CN103236256A - 一种基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器，主要包括主圆柱形永磁体、副圆柱形永磁体、圆筒、敲击件、发声外壳、发声管等，该水声换能器主要是利用主圆柱形永磁体和副圆柱形永磁体之间同极相斥、异极相吸的原理，通过不断改变圆筒内主圆柱永磁体的磁极，来控制圆筒外副圆柱形永磁体做往复运动，副圆柱形永磁体带动敲击头间歇性敲击发声管和发声外壳的平板进而发声，该声音信号响度大、频带宽且处于低频范围，本发明能够直接利用海流能来持续产生水下探测所需要的声能，原理新颖，制造容易，结构紧凑，密封可靠，能量利用率高，寿命长。
Description
技术领域
本发明属于新能源利用和换能器设计领域，涉及一种在水下利用海流能通过永磁力来控制机构敲击发声外壳产生低频声音信号的装置，具体涉及一种基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器。
背景技术
人们对现代水声学的研究始于1826年瑞士物理学家科拉东和法国数学家斯图谟在日内瓦湖展开的测量水中声速的实验。1911年，有人用炸弹作为声源，进行了最初的水下回声探测实验，并成功的记录到海底的回声。可以说，炸弹***的声源是人们应用最早的水下声源。近年来，随着人类活动领域向海洋的不断扩展，人们根据不同的要求对水下声源进行广泛的运用。深海地质探测，海洋石油勘探，水下目标探测等领域都用到水下声源。不仅如此，水下声源还广泛的运用于军事水声对抗领域，用来诱骗、干扰敌方声纳及声自导鱼雷的探测，使敌方鱼雷的命中概率从80%降到20%左右，从而保护我方舰艇，提高海军的生存能力。
目前，主要的水下声源产生方式有以下6种：******声源、电声换能器声源、参数阵列声源、流体动力式声源、激光声源和等离子体声源。然而主要的水下声源产生方式有以下不足：机械传动，能量损失大，海流能利用率低；需要外部能源持续供应的情况下才能长期在水中发声；发声信号以高频为主，低频声音信号小；均不是通过机械敲击产生的，很难真实的模仿在水中运行的机械设备的声音；声源在密封腔体中，有声能传递损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
该水声换能器包括封闭的发声外壳、敲击装置以及通过磁力与敲击装置配合的海流能驱动装置。
所述海流能驱动装置包括传动轴、设置于发声外壳内的磁体套以及设置于发声外壳一侧的叶轮，传动轴的一端与叶轮相连，另一端与磁体套相连，磁体套上设置有若干块沿传动轴圆周排布的主圆柱形永磁体，相邻主圆柱形永磁体的磁极相反。
所述发声外壳内设置有圆筒，磁体套设置于圆筒内，敲击装置包括设置于圆筒外壁圆周上的导轨以及设置于导轨内的直线轴承，直线轴承与导轨过盈配合，直线轴承内设置有可以往复滑动的敲击件，敲击件包括敲击头以及与敲击头相连的敲击套筒，敲击套筒内设置有副圆柱形永磁体，副圆柱形永磁体的两端分别设置有缓冲垫。
所述圆筒内设置有轴承架，轴承架上设置有用于支撑传动轴的深沟球轴承。
所述发声外壳为四块板材首尾相接形成的两侧开口的立方体形或长方体形，发声外壳的一侧开口上焊接有前挡板，另一侧开口上焊接有后挡板。
所述水声换能器还包括发声管，发声管为四个不同材料、不同内径与外径的圆柱形空心管，圆柱形空心管分别固定在发声外壳内的发声管固定架上，发声管固定架焊接在前挡板上。
所述板材和发声管的前10阶固有频率分布在低频段的不同频率段内。
所述敲击装置为8个，其中4个敲击装置的敲击头与四块板材分别相对设置，余下4个敲击装置的敲击头与四个发声管分别相对设置，敲击头同时敲击四块板材或同时敲击四个发声管。
所述发声外壳内设置有前连接件以及后连接件，圆筒的一侧开口与前连接件相连，另一侧开口与后连接件相连，前连接件与设置于前挡板上的定位环相连，后挡板上设置有支撑板，支撑板上开设有限位通孔，后连接件卡于限位通孔内。
所述后挡板上设置有后盖，后盖与后挡板的连接处设置有O形橡胶密封圈，传动轴套设于后盖上，后盖与传动轴的连接处设置有高低唇Y形橡胶密封圈，后盖上设置有防止高低唇Y形橡胶密封圈轴向运动的压盖。
本发明具有下列显著优势：1）发声所需要的能量直接从海流能中转换而来，可在没有外部能源供应的情况下长期在水下发声，在远海海域利用中具有极大的优势。2）采用磁力传动，省去了机械传动的摩擦，减小了能量损失。
本发明所述基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器直接利用海流能提供动力，通过驱动装置控制敲击件，使敲击件间歇性敲击发声外壳和发声管实现发声，本发明所述发声外壳采用全密封式，并且将外壳作为发声体，在内部放置了发声管，相对于将单独的发声体置于海流中来说，同等条件下，发声响度更大，远场的发声性能更优；相对于将单独的发声体置于密封体内部来说，声音衰减小。
本发明所采用的永磁体均为圆柱形，主圆柱形永磁体的磁力线相对于瓦形永磁体来说更加密集并且垂直于上下端面，副圆柱形永磁体受到更小的侧向力，进一步减小了敲击件壁面的摩擦力，提高了能量利用率。
本发明利用敲击件在直线轴承内往复运动间歇性敲击发声管和发声外壳壁面进行发声，磁力可穿透圆筒壁面直接控制圆筒外部敲击件的运动，不需在壁面开孔传动，免去了动密封及其能量损耗，并且在导轨内设置直线轴承，将敲击件与导轨之间的壁面摩擦改为敲击件与直线轴承的滚动摩擦，最大限度的减小敲击件与导轨之间的摩擦损耗，运动实现简单，声音稳定性好，安装便捷，可靠性高，能很好的模拟船只等在水中运行的声音；发声外壳壁面采用不同厚度和不同材料的板材组成，发声管也采用不同材料、不同内径与外径的圆柱形空心管构成，因此就有不同的发声性能和发声频带，并且使各个板材和各个发声管的前10阶固有频率分布在低频段（2000Hz内）的不同频率段内，同时发声时频带宽、频率低、声音响度大。
附图说明
图1为本发明的主视图（剖视）；
图2为本发明的工作原理图之一；
图3为本发明的工作原理图之二；
图4为发声体模型；图4中，a为开放式结构，b为封闭式结构；
图5为声场压力分布图；图5中，a为开放式结构，b为封闭式结构；
图6为开放式结构与密封式结构的声压比较图；
图中：1前挡板；1a定位环；2发声外壳；3前连接件；4圆筒；5导轨；6直线轴承；7敲击套筒；8敲击头；9副圆柱形永磁体；10缓冲垫；11后连接件；12后挡板；12a密封圈安装槽；13后盖；14叶轮；15压盖；16高低唇Y形橡胶密封圈；17O形橡胶密封圈；18支撑板；18a限位通孔；19传动轴；20紧固螺母；21磁体套；22主圆柱形永磁体；23橡胶垫；24轴承架；
25深沟球轴承；26发声管；27发声管固定架；S为敲击力作用面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1-图3，本发明所述水声换能器包括封闭的发声外壳2、敲击装置以及通过磁力与敲击装置配合的海流能驱动装置。所述海流能驱动装置包括传动轴19、设置于发声外壳2内的磁体套21以及设置于发声外壳2一侧的叶轮14，传动轴19的一端与叶轮14相连，另一端与磁体套21通过螺纹相连，紧固螺母20进一步锁死磁体套21，磁体套21上设置有若干块沿传动轴19圆周排布的主圆柱形永磁体22，相邻主圆柱形永磁体的磁极相反。所述发声外壳2内设置有圆筒4，磁体套21以及主圆柱形永磁体22设置于圆筒4内，敲击装置包括设置于圆筒4外壁圆周上的导轨5以及设置于导轨内的直线轴承6，直线轴承6与导轨5过盈配合，直线轴承6内设置有可以往复滑动的敲击件，敲击件包括敲击头8以及与敲击头8相连的敲击套筒7，敲击套筒7内设置有副圆柱形永磁体9，副圆柱形永磁体的两端分别设置有缓冲垫10。所述圆筒4内设置有两个轴承架24，轴承架24上设置有用于支撑传动轴19的深沟球轴承25。
所述发声外壳2为四块不同厚度不同材料的板材首尾相接形成的两侧开口的立方体形或长方体形，发声外壳2的一侧开口上焊接有前挡板1，另一侧开口上焊接有后挡板12。所述水声换能器还包括发声管26，发声管为四个不同材料、不同内径与外径的圆柱形空心管，圆柱形空心管分别固定在发声外壳内的发声管固定架27上，发声管固定架27焊接在前挡板1上。所述每块板材和每个发声管的前10阶固有频率分布在低频段的不同频率段内。所述发声外壳2内设置有前连接件3以及后连接件11，圆筒4的一侧开口与前连接件3通过螺栓相连，另一侧开口与后连接件11通过螺栓相连，前连接件3与设置于前挡板1上的定位环1a相连，后挡板12上设置有支撑板18，支撑板18与后挡板12通过螺栓相连，支撑板18上开设有限位通孔18a，后连接件11卡于限位通孔18a内。
所述后挡板12上设置有后盖13，后挡板12与后盖13以法兰的形式连接，后盖13与后挡板12的连接处设置有O形橡胶密封圈17，传动轴19套设于后盖13上，后盖13与传动轴19的连接处设置有高低唇Y形橡胶密封圈16，后盖13上设置有防止高低唇Y形橡胶密封圈16轴向运动的压盖15。
所述敲击装置为8个，其中4个敲击装置的敲击头与四块板材分别相对设置，余下4个敲击装置的敲击头与四个发声管分别相对设置，敲击头同时敲击四块板材或同时敲击四个发声管。
本发明的工作原理如下：
该水声换能器直接利用叶轮等装置获得水流的旋转机械能来驱动传动轴旋转，通过永磁体的磁极作用力传动，使敲击件间歇性敲击发声管或发声外壳壁面进而发声；磁极作用力传动是指该水声换能器利用副圆柱形永磁体和主圆柱形永磁体之间同极相斥、异极相吸的原理，通过不断改变圆筒内主圆柱形永磁体的磁极，来控制圆筒外副圆柱形永磁体做往复运动，副圆柱形永磁体带动敲击头不断敲击发声管或发声外壳壁面进而发声。
副圆柱形永磁体与主圆柱形永磁体的作用过程为：用于敲击板材的敲击件中副圆柱形永磁体靠近圆筒侧为S极，与之对应的主圆柱形永磁体磁极为N极，在吸引力作用下敲击件处于导轨底部，与此同时，用于敲击发声管的敲击件中副圆柱形永磁体靠近圆筒侧为S极，与之对应的主圆柱形永磁体磁极为S极，在排斥力作用下敲击件被推动敲击发声管进行发声。随着磁体套的转动，用于敲击板材的敲击件所对应的主圆柱形永磁体的磁极由N极变为S极，在排斥力的作用下敲击件被推动敲击发声外壳进行发声，与此同时，用于敲击发声管的敲击件所对应的主圆柱形永磁体的磁极由S极变为N极，在吸引力作用下敲击件处于导轨底部。再随着磁体套的转动，重复上述过程，如此循环，敲击件往复运动间歇性敲击发声管和发声外壳进行发声；该水声换能器能量损失小，摩擦小，海流能利用率高，原理新颖，制造容易，结构紧凑，密封可靠，刚度大，强度高，承压能力强，寿命长。
实施例
参照图1所示，一种基于永磁体传动的敲击式低频水声换能器，包括驱动装置、固定装置、发声装置、敲击装置和密封装置。驱动装置主要由传动轴19、磁体套21、主圆柱形永磁体22、紧固螺母20和叶轮14等组成。周向均匀阵列的8个主圆柱形永磁体通过环氧树脂胶固定在磁体套表面，任意相邻的两个主圆柱形永磁体之间磁极相反，这样传动轴转一周，主圆柱形永磁体磁极可以变换8次，磁体套与传动轴通过螺纹连接，并且用紧固螺母锁死，传动轴与叶轮通过螺栓连接。固定装置由圆筒4、前连接件3、后连接件11、前挡板1、后挡板12、轴承架24、深沟球轴承25、支撑板和发声外壳2等组成。传动轴通过深沟球轴承与轴承架连接，轴承架通过螺栓与圆筒连接，前连接件3和后连接件11通过螺栓连接在圆筒两端，前连接件与前挡板上的定位环1a连接，后连接件与支撑板18上的限位通孔18a连接，定位环1a和限位通孔18a共同作用限制了组合部件（前连接件3、圆筒4、后连接件11）的轴向移动，后连接件通过螺栓与支撑板连接，限制了组合部件（前连接件3、圆筒4、后连接件11）的径向转动，支撑板再通过螺栓与后挡板12连接，前挡板与后挡板通过焊接与发声外壳连接。敲击装置主要由导轨5、直线轴承6、敲击套筒7、敲击头8、副圆柱形永磁体9、缓冲垫10和橡胶垫23等组成。导轨通过焊接与圆筒外壁连接，直线轴承6与导轨过盈配合，敲击头通过螺纹与敲击套筒连接并放置于直线轴承内，在敲击头与敲击套筒组成的空间内装入副圆柱形永磁体，在副圆柱形永磁体上下放入缓冲垫组成敲击件，在导轨底部放置橡胶垫。缓冲垫和橡胶垫均是用于减震缓冲，因为永磁体材料较脆、易碎。发声装置由发声外壳2和发声管26组成，发声外壳的4块板材有着不同的材质和厚度，4个发声管为不同材质、不同内径与外径的圆柱形空心管，4块板材和4个发声管的前10阶固有频率分布在低频段的不同频率段内。驱动装置使敲击件做往复运动，敲击件间歇性敲击发声管26和发声外壳2从而实现发声，4个发声管和4块板材交替发声，声音响度更大，频带更宽。密封装置主要由后盖13、O形橡胶密封圈17、高低唇Y形橡胶密封圈16和压盖15等组成。后盖13与后挡板12之间通过O形橡胶密封圈17进行密封，后挡板上设计密封圈安装槽12a，密封圈安装槽的位置、宽度、深度与O形橡胶密封圈17相配合。传动轴与后盖之间有旋转运动，采用高低唇Y形橡胶密封圈16和压盖15进行动密封，高低唇Y形橡胶密封圈的右侧通过压盖进行轴向固定，压盖上设置的传动轴通孔的直径比传动轴的直径大1～3mm，保证传动轴与传动轴通孔不发生摩擦干涉，压盖通过螺纹与后盖连接。
参照图2和图3所示，上述基于永磁体传动的敲击式低频水声换能器的发声原理是利用副圆柱形永磁体和主圆柱形永磁体之间同极相斥、异极相吸，海流带动叶轮旋转，叶轮带动传动轴和磁体套转动，与副圆柱形永磁体对应的主圆柱形永磁体不断改变着磁极，副圆柱形永磁体受到主圆柱形永磁体的周期性吸引力和排斥力，副圆柱形永磁体便会往复运动，从而推动敲击头敲击发声管和发声外壳进而发声。图2和图3为整个敲击发声原理过程。图2中，用于敲击板材的敲击件中副圆柱形永磁体靠近圆筒侧为S极，与之对应的主圆柱形永磁体磁极为N极，不同的磁极产生吸引力，敲击头、敲击套筒和副圆柱形永磁体组成的敲击件处于导轨底部，与此同时，用于敲击发声管的敲击件中副圆柱形永磁体靠近圆筒侧为S极，与之对应的主圆柱形永磁体磁极为S极，在排斥力作用下敲击件被推动敲击发声管进行发声。图3中，当传动轴转动1/8圈时，用于敲击板材的敲击件所对应的主圆柱形永磁体的磁极由N极变为S极，相同的磁极产生排斥力，在排斥力的作用下敲击件被推动，敲击发声外壳进行发声，与此同时，用于敲击发声管的敲击件所对应的主圆柱形永磁体的磁极由S极变为N极，在吸引力作用下敲击件处于导轨底部。如此循环，敲击件往复运动间歇性敲击发声管和发声外壳进行发声。4个发声管同时发声，四块板材也同时发声，发声管与板材交替发声。由于导轨内有直线轴承，大大减小了敲击件做往复运动时与导轨之间的摩擦力，而磁体套的旋转与圆筒是非接触的，无摩擦力，传动轴与轴承架之间通过深沟球轴承作用，摩擦力也很小，所以整个装置在运转过程中只有很小的摩擦损耗，海流能利用率很高。
为了解释密封式结构相对于开放式结构的优势，用sysnoise声学仿真软件进行了仿真模拟。开放式发声体直接置于海流中，发声体四周被海流包围，用边长为0.2m、厚度为2mm的不锈钢板来模拟开放式发声体，如图4（a）所示；密封式发声体***被海水包围，而内部是空气，用6块边长为0.2m、厚度为2mm的不锈钢板拼接的不锈钢盒子来模拟密封式发声体，如图4（b）所示。
建立结构模型后，在开放式结构（不锈钢板）中心和密封式结构（不锈钢盒子）的敲击力作用面中心施加100N、10Hz的敲击力，保证边界条件一致。在sysnoise仿真过程中，对于开放式结构的仿真，采用间接边界元模型，定义流体的材料属性为水，定义跳动量为零的声压边界条件；对于密封式结构的仿真，采用直接边界元内外耦合模型，定义内部流体的材料属性为空气，外部流体的材料属性为水，建立Fluid-Fluid的连接耦合关系。计算完成后再定义球场点，开放式发声体和密封式发声体的声场压力分布如图5所示。
经过计算，可以得到距离敲击面不同距离处的声压值，距离敲击面越近，声场声压值越大，距离敲击面越远，声场声压值越小。距离敲击面0.1m-1m时声场压力最大值的变化，参见图6。同时，可以发现：在同样敲击力的作用下，密封式结构的声压要大于开放式结构的声压，并且距离敲击面越远，二者之间的差距越大。所以，在同等条件下，相对于开放式发声结构来说，密封式结构的发声响度更大，并且远场的发声性能更优。
Claims (10)
1.一种基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器，其特征在于：该水声换能器包括封闭的发声外壳（2）、敲击装置以及通过磁力与敲击装置配合的海流能驱动装置。
2.根据权利要求1所述一种基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器，其特征在于：所述海流能驱动装置包括传动轴（19）、设置于发声外壳（2）内的磁体套（21）以及设置于发声外壳（2）一侧的叶轮（14），传动轴（19）的一端与叶轮（14）相连，另一端与磁体套（21）相连，磁体套（21）上设置有若干块沿传动轴（19）圆周排布的主圆柱形永磁体（22），相邻主圆柱形永磁体的磁极相反。
3.根据权利要求2所述一种基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器，其特征在于：所述发声外壳（2）内设置有圆筒（4），磁体套（21）设置于圆筒（4）内，敲击装置包括设置于圆筒（4）外壁圆周上的导轨（5）以及设置于导轨内的直线轴承（6），直线轴承（6）与导轨（5）过盈配合，直线轴承（6）内设置有可以往复滑动的敲击件，敲击件包括敲击头（8）以及与敲击头（8）相连的敲击套筒（7），敲击套筒（7）内设置有副圆柱形永磁体，副圆柱形永磁体的两端分别设置有缓冲垫（10）。
4.根据权利要求3所述一种基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器，其特征在于：所述圆筒（4）内设置有轴承架（24），轴承架（24）上设置有用于支撑传动轴（19）的深沟球轴承（25）。
5.根据权利要求3所述一种基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器，其特征在于：所述发声外壳（2）为四块板材首尾相接形成的两侧开口的立方体形或长方体形，发声外壳（2）的一侧开口上焊接有前挡板（1），另一侧开口上焊接有后挡板（12）。
6.根据权利要求5所述一种基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器，其特征在于：所述水声换能器还包括发声管（26），发声管为四个不同材料、不同内径与外径的圆柱形空心管，圆柱形空心管分别固定在发声外壳内的发声管固定架（27）上，发声管固定架（27）焊接在前挡板（1）上。
7.根据权利要求6所述一种基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器，其特征在于：所述板材和发声管（26）的前10阶固有频率分布在低频段的不同频率段内。
8.根据权利要求6所述一种基于永磁体传动的敲击式低频水声换能器，其特征在于：所述敲击装置为8个，其中4个敲击装置的敲击头与四块板材分别相对设置，余下4个敲击装置的敲击头与四个发声管分别相对设置，敲击头同时敲击四块板材或同时敲击四个发声管。
9.根据权利要求5所述一种基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器，其特征在于：所述发声外壳（2）内设置有前连接件（3）以及后连接件（11），圆筒（4）的一侧开口与前连接件（3）相连，另一侧开口与后连接件（11）相连，前连接件（3）与设置于前挡板（1）上的定位环（1a）相连，后挡板（12）上设置有支撑板（18），支撑板（18）上开设有限位通孔（18a），后连接件（11）卡于限位通孔（18a）内。
10.根据权利要求9所述一种基于海流能驱动的敲击式低频水声换能器，其特征在于：所述后挡板（12）上设置有后盖（13），后盖（13）与后挡板（12）的连接处设置有O形橡胶密封圈（17），传动轴（19）套设于后盖（13）上，后盖（13）与传动轴（19）的连接处设置有高低唇Y形橡胶密封圈（16），后盖（13）上设置有防止高低唇Y形橡胶密封圈（16）轴向运动的压盖（15）。
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