仿真曲线如图5所示。图5中，第一阶谐振峰11由换能器的一阶弯曲振动产生，谐振频率约为1260Hz；第二阶谐振峰12由换能器的一阶非对称弯曲振动产生，谐振频率约为2220Hz。在1.08kHz～2.52kHz的频率范围内，换能器的最大发送电压响应149.1dB(参考级0dB：1pPa/V，1m处)，响应最大起伏6.4dB，可以实现弯张换能器的带宽拓展。

[0032] 换能器的前两个模态对应频率下的指向性图如图6a和图6b所示。在一阶弯曲模态对应频率1260Hz下，换能器基本无指向性；在一阶非对称弯曲模态对应频率2220Hz下，换能器呈偏“偏八字形”指向特性。

[0033] 本发明的水滴型辐射壳体1、过渡块3除了采用铝合金制作外还可以采用不锈钢、钢、钛合金、玻璃纤维或者碳纤维制作。水滴型弯张换能器除采用盖板密封外还可以采用溢流式结构。

[0034] 本发明的所述驱动元件包括压电陶瓷晶堆，压电陶瓷由N片矩形压电陶瓷片粘接而成，其中N为≥2的偶数，每两个压电陶瓷片之间布放一个电极片。

[0035] 如图7所示，本发明的驱动元件采用稀土超磁致伸缩棒15，外面套有线圈骨架13，线圈骨架13上绕有线圈16，在稀土超磁致伸缩棒15两端各安放一片永磁片14。稀土超磁致伸缩棒15、永磁片14和过渡块3构成振子装配体。本实施例的换能器装配过程与实施例1相同。

[0036] 换能器工作时，稀土超磁致伸缩棒15在永磁片14提供的静态偏置磁场和线圈14通电后产生的动态驱动磁场的联合作用下产生磁致伸缩振动，通过驱动元件与壳体的机械耦合,在不同的频率范围内激发出壳体不同的振动模式，利用产生的一阶弯曲模态和一阶非对称弯曲模态耦合实现换能器的宽带发射。

[0037] 所述水滴型辐射壳体、过渡块、盖板可采用不锈钢、钢、钦合金、铝合金、玻璃纤维或碳纤维制成。

[0038] 综上，本发明提供一种水滴型弯张换能器。包括水滴型辐射壳体、过渡块和驱动元件：所述水滴型辐射壳体为等厚度壳体，壳体外侧由两个半椭圆拼接而成，其中半椭圆的短轴相等、长轴不相等，壳体两端面用盖板封闭。所述驱动元件和过渡块组成振子装配体，振子装配体置于弯张壳体内等效长轴上，并和壳体内测两垂直端面刚性连接。本发明利用壳体结构的不对称性产生一阶不对称弯曲模态，并利用一阶不对称弯曲模态和一阶弯曲模态的耦合，拓展弯张换能器带宽。可用于水声探测、对抗、通讯、测量以及海洋资源勘探等领域。