CN101178894A - 一种双谐振双激励纵振换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双谐振双激励纵振换能器，包括辐射头(1)、前晶堆(2)、中间质量(3)、后晶堆(6)、尾负载(7)、第一、第二、第三、第四绝缘垫片、螺母(8)和预应力螺杆(12)；通过调整前晶堆(2)和后晶堆(6)内部各个压电陶瓷元件之间的串并联关系，以及前晶堆(2)的正负电极与后晶堆(6)的正负电极间的电连接方式，分别可以得到宽带发射的换能器或得到窄带高灵敏度发射的换能器；本发明提供的双谐振双激励纵振换能器，具有低机械品质因数Qm、频带宽、起伏小、灵敏度高的特点，可作为各类探测声纳、水下无人航行器及水下通讯设备的宽带或窄带声源。

Description

一种双谐振双激励纵振换能器

技术领域

本发明涉及一种换能器，特别是一种双谐振双激励纵振发射换能器，此种类型的换能器可作为各类探测声纳、水下无人航行器及水下通讯设备的宽带或窄带声源。

背景技术

在水声领域中，随着现代声纳技术及武器装备技术的发展，以及现代信号处理技术、电子技术、通讯技术和计算机技术的日新月异，对换能器及换能器阵列提出了越来越高的要求。宽频带换能器技术在后续信号处理中的地位越来越重要。在许多工程项目中对于频带都提出了较高的要求。换能器是感知声、磁、电、光等物理量的窗口，是一切信息处理的前端，换能器获取信息的优劣直接影响着后续的判断和识别，宽频带的换能器可以提供更多的信息。宽频带换能器在水声领域中是探测通讯的关键器件，它的性能优劣关系着信号的传输和调频信号的发射，因此对于声纳探测至关重要。

纵振复合棒换能器是目前常用的换能器，它既可以做大功率发射，也可以作为接收阵元，并且体积小重量轻，在水声和超声技术中广泛应用。目前仅利用单一振动模态的纵振换能器很难做到机械品质因数Qm＜3(Q_m＝f_r/Δf，f_r为谐振频率，Δf为带宽)，要想换能器具有更宽的频带只有采用多模态耦合振动才能实现。当前拓宽换能器频带的方法有：利用辐射头的弯曲振动、匹配层技术和多谐振多激励技术。

双谐振双激励技术是一种拓宽纵振换能器频带的重要技术。将换能器的两个模态设计在合适的频率范围内，同时调整谐振模态的幅值使两个谐振模态点之间的起伏在很小的范围内，可以实现宽频带。孙好广等发表在2003年第3期《声学与电子工程》的文章《双激励宽带换能器的有限元设计》中，提到了用两个晶堆来实现宽带，前晶堆是两片串联，后晶堆是4片并联，然后前后晶堆并联，其结果是换能器的发生响应起伏在5dB以上，频带起伏很大，由此可见，在实际仿真计算和实验中很难使两谐振之间的起伏在-3dB以内。

发明内容

本发明的目的是解决目前双谐振双激励纵振换能器的谐振点的幅值控制问题，从而提供一种双谐振双激励纵振换能器。

本发明提出的双谐振双激励纵振换能器包括辐射头1、前晶堆2、中间质量3、后晶堆6、尾负载7、第一、第二、第三、第四绝缘垫片、螺母8和预应力螺杆12，所述辐射头1和螺母8分别安装在预应力螺杆12的两端，在预应力螺杆上，沿着从辐射头1至螺母8的方向上依次安装有第一绝缘垫片、前晶堆2、第二绝缘垫片、中间质量3、第三绝缘垫片、后晶堆6、第四绝缘垫片和尾负载7；

所述前晶堆2由至少两片偶数片压电陶瓷元件叠置组成，所述后晶堆6由至少一片压电陶瓷元件组成；

所述前晶堆2中的偶数片压电陶瓷元件被平均分成两组，每组内的压电陶瓷元件分别串联后，再将这两组压电陶瓷元件并联起来，并且前晶堆2的正电极13与前晶堆2中的每一组压电陶瓷元件的正极电连接，前晶堆2的负电极14与前晶堆2中的每一组压电陶瓷元件的负极电连接；

所述前晶堆2的正电极13与后晶堆6的负电极16电连接作为换能器的正电极，前晶堆的负电极14与后晶堆6的正电极15电连接作为换能器的负电极，得到宽带发射的换能器；或者所述前晶堆2的正电极13与后晶堆6的正电极15电连接作为换能器的正电极，前晶堆的负电极14与后晶堆6的负电极16电连接作为换能器的负电极，得到窄带高灵敏度发射的换能器。

进一步地，当后晶堆6的压电陶瓷元件为两个或两个以上时，所述各压电陶瓷元件之间为并联，并且后晶堆6的负电极16电连接至该晶堆中每一片压电陶瓷片的负极，后晶堆6的正电极15电连接至该晶堆中每一片压电陶瓷片的正极。

进一步地，前晶堆2与后晶堆6中的压电陶瓷元件的个数比为2∶3。

进一步地，所述辐射头1的材料为硬铝，所述中间质量3的材料为钢，所述尾负载7材料为黄铜。

进一步地，所述换能器的各个部分之间采用环氧树脂粘结在一起。

本发明的优点在于：

本发明将一个换能器的激励源分成两部分，通过两个激励源正负电极之间不同组合连接，使换能器有不同的性能；能够实现宽频带而且起伏小，工艺制作简单，可以控制换能器的工作带宽；

本发明提供的双谐振双激励纵振换能器，可作为各类探测声纳、水下无人航行器及水下通讯设备的宽带或窄带声源，具有低机械品质因数Qm、频带宽、灵敏度高的特点。

附图说明

图1是本发明中的换能器内部结构示意图；

图2是本发明中换能器前晶堆结构示意图；

图3是本发明中换能器后晶堆结构示意图；

图4是本发明中的换能器两激励源在不同连接方式下的发射响应测试曲线；

附图标记

1-辐射头            2-前晶堆          3-中间质量       6-后晶堆

7-尾负载            8-螺母            12-预应力螺杆    13-前晶堆正电极

14-前晶堆负电极     15-后晶堆正电极   16-后晶堆负电极

具体实施方式

双谐振双激励纵振换能器是在传统纵振换能器的基础上，通过中间质量把激励源分成两部分。两激励源之间不同的连接方式，即对换能器不同的激励，换能器将有不同的性能。通过对辐射头、前晶堆、中间质量、后晶堆、尾负载质量的合理分布可以把谐振频率控制在合适的范围内。

本发明是把换能器的两阶谐振模态通过电激励方式利用起来。通过调节换能器的各部分参数，把换能器的第一阶谐振节线控制在中间质量处，第二阶谐振的两个节线控制在两个晶堆中间处。本发明前、后晶堆之间特殊的连接方式使得在第二阶谐振时，两晶堆的振动相位是反相的，如果施加同相电压则激励不出第二阶响应，因此在给两个晶堆施加激励时相位反相，即把前晶堆的正电极与后晶堆的负电极连接作为一个电极，前晶堆的负电极与后晶堆的正电极连接作为一个电极，这样换能器激励出第二阶响应。由于两个激励源反相，在第一阶响应降低，而第二阶响应升高，这样把两阶响应调节到合适的幅值，使换能器的响应有较小的起伏，从而得到很宽的频带。

如果对换能器的前、后晶堆施加同相电压，则在第一谐振处响应加强，激励不出第二阶响应，因此在给前、后晶堆施加激励时相位同相，即把前晶堆的负电极与后晶堆的负电极连接作为一个电极，前晶堆的正电极与后晶堆的正电极连接作为一个电极，这样换能器第一阶响应很高，换能器具有很高的发射电压灵敏度，可以作为高灵敏度的窄带声源。

下面结合具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1所示的频率为20kHz到40kHz双谐振双激励纵振换能器，包括预应力螺杆12、螺母8、辐射头1、前晶堆2、中间质量3、后晶堆6、尾负载7和第一、第二、第三、第四绝缘垫片，其中，辐射头1和螺母8分别设置在预应力螺杆12的两端，沿着从辐射头1至螺母8的方向上依次安装有第一绝缘垫片、前晶堆2、第二绝缘垫片、中间质量3、第三绝缘垫片、后晶堆6、第四绝缘垫片和尾负载7；

前晶堆2的压电陶瓷元件由4片压电陶瓷片叠置组成，其中，第一片和第二片压电陶瓷片串联作为一组，第三片和第四片串联作为另一组，两组之间为并联连接，作为本发明的一个实施例，具体放置方式如图2所示，由下至上分别为第一片至第四片压电陶瓷片，将第一、第二片压电陶瓷片的正极面朝上放置，第三、第四片压电陶瓷片的正极朝下放置，前晶堆2的正电极13电连接至第二和第三片压电陶瓷片的正极，前晶堆2的负电极14电连接至第一和第四片压电陶瓷片的负极，且在前晶堆2的两端分别设置有第一和第二绝缘垫片(图2中未示出)；

后晶堆由6片压电陶瓷片并联组成，一种具体放置方式如图3所示，由下至上分别为第一片至第六片压电陶瓷片，第一、第三、第五片压电陶瓷片为负极面朝上放置，第二、第四和第六片压电陶瓷片为正极面朝上放置，后晶堆6的负电极16电连接至该晶堆中每一片压电陶瓷片的负极，后晶堆6的正电极15电连接至该晶堆中每一片压电陶瓷片的正极，而且在该晶堆的两端分别设置有第三和第四绝缘垫片(图3中未示出)，这样换能器的前晶堆2和后晶堆6共引出4条电极线。

换能器的辐射头1为圆台型，由硬铝制成，厚度为15mm，辐射头1的前端面为辐射面，尺寸为φ45mm，后端面尺寸为φ24mm，与预应力螺杆12连接；前晶堆2和后晶堆6的压电陶瓷片都为“PZT-4”型压电陶瓷材料制成的中心带有圆孔的压电圆片，通过其圆孔套在预应力螺杆12上，其尺寸为φ24mm×φ8mm×2mm；绝缘垫片的材料为陶瓷，通过其圆孔套在预应力螺杆12上，尺寸与压电圆片相同；中间质量3为中间带有圆形通孔的圆柱型，通过其圆形通孔套在预应力螺杆12上，材料为45#钢，尺寸为φ24mm×φ8mm×4mm；尾负载7为中间带有圆形通孔的圆柱型，通过其圆形通孔套在预应力螺杆12上，材料为黄铜，尺寸为φ24mm×φ8mm×35mm。换能器的各部分用环氧树脂粘结在一起，并用预应力螺杆12和螺母8连接紧固，阵元总长度约为78mm。

从图4可以看出，在换能器的两个激励源反相时，即前晶堆2的正电极13与后晶堆6的负电极16电并联作为换能器的正电极，前晶堆2的负电极14与后晶堆6的正电极15电并联作为换能器的负电极时，换能器可以实现宽带发射，如曲线1所示，其带宽可以实现18kHz到40kHz；当前晶堆2的正电极13与后晶堆6的正电极15电并联作为换能器的正电极，前晶堆2的负电极14与后晶堆6的负电极16电并联作为换能器的负电极，此种组合下换能器可以实现窄带高灵敏度发射，如曲线2所示。换能器在宽带时其灵敏度可以达到145dB以上，用作窄带时其灵敏度可以达到150dB以上。

Claims (5)

1.一种双谐振双激励纵振换能器，包括辐射头(1)、前晶堆(2)、中间质量(3)、后晶堆(6)、尾负载(7)、第一、第二、第三、第四绝缘垫片、螺母(8)和预应力螺杆(12)，所述辐射头(1)和螺母(8)分别安装在预应力螺杆(12)的两端，在预应力螺杆上，沿着从辐射头(1)至螺母(8)的方向依次安装有第一绝缘垫片、前晶堆(2)、第二绝缘垫片、中间质量(3)、第三绝缘垫片、后晶堆(6)、第四绝缘垫片和尾负载(7)；

其特征在于，所述前晶堆(2)由至少两片偶数片压电陶瓷元件叠置组成，所述后晶堆(6)由至少一片压电陶瓷元件组成；

所述前晶堆(2)中的偶数片压电陶瓷元件被平均分成两组，每组内的压电陶瓷元件分别串联后，再将这两组压电陶瓷元件并联起来，并且前晶堆(2)的正电极(13)与前晶堆(2)中的每一组压电陶瓷元件的正极电连接，前晶堆(2)的负电极(14)与前晶堆(2)中的每一组压电陶瓷元件的负极电连接；

所述前晶堆(2)的正电极(13)与后晶堆(6)的负电极(16)电连接作为换能器的正极，前晶堆的负电极(14)与后晶堆(6)的正电极(15)电连接作为换能器的负电极；或者所述前晶堆(2)的正电极(13)与后晶堆(6)的正电极(15)电连接作为换能器的正电极，前晶堆的负电极(14)与后晶堆(6)的负电极(16)电连接作为换能器的负电极。

2.按权利要求1所述的双谐振双激励纵振换能器，其特征在于，当后晶堆(6)的压电陶瓷元件为两个或两个以上时，所述各压电陶瓷元件之间为并联，并且后晶堆(6)的负电极电连接至该晶堆中每一片压电陶瓷片的负极，后晶堆(6)的正电极电连接至该晶堆中每一片压电陶瓷片的正极。

3.按权利要求1所述的双谐振双激励纵振换能器，其特征在于，前晶堆(2)与后晶堆(6)中的压电陶瓷元件的个数比为2∶3。

4.按权利要求1所述的双谐振双激励纵振换能器，其特征在于，所述辐射头(1)的材料为硬铝，所述中间质量(3)的材料为钢，所述尾负载(7)材料为黄铜。

5.按权利要求1所述的双谐振双激励纵振换能器，其特征在于，所述换能器的各个部分之间采用环氧树脂粘结在一起。

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