多液腔低頻寬帶水聲換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種多液腔低頻寬帶水聲換能器。包括一個由有源驅(qū)動器、通過預(yù)應(yīng)力螺栓安裝于有源驅(qū)動器兩端的兩個喇叭形輻射頭組成的Janus型復(fù)合棒換能器，還包括兩個圓柱殼體，兩個圓柱殼體分別罩在兩個喇叭形輻射頭外，圓柱殼體和Janus型復(fù)合棒換能器的中間部分構(gòu)成內(nèi)部Helmholtz腔體，圓柱殼體和Janus型復(fù)合棒換能器的外側(cè)構(gòu)成對稱的兩個外部Helmholtz腔體。本發(fā)明利用Helmholtz共振腔低頻液腔諧振與Janus換能器縱向諧振形成寬帶發(fā)射效果，使換能器兼具低頻、小體積、寬帶、大功率、深水工作等特點，可應(yīng)用于低頻主動聲納、遠(yuǎn)程水聲通信、低頻水聲實驗、海洋聲層析、海底地質(zhì)地貌勘探等領(lǐng)域。
【專利說明】多液腔低頻寬帶水聲換能器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種水聲換能器，具體地說是一種具有多個液腔的水聲換能器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]聲波是人類迄今為止已知的唯一能在海水中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰枯d體。聲學(xué)方法是探索海洋、開發(fā)海洋、進(jìn)行水中對抗的主要手段。水下目標(biāo)探測、定位、識別、導(dǎo)航、通信，海上油氣資源勘探、海底地質(zhì)地貌成像、海域水文條件研究與測量，聲波及聲波發(fā)生器即水聲換能器都扮演著舉足輕重的角色。
[0003]在水聲換能器應(yīng)用領(lǐng)域中，單只發(fā)射換能器往往不能滿足指向性、發(fā)射聲功率及信息處理等多方面的要求，往往需要由多只換能器組成各種形狀的基陣完成任務(wù)。這些基陣通常固定在船舶上或者以拖曳的方式工作，因此受到了安裝平臺的限制。為了布陣和安裝方便，必須大幅度減小發(fā)射換能器基元的體積和重量。
[0004]然而水聲換能器在小尺寸和低頻、大功率發(fā)射之間存在理論上的矛盾。例如,為了提高發(fā)射效率和輻射功率，換能器通常工作在諧振狀態(tài)，而經(jīng)典的縱振式換能器尺寸與輻射聲波的波長成正比，即工作頻率越低意味著換能器的尺寸越大，體積重量也越大。另外，低頻換能器的輻射聲功率與頻率、輻射面積的平方成正比，這就意味著輻射頻率或者輻射面積降低10倍，輻射聲功率將降低100倍。因此，在降低頻率的同時，保持換能器的輻射聲功率不變或增大，必須大幅度增大輻射面的振速，以獲取足夠的體積速度，而由于驅(qū)動模塊的功率和換能器自身機(jī)械強(qiáng)度的限制，往往難以通過大幅度提高輻射面振速實現(xiàn)低頻大功率發(fā)射。
[0005]因此降低工作頻率與實現(xiàn)小尺寸是一對矛盾；增大輻射聲功率與降低頻率也是一對矛盾。
[0006]目前解決上述矛盾的主要方法有以下幾種:
[0007]—是采用彎曲振動模態(tài)取代傳統(tǒng)的縱振動模態(tài)，以降低結(jié)構(gòu)的諧振頻率。比較典型的代表是7種類型的彎張換能器，其中又以IV型彎張換能器最為常見。另外也有使用電動(磁)式這種非諧振式換能器，實現(xiàn)超低頻寬帶發(fā)射。但是這種換能器輻射的聲功率小，電聲轉(zhuǎn)換效率低，大功率發(fā)射時對結(jié)構(gòu)設(shè)計和驅(qū)動器要求很高，且非線性效應(yīng)明顯。
[0008]二是采用新型換能材料取代傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料。目前嶄露頭角的新型換能材料有稀土超磁致伸縮材料如鋪鏑鐵磁致伸縮合金(Terfenol-D)及鐵鎵合金(Gafenol)、馳豫鐵電單晶材料如鈮鎂酸鉛鈦酸鉛(PMN-PT)及鈮鋅酸鉛鈦酸鉛(PZN-PT)等，這些材料具有更大的柔順性、更大的應(yīng)變能力和高機(jī)電耦合系數(shù)，很適合制作低頻大功率水聲換能器。
[0009]三是采用Helmholtz (亥納姆斯)結(jié)構(gòu)。Helmholtz共振腔是利用小體積獲取低頻、甚低頻振動的主要途徑之一。在水中，Helmholtz腔充水便形成了液腔。這種類型的換能器工作深度不受結(jié)構(gòu)限制，液腔諧振處機(jī)電耦合系數(shù)高，可輻射較大的聲功率。缺點是Q值較高，液腔諧振的帶寬窄，不利于形成水聲通信等領(lǐng)域要求的寬帶發(fā)射。然而若能利用液腔諧振與其他結(jié)構(gòu)振動模態(tài)耦合，同時針對腔體的形狀、尺寸、邊界條件、流體附加阻抗等進(jìn)行優(yōu)化，則可望拓展換能器的工作頻帶，設(shè)計出小體積、低頻、寬帶、大功率、深水工作的水聲換能器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種兼具低頻、小體積、寬帶、大功率、深水工作等特點的多液腔低頻寬帶水聲換能器。
[0011]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:包括一個由有源驅(qū)動器、通過預(yù)應(yīng)力螺栓安裝于有源驅(qū)動器兩端的兩個喇叭形輻射頭組成的Janus (杰納斯)型復(fù)合棒換能器，還包括兩個圓柱殼體，兩個圓柱殼體分別罩在兩個喇機(jī)形福射頭外，圓柱殼體和Janus型復(fù)合棒換能器的中間部分構(gòu)成內(nèi)部Helmholtz腔體,為內(nèi)液腔,圓柱殼體和Janus型復(fù)合棒換能器的外側(cè)構(gòu)成對稱的兩個外部Helmholtz腔體,為外液腔。
[0012]本發(fā)明還可以包括: [0013]1、所述有源驅(qū)動器包括兩個，所述預(yù)應(yīng)力螺栓也有兩支，還包括中間質(zhì)量塊，中間質(zhì)量塊為圓柱形、中心設(shè)有螺紋通孔，兩個預(yù)應(yīng)力螺栓的末端螺紋擰緊于螺紋通孔中，兩個有源驅(qū)動器和兩個喇叭形輻射頭通過兩個預(yù)應(yīng)力螺栓安裝在中間質(zhì)量塊的兩側(cè)。
[0014]2、中間質(zhì)量塊上面設(shè)置徑向螺紋孔，支撐桿的一端安裝在徑向螺紋孔中，兩個圓柱殼體直接連接有支撐橫梁，支撐桿的另一端與支撐橫梁連接。
[0015]3、所述有源驅(qū)動器為壓電晶堆，壓電晶堆由n片壓電陶瓷圓片粘接而成，n為≥2的偶數(shù)，壓電陶瓷圓片沿厚度方向極化，每兩片陶瓷圓片之間設(shè)有電極片。
[0016]4、所述有源驅(qū)動器為稀土超磁致伸縮材料制成的圓棒，圓棒外圍纏繞一組激勵線圈，激勵線圈封閉在高磁導(dǎo)率材料制成的閉合磁路里。
[0017]本發(fā)明提供了一種Janus復(fù)合棒換能器和多個Helmholtz共振腔組合而成的水聲換能器。利用Helmholtz共振腔低頻液腔諧振與Janus換能器縱向諧振形成寬帶發(fā)射效果，使換能器兼具低頻、小體積、寬帶、大功率、深水工作等特點。
[0018]本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的復(fù)合棒換能器難以實現(xiàn)小尺寸低頻發(fā)射的缺點，同時利用了縱振模態(tài)機(jī)電耦合系數(shù)高，發(fā)射效率和輻射聲功率高的優(yōu)點。
[0019]本發(fā)明又克服了傳統(tǒng)的Helmholtz共振器發(fā)射響應(yīng)帶寬窄，不利于實現(xiàn)寬帶發(fā)射等缺點，同時利用了液腔諧振諧振頻率低、聲源級高等優(yōu)點。
[0020]本發(fā)明通過在Janus-Helmholtz水聲換能器兩端增加一對外液腔,利用該液腔產(chǎn)生高頻液腔諧振，拓展了 Janus-HeImhoItz水聲換能器工作頻帶的上限，稱之為多液腔Janus-Helmholtz 水聲換能器。
[0021]本發(fā)明可應(yīng)用于低頻主動聲納、遠(yuǎn)程水聲通信、低頻水聲實驗、海洋聲層析、海底地質(zhì)地貌勘探等領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明中多液腔Janus-Helmholtz水聲換能器拓展工作頻帶示意圖。
[0023]圖2是本發(fā)明中多液腔Janus-Helmholtz水聲換能器剖面視圖。
[0024]圖3是本發(fā)明中帶有殼體支撐裝置的多液腔Janus-Helmholtz水聲換能器示意圖。【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0026]結(jié)合圖2,本發(fā)明的第一種實施方式提供的多液腔Janus-Helmholtz水聲換能器，包括一個Janus型復(fù)合棒換能器、兩個圓柱殼體5 Janus型復(fù)合棒換能器由一個中間質(zhì)量塊1、兩個壓電晶堆2、兩個喇叭形輻射頭4及兩支預(yù)應(yīng)力螺栓3組成，每個晶堆由n片(n為^ 2的偶數(shù))壓電陶瓷圓片粘接而成。壓電陶瓷圓片沿厚度方向極化，每兩片陶瓷圓片之間可設(shè)有電極片。中間質(zhì)量塊1、壓電晶堆2和喇叭形輻射頭4按次序接在一起，通過預(yù)應(yīng)力螺栓3壓緊對壓電晶堆2施加預(yù)應(yīng)力。
[0027]本實施方式的結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，并在中間質(zhì)量塊I中心處，關(guān)于垂直于對稱軸的平面對稱；所述的中間質(zhì)量I塊居中，兩側(cè)依次為壓電晶堆2，喇叭形輻射頭4，喇叭形輻射頭4的最小外徑一側(cè)與壓電晶堆2的一側(cè)粘接，預(yù)應(yīng)力螺栓3由喇叭形輻射頭4的中心圓孔插入，貫穿壓電晶堆2，末端螺紋與中間質(zhì)量塊I的螺紋擰緊，組成了 Janus型復(fù)合棒換能器；喇機(jī)形福射頭4外罩上圓柱殼體5,圓柱殼體5和Janus型復(fù)合棒換能器的中間部分構(gòu)成內(nèi)部Helmholtz腔體,稱之為內(nèi)液腔,圓柱殼體5和Janus型復(fù)合棒換能器的外側(cè)構(gòu)成對稱的兩個外部Helmholtz腔體,稱之為外液腔。
[0028]本實施方式中的壓電晶堆2可以有兩個，對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力螺栓3也有兩支，每個晶堆由n片(n為> 2的偶數(shù))壓電陶瓷圓片粘接而成。壓電陶瓷圓片沿厚度方向極化，每相鄰的兩片壓電陶瓷圓片極化方向相反。陶瓷圓片間之間可設(shè)置電極片，壓電陶瓷圓片在電路上采用并聯(lián)連接。 [0029]本實施方式中的壓電晶堆2也可以只有一個。當(dāng)壓電晶堆2為一個時，則沒有中間質(zhì)量塊I。預(yù)應(yīng)力螺栓3只有一支，貫穿壓電晶堆2和喇叭形輻射頭4，一端在喇叭形輻射頭端面處由螺帽擰緊。
[0030]本實施方式中的壓電晶堆2也可由稀土超磁致伸縮材料制成的圓棒替代，同時該圓棒可以是一組，也可以是兩組。每組圓棒外圍纏繞一組激勵線圈，線圈封閉在純鐵等高磁導(dǎo)率材料制成的閉合磁路里。
[0031]結(jié)合圖3，本發(fā)明的另一種實施方式是在上一實施方式的基礎(chǔ)上，在中間質(zhì)量塊2上面設(shè)置徑向螺紋孔，還包括支撐桿7和支撐橫梁8，支撐桿7和支撐橫梁8可以為多組，數(shù)量及尺寸以保證支撐強(qiáng)度且不影響內(nèi)液腔輻射為宜，支撐桿的一端安裝在徑向螺紋孔中，兩個圓柱殼體直接連接有支撐橫梁，支撐桿的另一端與支撐橫梁連接。
[0032]上述的技術(shù)方案中，所述的喇叭形輻射頭4中心設(shè)有通孔，以便預(yù)應(yīng)力螺栓穿過，最小外徑端的外徑與壓電晶堆2的外徑相同。
[0033]結(jié)合圖1，本發(fā)明中的多液腔Janus-Helmholtz水聲換能器拓展工作頻帶示意圖。虛線所表示的為Janus-Helmholtz水聲換能器的頻響曲線,該曲線有內(nèi)液腔諧振和Janus換能器縱向諧振產(chǎn)生的兩個峰值；實線表示的為多液腔Janus-Helmholtz水聲換能器的頻響曲線，該曲線有內(nèi)液腔諧振、Janus換能器縱向諧振和外液腔諧振產(chǎn)生的三個峰值。根據(jù)三種振動產(chǎn)生的聲壓在聲軸上的相位關(guān)系，一般將外液腔諧振頻率設(shè)置在大于Janus換能器縱向諧振頻率的高頻段。
[0034]本發(fā)明的具體實現(xiàn)過程包括:[0035]中間質(zhì)量塊I由金屬材料加工成圓柱形，中心設(shè)置螺紋通孔，以便安裝預(yù)應(yīng)力螺栓3。為方便安裝圓柱殼體5的支撐裝置7、8，沿中間質(zhì)量塊I圓周方向可等間距設(shè)置徑向螺紋孔。
[0036]每個晶堆由n片(n為>2的偶數(shù))壓電陶瓷圓片粘接而成，每相鄰的兩片壓電陶瓷圓片極化方向相反，保證整個晶堆兩個端面的極化極性為負(fù)極。壓電陶瓷圓片間之間可設(shè)置電極片，壓電陶瓷片在電路上采用并聯(lián)連接。
[0037]喇叭形輻射頭4由輕質(zhì)金屬如鋁合金制成，最小外徑端的外徑與壓電晶堆2的外徑相同。
[0038]將中間質(zhì)量塊1、一個壓電晶堆2、一個喇叭形輻射頭4按次序設(shè)置，放入預(yù)應(yīng)力夾具中夾緊，穿入螺栓3擰緊制成復(fù)合棒換能器，然后松開夾具顛倒復(fù)合棒換能器方向，依次設(shè)置另一個壓電晶堆2和喇叭形輻射頭4，夾緊夾具，穿入另一只預(yù)應(yīng)力螺栓3擰緊，制成Janus型復(fù)合棒換能器。
[0039]將圓柱殼體5套在喇叭形輻射頭3外側(cè)，圓柱殼體5和Janus型復(fù)合棒換能器構(gòu)成了一個內(nèi)液腔、兩個外液腔，共3個Helmholtz腔。
[0040]在中間質(zhì)量塊I中處引出插拔式或螺紋式水下連接器，與傳輸電纜相連接。為實現(xiàn)水密，在兩個壓電晶堆2外圍包覆聚氨酯水密層，聚氨酯水密層也可用環(huán)氧樹脂層等其他密封材料代替。
[0041]換能器工作時，在壓電晶堆2上施加交變電場，壓電陶瓷圓片在交變電場的激勵下產(chǎn)生厚度方向的伸縮振動，體現(xiàn)在整個晶堆即是縱向伸縮振動，當(dāng)交變信號頻率達(dá)到Janus型復(fù)合棒換能器縱向諧振頻率時,水中的頻響曲線出現(xiàn)最大值。Janus型復(fù)合棒換能器做伸縮振動時，激發(fā)內(nèi)、外液腔內(nèi)的流體產(chǎn)生液腔振動，在內(nèi)、外液腔諧振頻率處，水中的頻響曲線分別出現(xiàn)最大值。
[0042]參考圖3，該水聲換能器實際應(yīng)用中需設(shè)置圓柱殼體5的支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)包括支撐桿7和支撐橫梁8。支撐桿7 —端聯(lián)接在中間質(zhì)量塊I上，另一端聯(lián)接在支撐橫梁8上。支撐橫梁8兩端分別通過螺栓與圓柱外殼5連接。支撐桿7和支撐橫梁8可以為多組，數(shù)量及尺寸以保證支撐強(qiáng)度且不影響內(nèi)液腔輻射為宜。
[0043]最后應(yīng)說明的是，以上實例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種多液腔低頻寬帶水聲換能器，包括一個由有源驅(qū)動器、通過預(yù)應(yīng)力螺栓安裝于有源驅(qū)動器兩端的兩個喇叭形輻射頭組成的Janus型復(fù)合棒換能器，其特征是:還包括兩個圓柱殼體，兩個圓柱殼體分別罩在兩個喇機(jī)形福射頭外，圓柱殼體和Janus型復(fù)合棒換能器的中間部分構(gòu)成內(nèi)部Helmholtz腔體,為內(nèi)液腔,圓柱殼體和Janus型復(fù)合棒換能器的外側(cè)構(gòu)成對稱的兩個外部Helmholtz腔體,為外液腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多液腔低頻寬帶水聲換能器，其特征是:所述有源驅(qū)動器包括兩個，所述預(yù)應(yīng)力螺栓也有兩支，還包括中間質(zhì)量塊，中間質(zhì)量塊為圓柱形、中心設(shè)有螺紋通孔，兩個預(yù)應(yīng)力螺栓的末端螺紋擰緊于螺紋通孔中，兩個有源驅(qū)動器和兩個喇叭形輻射頭通過兩個預(yù)應(yīng)力螺栓安裝在中間質(zhì)量塊的兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多液腔低頻寬帶水聲換能器，其特征是:中間質(zhì)量塊上面設(shè)置徑向螺紋孔，支撐桿的一端安裝在徑向螺紋孔中，兩個圓柱殼體直接連接有支撐橫梁，支撐桿的另一端與支撐橫梁連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的多液腔低頻寬帶水聲換能器，其特征是:所述有源驅(qū)動器為壓電晶堆，壓電晶堆由n片壓電陶瓷圓片粘接而成，n為> 2的偶數(shù)，壓電陶瓷圓片沿厚度方向極化，每兩片陶瓷圓片之間設(shè)有電極片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的多液腔低頻寬帶水聲換能器，其特征是:所述有源驅(qū)動器為稀土超磁致伸縮材料制成的圓棒，圓棒外圍纏繞一組激勵線圈，激勵線圈封閉在高磁導(dǎo)率材料制成的閉合磁路里。
【文檔編號】G10K9/122GK103646642SQ201310624957
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】桑永杰, 藍(lán)宇 申請人:哈爾濱工程大學(xué)