CN102169685A - 一种低频宽带小尺寸深水水声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种低频宽带小尺寸深水水声换能器，包括Janus型复合棒换能器、桶形壳体、去耦材料、支撑结构；所述的Janus型复合棒换能器包括辐射头、至少一个压电晶堆、电缆和包裹在压电晶堆外部的水密层，辐射头有两个、分别位于压电晶堆的两端，电缆安装在水密层外；辐射头外部缠绕去耦材料，桶形壳体有两个、分别安装在两侧去耦材料的外部，支撑结构有两个、均与两个桶形壳体和Janus型复合棒换能器相连。本发明克服了传统的复合棒换能器难以实现小尺寸低频发射的缺点，还克服了传统的Helmholtz共振器发射响应带宽窄，不利于实现宽带发射等缺点。

Description

一种低频宽带小尺寸深水水声换能器

技术领域

本发明涉及的是一种水声领域的换能装置。

背景技术

声波是人类迄今为止已知的唯一能在海水中远距离传输的能量载体。故声学方法是探索海洋、开发海洋、进行水中对抗的主要手段。如民用领域的海上油气资源探测与开发、海底地质地貌成像、海域水文条件研究与测量等，军事领域进行水下目标探测、定位、识别、导航、通信等，声波及声波发生器都扮演着举足轻重的角色。

随着安静型潜艇的出现，被测目标的辐射噪声越来越低。欧美新型安静型潜艇正常巡航条件下的辐射噪声已经低于105dB，这就意味着其辐射噪声已经淹没于绝大部分海域的环境噪声。传统的被动声呐探测手段已经越来越显得力不从心，主动声呐探测手段日渐成为隐身目标探测与识别的主要手段。在主动声呐探测体系中，低频大功率发射的水声换能器是其关键的一环：声波在水中的衰减与其频率相关，频率越低衰减越小，故实现隐身目标的远距离探测，必须降低换能器的工作频率。有研究表明：100Hz-800Hz频段内的声信号最有利于远距离水下传播；使用低频声信号带来的问题是相应地降低了目标散射强度，故必须同时实现换能器大功率发射以获取足够的目标散射强度。

在水声换能器各种应用领域中，单只发射换能器往往不能满足指向性、发射声功率及信息处理等多方面的要求，往往需要由多只换能器组成各种形状的基阵以完成各种任务。这些基阵通常固定在舰艇上或者以拖曳的方式工作，因此受到了安装平台的限制。为了布阵和安装方便，必须大幅度减小低频大功率发射换能器基元的体积和重量。

然而小尺寸水声换能器在低频工作和大功率发射之间往往存在理论上的矛盾。例如，为了提高发射效率和辐射功率，换能器通常工作在谐振状态，而经典的纵振式换能器尺寸通常与辐射声波的波长成正比，即工作频率越低意味着换能器的尺寸越大，体积重量也越大。另外，低频换能器的辐射声功率与频率及辐射面积的平方成正比，这就意味着频率或者辐射面积降低10倍，辐射声功率将降低100倍。因此，在降低频率的同时，保持换能器的辐射声功率不变或增大，必须大幅度增大辐射面的振速，以获取足够的体积速度，而由于驱动模块的功率和换能器自身机械强度的限制，往往难以通过大幅度提高辐射面振速实现低频大功率发射。

因此降低工作频率与实现小尺寸是一对矛盾；增大辐射声功率与降低频率也是一对矛盾。

目前解决上述矛盾的主要方法大致有以下几种：

一是采用弯曲振动模态取代传统的纵振动模态，以降低结构的谐振频率。比较典型的代表是7种类型的弯张换能器，其中又以IV型弯张换能器最为常见。另外也有使用电动(磁)式这种非谐振式换能器，实现超低频宽带发射。但是这种换能器辐射声功率和电声转换都很低，大功率发射时对结构设计和驱动器要求很高，且非线性效应明显。

二是采用新的换能材料取代传统的压电陶瓷材料。目前崭露头角的有稀土超磁致伸缩材料如铽镝铁磁致伸缩合金(Terfenol-D)及铁镓合金(Gafenol)、驰豫铁电单晶材料如铌镁酸铅钛酸铅(PMN-PT)及铌锌酸铅钛酸铅(PZN-PT)等，这些材料具有更大的柔顺性、更大的应变能力和高机电耦合系数，特别适用制作低频大功率水声换能器。

三是采用低频液腔结构。Helmholtz共振腔是利用小体积获取低频、甚低频振动的途径之一。在水中，Helmholtz腔充水便形成了液腔。这种类型的换能器工作深度不受结构限制，液腔谐振处机电耦合系数高，可辐射较高的声功率。缺点是Q值较高，液腔谐振的带宽窄，不利于形成水声通信等领域要求的宽带发射。然而若能利用液腔谐振与其他结构振动模态耦合，同时针对腔体的形状、尺寸、边界条件、流体附加阻抗等进行优化，则可望拓展换能器的工作频带，设计出小体积、低频、宽带、大功率、深水工作的水声换能器。

发明内容

本发明的目的在于提供兼具低频、小体积、宽带、大功率、深水工作等特点的一种低频宽带小尺寸深水水声换能器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种低频宽带小尺寸深水水声换能器，包括Janus型复合棒换能器、桶形壳体、去耦材料、支撑结构；所述的Janus型复合棒换能器包括辐射头、至少一个压电晶堆、电缆和包裹在压电晶堆外部的水密层，辐射头有两个、分别位于压电晶堆的两端，电缆安装在水密层外；辐射头外部缠绕去耦材料，桶形壳体有两个、分别安装在两侧去耦材料的外部，支撑结构有两个、均与两个桶形壳体和Janus型复合棒换能器相连。

本发明还可以包括：

1、所述的压电晶堆有两个，每个压电晶堆为不少于10的偶数片压电陶瓷圆片、且每两片压电陶瓷圆片间设置铜电极，两个压电晶堆之间安装中间质量块。

2、所述的辐射头为喇叭形。

3、所述的去耦材料为软木或橡胶。

本发明的优势在于：克服了传统的复合棒换能器难以实现小尺寸低频发射的缺点，同时利用了其纵振模态机电耦合系数高，发射效率和辐射声功率高等优点。本发明还克服了传统的Helmholtz共振器发射响应带宽窄，不利于实现宽带发射等缺点，同时利用了液腔谐振谐振频率低、声源级高等优点。

附图说明

图1为本发明的Janus型复合棒换能器的剖面视图；

图2为本发明除去安装支撑结构的剖面视图；

图3为本发明除去安装支撑结构的示意图；

图4为本发明的示意图；

图5(a)为实施方式1换能器辐射面a前方声轴一点上测得的发射电压响应曲线；

图5(b)为实施方式1换能器辐射面b前方声轴上一点上测得的发射电压响应曲线.。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，本发明一种低频宽带小尺寸深水水声换能器，包括Janus型复合棒换能器、桶形壳体5、去耦材料6、支撑结构10；所述的Janus型复合棒换能器包括辐射头3、至少一个压电晶堆1、电缆9和包裹在压电晶堆1外部的水密层8，辐射头3有两个、分别位于压电晶堆1的两端，电缆9安装在水密层8外；辐射头3外部缠绕去耦材料6，桶形壳体5有两个、分别安装在两侧去耦材料6的外部，支撑结构10有两个、均与两个桶形壳体5和Janus型复合棒换能器相连。

实施方式1：

本发明由两个压电晶堆1、一个中间质量块2、两个喇叭形辐射头3及两支中间预应力螺栓4组成。

中间质量块2由金属材料铝合金或黄铜等加工成圆柱形，也可加工成长方体形，中心设置螺纹通孔，以便安装预应力螺栓4。为方便安装桶形壳体5的支撑装置10和换能器吊放装置，沿中间质量块2圆周方向可等间距设置径向螺纹孔。

每个晶堆由n片(n为大于10的偶数)压电陶瓷圆片粘接而成，每相邻的两片压电陶瓷圆片极化方向相反，保证整个晶堆两个端面的极化极性为负极。压电陶瓷圆片间中间设置铜电极片7，晶堆两端面处也设置铜电极7，共n+1片铜电极，从铜电极片7上引出电极引线，压电陶瓷片在电路上采用并联连接，正负极引线保证岔开180度角度。

喇叭形辐射头3由轻质金属如铝合金制成，最小外径端外径与压电晶堆1及铜电极7外径相同。

将中间质量块2、一组压电晶堆1、一个喇叭形辐射头3按次序设置，放入预应力夹具中夹紧，加上螺栓4拧紧制成复合棒换能器，然后松开夹具颠倒复合棒换能器方向，依次设置另一组压电晶堆1和喇叭形辐射头3，再次夹紧夹具，加上另一只预应力螺栓4拧紧，制成Janus型复合棒换能器。制作中应保证两支螺栓的长度之和应小于Janus型复合棒换能器整体长度，为消除加载较高电压时铜电极7与预应力螺栓4之间产生的电弧，可在预应力螺栓4上套上聚四氟乙烯套管。

为保证换能器有足够的电导值以加载足够的电功率，对换能器施加的预应力不低于10MPa，同时保证各粘接面平整光洁。

参考图2，将去耦材料6缠绕在喇叭形辐射头3最大外径端，并用粘合剂粘牢，将桶形壳体5套入喇叭形辐射头3，保证喇叭形辐射头3最大外径端面与桶形壳体5端面齐平，桶形壳体5和Janus型复合棒换能器构成了Helmholtz腔体。

在中间质量块2位置处引出电缆9，在两个压电晶堆1***包覆聚氨酯水密层8。为尽可能减小结构振动阻尼，提高发射效率，聚氨酯水密层不宜过厚，5mm左右为宜。

换能器工作时，各电极片7上施加交变电场，压电陶瓷圆片在交变电场的激励下产生厚度方向的伸缩振动，体现在整个晶堆即是纵向伸缩振动，整个Janus型复合棒换能器在压电晶堆的作用下激励出纵向谐振模态，由于振动使用了压电陶瓷的压电常数d33，故纵振动模态具有较高的机电耦合系数，辐射面能产生较大应变，可实现大功率声辐射。

Janus型复合棒换能器做伸缩振动时，激发Helmholtz腔体内的流体，以两个桶形壳体5之间的环面为辐射面向外部流体辐射声波，在液腔谐振频率处辐射声功率最大。由于腔内流体介质(通常为水)的柔顺系数通常远大于换能器自身的结构刚度，故液腔谐振频率一般比换能器的结构谐振频率低得多，因此液腔谐振是实现低频、甚低频发射的手段之一。

在换能器几何对称轴上远场处，结构纵振动和流体辐射产生的声压叠加效果为：在液腔谐振峰与结构谐振峰之间的频段，两种振动产生的声辐射到达同一点时声压同相，振动叠加使声能量大大增强，频段内响应曲线变得平坦。而在液腔谐振峰以下频段，两种振动产生的辐射到达同一点时声压反相，振动叠加使声能量大大减弱，故液腔谐振频率以下频段，辐射响应急剧下降。由此可利用液腔谐振和结构纵振动实现换能器宽带发射。

参考图4，对于更低频率的Janus-Helmholtz水声换能器，体积尺寸较大，需设置专门的桶形壳体5的支撑结构10。支撑结构10一端联接在中间质量块2上，另一端联接在桶形壳体5上。中间质量块2中心截面为换能器结构的位移节点处，在此处设置支撑结构10对换能器的机械振动性能无明显影响。

对本实施例提供的换能器进行电声性能测试，结果参见图5。图5(a)所示的是换能器辐射面a前方声轴一点上测得的发射电压响应曲线，图5(b)所示的是换能器辐射面b前方声轴上一点上测得的发射电压响应曲线。测试结果显示，在超过一个倍频程频率范围内，发射电压响应起伏小于6dB，换能器两个辐射面的辐射性能基本一致。

实施方式2：

在实施方式1的基础上，压电晶堆由两个变为一个，取消中间质量块。

Claims (5)

1.一种低频宽带小尺寸深水水声换能器，其特征是：包括Janus型复合棒换能器、桶形壳体、去耦材料、支撑结构；所述的Janus型复合棒换能器包括辐射头、至少一个压电晶堆、电缆和包裹在压电晶堆外部的水密层，辐射头有两个、分别位于压电晶堆的两端，电缆安装在水密层外；辐射头外部缠绕去耦材料，桶形壳体有两个、分别安装在两侧去耦材料的外部，支撑结构有两个、均与两个桶形壳体和Janus型复合棒换能器相连。

2.根据权利要求1所述的一种低频宽带小尺寸深水水声换能器，其特征是：所述的压电晶堆有两个，每个压电晶堆为不少于10的偶数片压电陶瓷圆片、且每两片压电陶瓷圆片间设置铜电极，两个压电晶堆之间安装中间质量块。

3.根据权利要求1或2所述的一种低频宽带小尺寸深水水声换能器，其特征是：所述的辐射头为喇叭形。

4.根据权利要求1或2所述的一种低频宽带小尺寸深水水声换能器，其特征是：所述的去耦材料为软木或橡胶。

5.根据权利要求3所述的一种低频宽带小尺寸深水水声换能器，其特征是：所述的去耦材料为软木或橡胶。

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