本發(fā)明屬于低頻主動探測領域，具體涉及一種共形驅動iv型彎張換能器。

背景技術：

聲波是人類迄今為止已知的唯一能在海水中遠距離傳輸的能量載體。無論是軍事作戰(zhàn)，還是海洋開發(fā)，均都采用聲波作為運載信息的媒介。水聲換能器作為水下產生聲音的通用設備，需根據時代需求進行相關應用技術改進。

近年來，國家發(fā)展海洋戰(zhàn)略強國的愿望愈加強烈，海洋開發(fā)的愈加廣泛，這就要求相應的水聲設備及技術更加快速發(fā)展。21世紀是海洋時代，艦艇聲納裝備越來越重要，已經成為海軍艦艇上最為重要的水聲作戰(zhàn)系統(tǒng)，這些潛艇安裝良好的消聲設備，使傳統(tǒng)的被動聲納探測難度越來越大、探測距離越來越近、安全防范能力幾乎消失，這就要求使用主動聲納遠距離探測安靜型潛艇，根據聲波在水中傳播及消聲瓦的特點，使用低頻、大功率主動聲納，可以大大增加探測距離，增加我方潛艇的作戰(zhàn)部署時間。作為低頻主動聲納系統(tǒng)的最重要組成部分，低頻發(fā)射換能器的設計也越來越受到國內外研究人員的重視，不過換能器尺寸過大、輻射阻抗相對較低、組陣時的互輻射影響以及深水限制等問題仍需要通過技術手段的不斷進步來解決。同時隨著近年來水下小目標平臺及其吊放聲納的廣泛應用，對于小尺寸的低頻主動探測應用換能器的需求更加迫切，所以研究低頻、小尺寸、大功率的換能器顯得尤其重要。

目前，在所有低頻大功率換能器類型中，彎張換能器利用的為殼體彎曲振動實現低頻特性，所以相對其他形式換能器結構尺寸小、重量輕，而彎張換能器的殼體輻射面積占總表面積比例較大，又具有位移放大作用，使得具有較大聲功率，因而成為一種常用的低頻水聲換能器。但隨著近年來水聲探測等應用領域的新需求，換能器的應用頻率越來越低。通常來說，水聲換能器的工作頻率越低，尺寸重量就越大，相應的加工制作難度和成本也就越高。現階段應用在100-500hz頻段的換能器重量基本都在幾百公斤以上，普遍存在體積大，重量大的問題。雖然對于小體積的低頻換能器需求愈加強烈，但是，國內外專家們對進一步降低彎張類換能器的工作頻率和小尺寸等問題的研究并不是很多，主要也就是從驅動材料角度使用低聲速的材料(如terfenol-d)，或者增加殼體主振區(qū)振動質量來實現的。

專利號為cn105702244a的一種嵌入式外部驅動iv型彎張換能器為改變傳統(tǒng)內部縱向驅動為外部縱向驅動的結構形式，通過殼體嵌入式的結構，使驅動堆進入殼體內部，而驅動形式又為外部驅動，其合理的減少了換能器的外結構尺寸。

本發(fā)明相比于上述專利中提出的外部驅動結構形式，區(qū)別在于，本發(fā)明中的共形驅動iv型彎張換能器，采用的為與彎張殼體共形的新驅動結構形式，目的是實現換能器更低的工作頻率特性，無論是實現原理以及結構都完全不同。

技術實現要素：

針對目前現有技術中存在的不足，本發(fā)明旨在提供一種解決同等結構尺寸下iv型彎張換能器進一步降低諧振頻率的問題，使iv型彎張換能器更容易實現低頻、小尺寸特性的共形驅動iv型彎張換能器。

本發(fā)明的目的是這樣實現的：

本發(fā)明為共形驅動iv型彎張換能器，包括彎張殼體1、陶瓷圓弧2、橡膠墊3、上蓋板4、下蓋板5、螺桿6、螺帽7以及便于電連接的水密電纜頭8，其特征在于：所述的彎張殼體1為開有內部鑲嵌口9的拉伸橢圓結構，上下端面與橡膠墊3連接，橡膠墊3的上下表面分別與上蓋板4、下蓋板5緊密接觸；上蓋板4、下蓋板5上分布有通孔10，螺桿6連接上蓋板4、下蓋板5，用螺帽7旋緊,，組成共形驅動彎張換能器的整體外結構；上蓋板4設置有電連接孔11，電連接孔11上設置有水密電纜頭8，水密電纜頭8通過導線與兩個陶瓷圓弧2進行并聯電連接。

所述的彎張殼體1外表面輪廓結構為橢圓，彎張殼體1短軸內側開有兩個對稱的內部鑲嵌口9；內部鑲嵌口9為圓弧結構，其邊緣面與陶瓷圓弧2外邊緣面曲率半徑一致；陶瓷圓弧2開角角度大于內部鑲嵌口9的開角角度。

所述的螺桿6螺桿兩側分別帶有限位功能的臺階。

所述的陶瓷圓弧2為徑向極化陶瓷圓弧或鑲拼陶瓷圓弧。

所述的徑向極化陶瓷圓弧為pzt-4陶瓷圓環(huán)的部分結構；徑向極化陶瓷圓弧環(huán)向邊緣內外面有去電極處理

所述的鑲拼陶瓷圓弧是由n片楔形pzt-4壓電陶瓷條拼接成的圓弧，n為偶數；壓電陶瓷條沿厚度方向極化，每相鄰的兩片壓電陶瓷條極化方向相反；相鄰兩陶瓷條之間設置并聯連接的電極片；環(huán)向最邊緣有兩片金屬條13；鑲拼陶瓷圓弧外表面為環(huán)氧樹脂膠玻璃絲層12。

本發(fā)明與現有技術相比，有益效果在于：

本發(fā)明克服了傳統(tǒng)驅動結構的iv型彎張換能器由于長梁驅動形式使得換能器殼體振動頻率明顯提高的缺點，采用陶瓷圓弧驅動及其開有圓弧鑲嵌口的殼體結構，實現陶瓷與殼體共形的驅動形式，在保證殼體彎曲振動頻率不明顯升高的前提下，又能夠合理利用彎張換能器的位移放大作用，從而實現彎張換能器進一步降低工作頻率，并具有較大功率工作的特性。本專利水聲換能器兼具小尺寸、低頻、大功率、重量輕等特點，可單獨或者組陣應用于搭載各種小平臺的主動探測聲納，深海水聲通信等領域。

附圖說明

圖1是共形驅動iv型彎張換能器結構的剖面示意圖。

圖2是共形驅動iv型彎張換能器結構示意圖。

圖3是共形驅動iv型彎張換能器殼體結構示意圖。

圖4是共形驅動iv型彎張換能器徑向極化陶瓷圓弧結構示意圖。

圖5是共形驅動iv型彎張換能器鑲拼陶瓷圓弧結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明：

如圖1至圖2所示，本發(fā)明的共形驅動iv型彎張換能器，主要包括彎張殼體1、兩個陶瓷圓弧2、兩個橡膠墊3、上蓋板4、下蓋板5、六個連接螺桿6、六個螺帽7、水密電纜頭8。彎張殼體1帶有兩個內部鑲嵌口9，分別與兩個陶瓷圓弧2配合連接實現共形，彎張殼體1上下表面分別與橡膠墊3連接，橡膠墊其余兩面與上蓋板4和下蓋板5連接，上下蓋板上分布有通孔10，連接螺桿6配合連接上下蓋板5，用螺帽7旋緊，形成換能器整體外結構，并對橡膠墊施加預緊力，實現水密。上蓋板4上有與水密電纜頭8配合連接的電連接孔11，水密電纜頭8通過導線與兩個陶瓷圓弧2進行并聯電連接。

如圖3所示，本發(fā)明的彎張殼體1是由鋁合金(或者鈦合金)金屬材料經加工而成，其為拉伸體結構，外表面輪廓為橢圓結構形式，內表面為開有兩個內部鑲嵌口9的橢圓結構，其內部鑲嵌口9為一定角度的圓弧截面，兩個內部鑲嵌口9對稱分布在彎張殼體1短軸內側；

本發(fā)明的陶瓷圓弧2可以為徑向極化圓弧，也可以是鑲拼陶瓷圓弧。徑向極化陶瓷圓弧如圖4所示，弧的環(huán)向邊緣內外面做去電極處理，防止與殼體接觸時電短路；鑲拼陶瓷圓弧如圖5所示，是由n片(n由圓弧角度、半徑和楔形條尺寸決定，其中n必須為偶數)楔形pzt-4壓電陶瓷條粘接成一定角度的圓弧，壓電陶瓷條沿環(huán)向厚度方向極化，每相鄰的兩片壓電陶瓷條極化方向相反，陶瓷條之間設置電極片，在電路上采用并聯連接，環(huán)向最邊緣有兩片金屬條13，保證與殼體裝配時具有足夠的強度，方便裝配；并在鑲拼陶瓷圓弧外側貼覆粘有環(huán)氧樹脂膠玻璃絲層12，用于實現在與殼體接觸時的電絕緣和增加陶瓷圓弧2的結構強度。水密電纜頭8與電連接孔11連接，并通過橡膠墊3保證水密，用導線引出陶瓷圓弧2正負電極與水密電纜頭8連接。

上述所述的彎張殼體1和陶瓷圓弧2，其特征在于，陶瓷圓弧2的外表面和彎張殼體內部內部鑲嵌口9的表面曲率半徑相同，陶瓷圓弧2的開角角度大于內部內部鑲嵌口9的開角度，在徑向實現緊密配合的同時，在環(huán)向由殼體對陶瓷圓弧施加足夠預應力，以實現大功率工作。

橡膠墊3是由具有一定硬度、耐滲水的硅橡膠或者氟橡膠制作而成，其外結構輪廓橢圓與彎張殼體1外尺寸相同，上下表面平整光滑，與彎張殼體1上下端面及上蓋板4和下蓋板5表面足夠接觸，在起到基本水密特性之外，也在高度方向上實現一定程度的去耦；

上蓋板4和下蓋板5結構尺寸相同，是由鋁合金(或者鈦合金)金屬材料加工而成，其外結構輪廓為橢圓結構，在邊緣處分布有六個通孔，與螺桿6配合連接；上蓋板4處開有電連接孔11，用于安裝電連接的水密電纜頭8；

連接螺桿6是由不銹鋼(或者鈦合金)金屬材料加工而成，兩側分別帶有限位功能的臺階，兩個限位臺階在裝配上蓋板4和下蓋板5過程中，通過螺帽7旋緊壓縮橡膠墊3，設定了壓縮橡膠墊3的最大行程，使得橡膠墊3在彈性范圍內，并能實現水密密封功能，同時也在一定程度上保證換能器的整體強度以及工作最大水深。

本發(fā)明的換能器在水中工作時，對電并聯連接的兩個陶瓷圓弧2施加交變電場，在交變電場的激勵下陶瓷圓弧2產生環(huán)向的往復振動，從而激勵出彎張殼體1的呼吸振動模態(tài)，由于位移放大作用，在殼體短軸處具有較大的往復振動位移，實現聲音的輻射。本發(fā)明因為采用陶瓷圓弧2與彎張殼體1共形的結構形式，所以使得彎張殼體1的結構剛度變化較小，在基本的呼吸振動模態(tài)情況下，實現了換能器的更低頻率輻射特性。共形驅動形式為彎張換能器進一步實現低頻、小尺寸特性提供了新的方法。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，在不脫離本發(fā)明權利要求的保護情況，作出本發(fā)明的其他實施方式，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。