CN101672691A - 水听器相位低频校准管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水声计量测试领域，主要是一种水听器相位低频校准管，包括金属刚性管体，金属刚性管体内设有互相连通的校准管腔和换能器腔，校准管腔用于盛放液态媒质并形成液柱，金属刚性管体的管壁厚度大于或等于校准管腔的半径；在校准管腔底部的支撑台阶上安装有柔性橡胶振动膜，柔性橡胶振动膜下面连接有振动活塞，振动线圈通过环氧树脂粘结固定在振动活塞背面，柔性橡胶振动膜的中心线、振动活塞的中心线、振动线圈的中心线三者与金属刚性管体的中心线完全重合；换能器腔中安装有活塞式电动换能器。本发明有益的效果：适用于小尺寸水听器低频声学特性的测量和校准，具有低频、宽带、耐油、防漏水和防腐蚀等特点，以及良好的时间稳定性和温度稳定性。

Description

水听器相位低频校准管

所属技术领域

本发明涉及水声计量测试领域，具体属于声学电动换能器领域，主要是一种水听器相位低频校准管。

背景技术

由于声呐基阵对水听器基元有相位、幅度一致性的要求，在低频段目前对水听器进行校准的方法有：振动液柱法、耦合腔互易法和压电补偿法等，在这些方法上建立的测量装置，构成复杂，测量程序和装置维护比较烦琐。利用本发明专利水听器相位低频校准管建立的比较法校准装置，具有构成简单、易于操作和维护的特点，方便低频水听器的校准和测量。

水听器相位低频校准管的核心是活塞式电动换能器，其工作原理和特点与空气中使用的动圈扬声器相类似。当其中的振动线圈受到交变电流激励时，就会产生随电流变化的磁场，这一磁场和换能器内部的固有磁场发生相互作用，使振动线圈沿轴向上下振动，驱动振动活塞和柔性橡胶振动膜以相同的频率向校准管腔体内的媒质辐射声波，从而得到测量所需的声信号。通常，在谐振频率以上频段，活塞式电动换能器具有平坦的发送电流响应，能产生高声级、高保真度的测量声信号；在谐振频率以下频段，发送电流响应会随频率下降急剧减小，效率很低。

由于水听器相位低频校准管中，媒质的声特性阻抗远大于空气，为使振动膜片能够产生较大的直线位移，膜片本身应设计成重量轻而柔软，同时为防止媒质侵入换能器内部，需要用橡胶悬置系统来密封和支撑膜片。通常采用橡胶硫化或灌注聚氨脂橡胶工艺来实现。由于水的静压作用，会导致振动膜片发生静态位移，电动换能器的发射性能发生较大改变，需要采用合适的压力补偿措施加以避免。

为保证校准管内声场的均匀性和稳定性，尤其在换能器的径向，要求校准管中只有(0，0)号简正波传播，而没有其他高次谐波存在。校准管的最低共振频率应高于液柱四分之一谐振频率，测量频率应低于液柱的最低共振频率，液柱高度应大于校准管的直径。在理论上，要求水听器相位低频校准管是刚性硬壁管，即声波引起媒质的振动传到管壁上被截止，管壁上的声压有最大值。通常，管壁越厚越硬，管中声速越接近自由场声速；管壁越薄，越容易激发管壁的共振。实际应用时，在管体半径确定的情况下，尽量采用厚管壁，但也要考虑实用性和加工的复杂程度。

国内在校准管上多采用金属薄壁管，管壁共振对管内声场的干扰明显。国际上，美国USRD在水声测量用电动换能器上有较多的研究和应用，先后研制了J9、J11等多种低频电动发射器，但是将电动换能器和金属厚壁管设计组合为一体，用来校准和测量水听器的低频声学性能，未见文献报道。

发明内容

本发明的目的是克服上述技术存在的不足，而提供一种水听器相位低频校准管，主要是一种圆柱形金属开口管，管体内部充有一定高度的传声媒质如除气水、蓖麻油、溶剂石瑙油等，底部有活塞式电动换能器，在信号源和功率放大器推动下，驱动振动活塞和柔性橡胶膜沿轴向上下振动，在媒质中产生测量所需的高信噪比、稳定的低频测量声场，声压的强度通过改变驱动电流的大小进行控制。适用于小尺寸水听器低频声学特性的测量和校准，具有低频、宽带、耐油、防漏水和防腐蚀等特点，以及良好的时间稳定性和温度稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供这样一种水听器相位低频校准管，包括金属刚性管体，金属刚性管体内设有互相连通的校准管腔和换能器腔，校准管腔用于盛放液态媒质并形成液柱，金属刚性管体的管壁厚度大于或等于校准管腔的半径；在校准管腔底部的支撑台阶上安装有柔性橡胶振动膜，柔性橡胶振动膜下面连接有振动活塞，振动线圈通过环氧树脂粘结固定在振动活塞背面，振动活塞用于在磁隙中间沿轴向作上下往复运动；柔性橡胶振动膜的中心线、振动活塞的中心线、振动线圈的中心线三者与金属刚性管体的中心线完全重合；金属刚性管体底部的换能器腔中安装有活塞式电动换能器，活塞式电动换能器由永磁圆环、内磁极、外磁极、底座、法兰盖和端盖组成，内磁极、外磁极与永磁圆环紧密贴合，磁极间隙在1～1.5mm之间，法兰盖通过第一紧固螺钉固定在内磁极顶部，端盖用第二紧固螺钉固定在底座的顶部。

所述金属刚性管体为刚性硬壁管，采用低磁导率的不锈钢材料，最低共振频率高于液柱四分之一谐振频率；测量频率低于液柱的最低共振频率；液柱的高度应大于校准管腔的直径。

所述柔性橡胶振动膜由氯丁橡胶加热硫化成型或聚氨酯橡胶灌注成型，橡胶硬度控制在邵式A硬度55～60度；柔性橡胶振动膜的边缘部分与金属刚性管体的支撑台阶采用橡胶硫化工艺联结；柔性橡胶振动膜与振动活塞的辐射面采用橡胶硫化工艺联结。

所述振动活塞由金属镁合金或铝合金制成，振动活塞的径高比为4∶1，振动活塞的中间部分加工成蜂窝状或同圆心状密排小孔。

所述的振动线圈为细漆包线绕制在圆形骨架上的低频线圈。

所述换能器腔腔壁上固定安装有航空插座，航空插座的接线端子与振动线圈的引出线焊接固定。

本发明的有益效果是：

1、把活塞式电动换能器和盛放液态媒质的刚性管组合设计成一体。管体采用金属刚性厚壁管设计，不锈钢材料整体加工构成，在有效地减小管壁共振对声场影响的同时，拓宽了校准管的工作频段，对水听器相位测量具有良好的稳定作用。

2、柔性橡胶振动膜由氯丁橡胶加热硫化或聚氨酯橡胶灌注制成，与振动活塞的辐射面、与金属管壁的支撑结合处，均采用橡胶加热硫化或聚氨酯橡胶灌注工艺永久联结成一体，确保柔性橡胶振动膜、振动活塞和振动线圈三者的中心线重合，使振动沿管体轴向进行。同时，也避免了液态测量媒质向电动换能器内部的侵入。

3、振动活塞为金属镁铝合金制成。为减低活塞固有弯曲振动的影响和降低系统的谐振频率，采用增加活塞的厚度和减轻活塞重量的措施，在选择合适径高比的同时，中间加厚部分加工成蜂窝状或同圆心状密排小孔。

4、永磁材料设计采用高磁能积的钕铁硼NdFeB材料，与传统的铁氧体材料相比，具有居里温度高、硬度大、磁化场强度高、电阻率低等优良特性。

5、电动换能器采用防漏磁保护设计，防漏磁保护层采用低磁导率的黄铜材料完全将磁路系统包敷，避免外界杂散磁场的干扰，同时也减小了内部永磁体磁场对外界的影响。

附图说明

图1本发明的剖面结构示意图；

图2本发明的柔性橡胶振动膜、振动活塞和振动线圈组合示意图；

图3本发明的活塞式电动换能器结构示意图；

附图标记说明：1：金属刚性管体；1-1：校准管腔；1-2：换能器腔；2：柔性橡胶振动膜；3：振动活塞；4：振动线圈；5：永磁圆环；6：内磁极；7：外磁极；8：底座；9：法兰盖；10：端盖；11：航空插座；12：支撑脚；13：第一紧固螺钉；14：第二紧固螺钉；15：环氧树脂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步说明：

如图所示，这种水听器相位低频校准管，包括金属刚性管体1，支撑脚12安装固定在管体底部。金属刚性管体1内设有互相连通的校准管腔1-1和换能器腔1-2，校准管腔1-1用于盛放液态媒质的并形成液柱，金属刚性管体1的管壁厚度大于或等于校准管腔1-1的半径；在校准管腔1-1底部的支撑台阶上安装有柔性橡胶振动膜2，柔性橡胶振动膜2下连接有振动活塞3，振动线圈4通过环氧树脂15粘结固定在振动活塞3背面，振动活塞3用于在磁隙中间沿轴向作上下往复运动；柔性橡胶振动膜2的中心线、振动活塞3的中心线、振动线圈4的中心线三者与金属刚性管体1的中心线完全重合，才能保证振动沿轴向进行，不会产生偏差。金属刚性管体1底部的换能器腔1-2中安装有活塞式电动换能器，活塞式电动换能器由永磁圆环5、内磁极6、外磁极7、底座8、法兰盖9和端盖10组成，内磁极6、外磁极7与永磁圆环5紧密贴合，磁极间隙在1～1.5mm之间，法兰盖9通过第一紧固螺钉13固定在内磁极6顶部，端盖10用第二紧固螺钉14固定在底座8的顶部。

所述金属刚性管体1为刚性硬壁管，采用低磁导率的不锈钢材料，最低共振频率高于液柱四分之一谐振频率；测量频率低于液柱的最低共振频率；液柱的高度应大于校准管腔1-1的直径。

所述柔性橡胶振动膜2由氯丁橡胶加热硫化成型或聚氨酯橡胶灌注成型，橡胶硬度控制在邵式A硬度55～60度；柔性橡胶振动膜2的边缘部分与金属刚性管体1的支撑台阶采用橡胶硫化工艺联结；柔性橡胶振动膜2与振动活塞3的辐射面采用橡胶硫化工艺联结。图2给出柔性橡胶振动膜2、振动活塞3和振动线圈4的组合剖面示意图。柔性橡胶振动膜2与振动活塞3之间需要专用的硫化模具，采用橡胶热硫化工艺也可以采用聚氨酯橡胶灌注工艺永久固定联结，成型后的柔性橡胶振动膜2必须是轻而柔软的，表面平整光滑和无气泡等缺陷。采用橡胶加热硫化或聚氨酯橡胶灌注工艺联结，可有效防止媒质侵入电动换能器。

所述的振动活塞3，为金属镁合金或铝合金制成。为减低活塞固有的弯曲振动影响，需适当增加活塞的厚度；为降低系统固有的谐振频率，应尽可能减轻振动活塞的重量。因此，振动活塞的径高比通常选取4∶1，同时中间加厚部分可加工成蜂窝状或同圆心状密排小孔。

所述的振动线圈4为细漆包线绕制在圆形骨架上的低频线圈，具有工作频带低，阻抗低、绝缘强度高、工艺轻巧等优点。振动线圈与活塞粘接固定，可以在磁隙中沿轴向作上下往复运动。

所述换能器腔1-2腔壁上固定安装有航空插座11，航空插座11的接线端子与振动线圈4的引出线焊接固定。

所述的永磁圆环，为高磁能积的钕铁硼NdFeB材料压铸烧结成型，表面光洁平整，镀镍防腐处理，具有居里温度高、硬度大、磁化场强度高、电阻率低等优良特性。所述的内磁极S极、外磁极N极，均采用高强度碳结构钢精密加工而成，具有表面光洁平整，磁导率高，镀锌防腐处理等特点。设计磁极间隙1～1.5mm为最佳。

图3给出本发明的活塞式电动换能器结构示意图，它由永磁圆环5、内磁极6、外磁极7、底座8、法兰盖9、端盖10等组成。电动换能器的组成顺序是：在底座8内部依次装入内磁极6、永磁圆环5、外磁极7，均匀调整磁极间隙，保证磁极间隙在1mm。然后将法兰盖9用第一紧固螺钉13固定在内磁极6顶部，端盖10用第二紧固螺钉14固定在底座8的顶部，这样完成了电动换能器和磁路保护系统的组装过程。

防漏磁保护层，由底座、端盖、法兰盘和紧固螺钉等组成，全部采用低磁导率的黄铜材料精密加工而成，兼有保护内部磁路系统和安装时精密定位的双重作用。全包敷防漏磁结构设计，可以免遭外界杂散磁场的干扰，同时也减小了内部永磁体磁场对外界的影响。

结合图1所示，将电动换能器及防漏磁保护层精密安装在金属刚性管体1的底部，通过8个紧固螺钉固定联接，这样就完成了水听器相位低频校准管的装配和制造的全过程。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1、一种水听器相位低频校准管，其特征在于：包括金属刚性管体(1)，金属刚性管体(1)内设有互相连通的校准管腔(1-1)和换能器腔(1-2)，校准管腔(1-1)用于盛放液态媒质并形成液柱，金属刚性管体(1)的管壁厚度大于或等于校准管腔(1-1)的半径；在校准管腔(1-1)底部的支撑台阶上安装有柔性橡胶振动膜(2)，柔性橡胶振动膜(2)下面连接有振动活塞(3)，振动线圈(4)通过环氧树脂(15)粘结固定在振动活塞(3)背面，振动活塞(3)用于在磁隙中间沿轴向作上下往复运动；柔性橡胶振动膜(2)的中心线、振动活塞(3)的中心线、振动线圈(4)的中心线三者与金属刚性管体(1)的中心线完全重合；金属刚性管体(1)底部的换能器腔(1-2)中安装有活塞式电动换能器，活塞式电动换能器由永磁圆环(5)、内磁极(6)、外磁极(7)、底座(8)、法兰盖(9)和端盖(10)组成，内磁极(6)、外磁极(7)与永磁圆环(5)紧密贴合，磁极间隙在1～1.5mm之间，法兰盖(9)通过第一紧固螺钉(13)固定在内磁极(6)顶部，端盖(10)用第二紧固螺钉(14)固定在底座(8)的顶部。

2、根据权利要求1所述的水听器相位低频校准管，其特征在于：所述金属刚性管体(1)为刚性硬壁管，采用低磁导率的不锈钢材料，最低共振频率高于液柱四分之一谐振频率；测量频率低于液柱的最低共振频率；液柱的高度应大于校准管腔(1-1)的直径。

3、根据权利要求1所述的水听器相位低频校准管，其特征在于：所述柔性橡胶振动膜(2)由氯丁橡胶加热硫化成型或聚氨酯橡胶灌注成型，橡胶硬度控制在邵式A硬度55～60度；柔性橡胶振动膜(2)的边缘部分与金属刚性管体(1)的支撑台阶采用橡胶硫化工艺联结；柔性橡胶振动膜(2)与振动活塞(3)的辐射面采用橡胶硫化工艺联结。

4、根据权利要求1所述的水听器相位低频校准管，其特征在于：所述振动活塞(3)由金属镁合金或铝合金制成，振动活塞(3)的径高比为4∶1，振动活塞(3)的中间部分加工成蜂窝状或同圆心状密排小孔。

5、根据权利要求1所述的水听器相位低频校准管，其特征在于：所述的振动线圈(4)为细漆包线绕制在圆形骨架上的低频线圈。

6、根据权利要求1所述的水听器相位低频校准管，其特征在于：所述换能器腔(1-2)腔壁上固定安装有航空插座(11)，航空插座(11)的接线端子与振动线圈(4)的引出线焊接固定。

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