專利名稱：碟型發(fā)射換能器的制作方法
技本領(lǐng)域本發(fā)明屬于水聲換能器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種碟型發(fā)射換能器。該換能器可以應(yīng)用于低頻主動聲吶(LFAS)、遠程水聲通信、海底聲層析成像以及海洋資源勘探開發(fā)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
21世紀是海洋的世紀。聲波是唯一能夠在海洋中遠距離傳播的信息載體。在軍事領(lǐng)域，聲學方法是水下目標探測、定位、識別、導(dǎo)航、通信的主要手段；在民用領(lǐng)域，聲學方法對于海上石油、天然氣資源勘探以及海底地層成像，更是具有舉足輕重的地位。
隨著目標隱身技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的被動聲吶正在失去優(yōu)勢地位，低頻主動聲納(LFAS)日益成為隱身目標探測與識別的主要手段，而低頻大功率發(fā)射換能器則是低頻主動聲納的關(guān)鍵技術(shù)之一。發(fā)射換能器在主動聲納設(shè)備中負責將電磁振蕩能轉(zhuǎn)換成機械振動能，從而推動水介質(zhì)進行振動，向水中輻射聲能。為了提高對隱身潛艇的遠程探測能力，必須大幅度降低換能器的工作頻率，提高發(fā)射聲功率。
在水聲領(lǐng)域的各種應(yīng)用中，單個發(fā)射換能器常常不能滿足指向性、發(fā)射聲功率以及信息處理等多方面的要求，往往必須由換能器陣元組成各種基陣完成各種任務(wù)。這些基陣通常以固定在艇上或者拖曳的方式工作，因此受到安裝平臺的嚴重限制，為了布陣和安裝方便，必須大幅度減小低頻大功率發(fā)射換能器陣元的體積和重量。
因此，低頻、大功率、小尺寸、高效率的發(fā)射換能器是各種水聲應(yīng)用提出必然要求，是亟待解決的科學技術(shù)問題。
低頻大功率換能器設(shè)計的主要困難是一、為了提高發(fā)射效率和發(fā)射功率，換能器必須工作在共振狀態(tài)，而經(jīng)典的縱振模式換能器尺寸通常與波長成正比，因此越低的工作頻率，也就意味著越龐大的換能器尺寸，同時意味著巨大的重量和成本，以及制造和布設(shè)的難度；二、低頻換能器的輻射功率與頻率及輻射面積平方成正比，意味著頻率降低或面積減小10倍，輻射功率將減小100倍，因此，如果在減小尺寸的同時，保持或增加低頻時換能器的輻射功率，需要更大的體積速度，即更大的驅(qū)動功率來補償，而這往往是不可實現(xiàn)的。
因此，降低工作頻率與減小尺寸是一對矛盾，增大輻射功率與減小尺寸也是一對矛盾。而且，降低頻率與增大輻射功率同樣是一對矛盾。
目前解決以上問題的主要方法有一是結(jié)構(gòu)上采用彎曲振動模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的漲縮振動模式，降低共振頻率，相應(yīng)的代表是I型、II型、III型、IV型、V型彎張換能器，其中以IV型、V型彎張換能器最為常用，環(huán)狀換能器也曾經(jīng)一度使用過，但效率較低；二是應(yīng)用具有更大順性和伸縮系數(shù)的材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓電陶瓷材料，提高效率和振動位移，典型的代表是超磁致伸縮材料、弛豫鐵電單晶材料與壓電復(fù)合材料。
參考圖1，IV型彎張換能器的殼體12為一凸卵圓、扁平卵圓或橢圓管，也可做成凹形(凹形也稱VI I型彎張)。壓電陶瓷晶片堆11沿橢圓管的長軸緊密安裝于殼體內(nèi)部，當激勵它作伸縮振動時，驅(qū)動橢圓管作彎曲振動。短軸方向的位移被放大，通常為長軸方向的二至四倍。橢圓管在兩端被密封形成腔體。這類換能器通過螺桿或裝配時預(yù)先使橢圓管變形，給晶片堆施加預(yù)應(yīng)力(壓力)，以滿足在最大深度滿功率工作時偏置應(yīng)力的需要。IV型彎張換能器的缺點是輻射面上有節(jié)線，部分輻射聲能被抵消，單根壓電陶瓷堆(或稀土棒)驅(qū)動，空間利用率不高，功率容量有限；V型彎張換能器一般被稱為蛤殼換能器(如圖2所示)，應(yīng)用一個陶瓷環(huán)作為驅(qū)動器，也稱圓環(huán)-殼型彎張換能器，V型彎張換能器由兩個對稱的球殼22緊夾住一個壓電陶瓷驅(qū)動圓環(huán)21組成，球殼也可做成凹面形的(凹形也稱VI型彎張)。很大尺寸的驅(qū)動環(huán)可以由做成矩形的壓電陶瓷條和金屬鍥形條拼鑲而成。驅(qū)動環(huán)作徑向振動時，推動球殼作彎曲振動。V型彎張換能器的缺點是大尺寸的驅(qū)動環(huán)不易加工，環(huán)狀驅(qū)動器的空間利用率不高，功率容量有限，而且V型彎張換能器利用壓電材料的d31參數(shù)，不如利用d33參數(shù)的發(fā)射電壓響應(yīng)高；月牙型(Moonie)彎張換能器(見圖3)和鈸式(Cymbal)換能器(見圖4)是兩種小型V型換能器。月牙型彎張換能器具有月牙型外殼32，利用單片壓電驅(qū)動元件31的徑向振動來激勵殼體的彎張振動模式。與V型彎張換能器相比，它的體積和重量均很小，壓電驅(qū)動單元是壓電陶瓷片而不是壓電陶瓷環(huán)，而且粘結(jié)的部位略有不同。Cymbal換能器是Moonie的改進型，具有鈸式形狀的金屬殼42，殼的厚度比Moonie彎張換能器的厚度小得多，這樣的設(shè)計減小了集中在換能器的粘接邊緣的應(yīng)力，大大提高了將壓電陶瓷片41的徑向振動耦合為金屬殼的軸向振動位移的效率。Moonie與Cymbal換能器均由單片壓電陶瓷或單晶材料驅(qū)動，功率容量較小，一般用作水聽器。也有將多個鈸式換能器組合起來，提高輻射功率，或者組合起來作驅(qū)動器，驅(qū)動一塊金屬板用作發(fā)射使用，但功率容量仍很低。
環(huán)狀換能器(Ring transducer)(如圖5所示)，由一些長度振子按照“星”形插入圓環(huán)內(nèi)作為驅(qū)動器，以外部的圓環(huán)作為輻射面。每個長度振子由多片壓電陶瓷51和尾質(zhì)量52組成。有兩個主要的諧振頻率可以應(yīng)用，一是圓環(huán)自身的諧振頻率(圓環(huán)的呼吸模態(tài))稍低的諧振頻率，二是每個長度振子的諧振頻率(類似Tonpilz換能器的縱振動模態(tài))稍高的諧振頻率。環(huán)狀換能器的缺點是工作頻率無法做到很低，圓環(huán)面輻射效率也很低，而且輻射面與驅(qū)動器平面垂直，沒有很好地利用空間，體積較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了縱振模式換能器(包括環(huán)狀換能器)的低頻尺寸大、效率低以及V型彎張換能器的功率容量不夠大、空間利用率不高、制作工藝難度較大的缺點，提出一種碟型發(fā)射換能器，該碟型發(fā)射換能器具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、頻率低、功率容量超大、發(fā)射效率以及發(fā)送電壓響應(yīng)高的特點，且制作工藝較簡單。
本發(fā)明的上述目的是通過如下的技術(shù)方案予以實現(xiàn)的一種碟型發(fā)射換能器，包括一個星形組合驅(qū)動器和兩個碟形外殼，星形組合驅(qū)動器是由中心支撐塊、環(huán)形連接件和不少于三個的驅(qū)動臂組成，每個驅(qū)動臂設(shè)有電極引線，驅(qū)動臂的一端與中心支撐塊連接，驅(qū)動臂的另一端與環(huán)形連接件連接，兩個外殼正扣或反扣分別固定在星形組合驅(qū)動器的環(huán)形連接件上，形成中凹或中凸的圓碟外形。通過驅(qū)動臂的縱向振動推動環(huán)形連接件做徑向振動，從而激勵兩個外殼的彎張振動模態(tài)，向媒質(zhì)輻射聲波。
兩個外殼可為平頂錐殼形或球冠形，外殼可用環(huán)氧樹脂澆粘連接在環(huán)形連接件上，并由貫穿兩個外殼外緣的多個螺栓相互固定。
驅(qū)動臂可由多片環(huán)形壓電片疊壓制成，并設(shè)有電極片引出電極引線；驅(qū)動臂也可由超磁致伸縮棒制成，超磁致伸縮棒周圍由導(dǎo)線繞成線圈。
環(huán)形連接件可由與驅(qū)動臂數(shù)目相同的過渡塊拼接而成，過渡塊和驅(qū)動臂通過貫穿的螺栓固定在中心支撐塊上，用于施加預(yù)應(yīng)力。中心支撐塊可以是等邊多邊形、圓形或環(huán)形。
過渡塊的水平剖面可為喇叭形。
外殼固定在星形組合驅(qū)動器的環(huán)形連接件上，使星形組合驅(qū)動器內(nèi)形成一封閉的空間，在該空間內(nèi)可填充油性液體、順性或阻尼材料，在兩個外殼上可設(shè)有小孔或毛細管，用于提供壓力平衡，或擴展帶寬。
在環(huán)形連接件的外側(cè)，位于兩個外殼之間可設(shè)有密封圈。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明的關(guān)鍵是由星形組合驅(qū)動器產(chǎn)生的縱向振動提供環(huán)形連接件的徑向振動，利用環(huán)形連接件與外殼之間的固定連接，激勵外殼的彎曲振動，由外殼向媒質(zhì)中輻射聲波。本發(fā)明帶來的技術(shù)效果主要有(1)本發(fā)明利用的是兩個外殼的彎曲振動模態(tài)，由外殼向媒質(zhì)輻射聲波，從而在更小尺寸外殼上實現(xiàn)低頻輻射，與復(fù)合棒換能器或和環(huán)狀換能器相比，同體積的換能器具有更低的頻率、更大的輻射面積和更高輻射效率，因而具有更高的發(fā)射響應(yīng)；而且輻射面與驅(qū)動器平面平行，提高了空間利用率；(2)本發(fā)明的換能器采用外殼結(jié)構(gòu)在一階模態(tài)振動時輻射面沒有節(jié)線，而且輻射面與驅(qū)動器位移放大比很大，相對于IV型彎張換能器，具有更高的輻射效率；(3)本發(fā)明的驅(qū)動器利用壓電材料的d33系數(shù)工作，比起V型彎張換能器(或月牙型或鈸式換能器)利用壓電材料的d31系數(shù)而言，有更高的發(fā)射響應(yīng)；(4)本發(fā)明采用的星形組合驅(qū)動器的驅(qū)動臂數(shù)目可以隨尺寸調(diào)整，而且可以盡可能增加壓電片的數(shù)量，增加驅(qū)動材料的總體積，與IV型彎張換能器采用單根驅(qū)動棒或V型彎張換能器采用驅(qū)動圓環(huán)相比，可以提供更大的功率容量，更充分利用空間，具有更緊湊的結(jié)構(gòu)和更小的體積，并具有更高的效率和發(fā)射電壓響應(yīng)；(5)本發(fā)明采用貫穿螺栓對驅(qū)動臂施加預(yù)應(yīng)力，相對IV型或V型彎張換能器，更方便操作；而且本發(fā)明兩個外殼采用螺栓相互固定，可以施加換能器厚度方向的預(yù)應(yīng)力，從而更加適應(yīng)深水工作，這是IV型或V型彎張換能器所不具備的；(6)本發(fā)明的外殼和星形組合驅(qū)動器構(gòu)成一個內(nèi)部完全封閉的碟狀體，只需沿圓周灌注密封膠即可防水，相對IV型彎張換能器，防水和密封十分簡單，性能更好；(7)本發(fā)明在換能器內(nèi)部空腔部分灌注油性液體，并通過外殼上的微孔即可實現(xiàn)壓力平衡，從而適應(yīng)超大深水工作；(8)本發(fā)明在換能器內(nèi)部填充順性或阻尼材料，即可有效擴展換能器的工作帶寬；(9)本發(fā)明的換能器相對于IV型或V型彎張換能器，在同頻率、同功率要求下，具有更緊湊結(jié)構(gòu)，更小尺寸，更輕重量，尤其適合于布陣需要；(10)本發(fā)明采用對稱結(jié)構(gòu)，部件可以標準化，因而制備工藝簡單。


下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做出詳細描述。
圖1為IV型彎張換能器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為V型彎張換能器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為月牙型(Moonie)彎張換能器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為鈸式(Cymbal)彎張換能器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為環(huán)形換能器結(jié)構(gòu)示意圖；圖6a為本發(fā)明中凸圓碟外形換能器的中心剖面示意圖；
圖6b為本發(fā)明中凹圓碟外形換能器的中心剖面示意圖；圖7為本發(fā)明換能器的一種8臂星形組合驅(qū)動器示意圖；圖8為本發(fā)明換能器整體外形俯視示意圖。
具體實施例方式
參考圖6、圖7、圖8，本發(fā)明實現(xiàn)一個具有圓碟外形的低頻、小尺寸、高發(fā)射電壓響應(yīng)的大功率發(fā)射換能器。該換能器包括由中心支撐塊1、N個(N≥3)縱振模式的驅(qū)動臂2以及環(huán)狀連接件3組成星形組合驅(qū)動器和兩個平頂錐殼形或球冠形外殼4，環(huán)形連接件3與兩個外殼4用膠或用螺栓緊密固定連接，利用星形組合驅(qū)動器的環(huán)狀連接件徑向振動，驅(qū)動外殼，激勵外殼的彎曲振動模態(tài)；以外殼為輻射面向介質(zhì)中輻射聲波。
實現(xiàn)本發(fā)明發(fā)射換能器的具體工藝過程為(1)以一定厚度的N(N≥3)邊多邊形金屬或硬度很大的非金屬材料制作成中心支撐塊1；(2)由多片壓電陶瓷環(huán)疊成陶瓷堆形成N個驅(qū)動臂2，在陶瓷堆中間插入電極片，從電極片上引出電極引線；(3)用金屬或者其它高強度彈性材料制成N個喇叭型過渡塊，拼接過渡塊形成環(huán)形連接件3；(4)通過貫穿過渡塊、壓電陶瓷堆的高強度螺栓5，與支撐塊相連，并施加預(yù)應(yīng)力，在陶瓷堆兩端，可加入一定厚度的金屬片，提供保護；(5)由中心支撐塊、N個驅(qū)動臂以及N個喇叭型過渡塊組合一起，構(gòu)成星形組合驅(qū)動器；(6)電極電纜線9由環(huán)狀驅(qū)動器側(cè)面引出；(7)將兩個金屬或高強度復(fù)合材料制成的平頂錐殼形或球冠形外殼4，用環(huán)氧樹脂澆粘接在環(huán)形連接件3上，外殼的外緣用螺栓6緊密固定；兩個外殼可以正扣在環(huán)形連接件3上，(如圖6a所示)，兩個外殼可以反扣在在環(huán)形連接件3上，(如圖6b所示)。
(8)在環(huán)形連接件外側(cè)灌密封膠形成密封圈7，將整個換能器封裝起來。
(9)為了適應(yīng)超大深水工作，實現(xiàn)壓力平衡，或者擴展帶寬，可以在在本發(fā)明換能器的外殼之間空腔內(nèi)填充油性液體、順性或阻尼材料等填充物8，并外殼上設(shè)置孔洞或毛細管。
綜上所述，本發(fā)明公開了一種碟型發(fā)射換能器及其實現(xiàn)方法。上面描述的應(yīng)用場景和實施例，并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的更動和潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍視權(quán)利要求范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種碟型發(fā)射換能器，包括一個星形組合驅(qū)動器和兩個碟形外殼，星形組合驅(qū)動器是由中心支撐塊、環(huán)形連接件和不少于三個的驅(qū)動臂組成，每個驅(qū)動臂設(shè)有電極引線，驅(qū)動臂的一端與中心支撐塊連接，驅(qū)動臂的另一端與環(huán)形連接件連接，兩個外殼分別正扣或反扣固定在星形組合驅(qū)動器的環(huán)形連接件上，形成中凹或中凸的圓碟外形。
2.如權(quán)利要求1所述的碟型發(fā)射換能器，其特征在于驅(qū)動臂由多片環(huán)形壓電片疊壓制成，并設(shè)有電極片，從電極片上引出電極引線。
3.如權(quán)利要求1所述的碟型發(fā)射換能器，其特征在于驅(qū)動臂由超磁致伸縮棒制成，超磁致伸縮棒周圍由導(dǎo)線纏繞成線圈，引出電極引線。
4.如權(quán)利要求1所述的碟形發(fā)射換能器，其特征在于兩個外殼為平頂錐殼形或球冠形，外殼用膠分別粘接在環(huán)形連接件上，并由貫穿外殼外緣的多個螺栓相互固定。
5.如權(quán)利要求1所述的碟型發(fā)射換能器，其特征在于環(huán)形連接件由與驅(qū)動臂數(shù)目相同的過渡塊拼接而成，過渡塊和驅(qū)動臂通過貫穿的螺栓固定在中心支撐塊上。
6.如權(quán)利要求5所述的碟型發(fā)射換能器，其特征在于過渡塊的水平剖面為喇叭形。。
7.如權(quán)利要求1所述的碟型發(fā)射換能器，其特征在于外殼固定在星形組合驅(qū)動器的環(huán)形連接件上，使星形組合驅(qū)動器與外殼之間形成一封閉的空間，在該空間內(nèi)填充油性液體、順性或阻尼材料。
8.如權(quán)利要求1所述的碟型發(fā)射換能器，其特征在于外殼用螺栓固定在環(huán)形連接件上。
9.如權(quán)利要求4、5或7所述的碟型發(fā)射換能器，其特征在于在環(huán)形連接件的外側(cè)，位于兩個外殼之間設(shè)有密封圈。
10.如權(quán)利要求1或7所述的碟型形發(fā)射換能器，其特征在于在兩個外殼上設(shè)有孔。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種碟型發(fā)射換能器，屬于水聲換能器技術(shù)領(lǐng)域。該換能器包括一個由中心支撐塊、多個縱振模式的驅(qū)動臂以及環(huán)狀連接件組成的星形組合驅(qū)動器和兩個碟形外殼。星形組合驅(qū)動器的環(huán)狀連接件與兩個外殼緊密固定連接。利用驅(qū)動臂縱振模式產(chǎn)生環(huán)狀連接件的徑向振動，驅(qū)動碟形外殼，激勵外殼的彎曲振動模態(tài)，并以外殼為輻射面向介質(zhì)中輻射聲波。本發(fā)明換能器可以應(yīng)用于低頻主動聲吶(LFAS)、遠程水聲通信、海底聲層析成像以及海洋資源勘探開發(fā)等領(lǐng)域。
文檔編號G10K9/128GK101093667SQ200610090118
公開日2007年12月26日 申請日期2006年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月23日
發(fā)明者李朝暉, 黃愛根, 欒桂冬, 張金鐸 申請人:北京大學