CN101847403B - 一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，该换能器包括前辐射头、后辐射头、预应力螺钉、稀土超磁致伸缩材料、永磁体和线圈架及导线，其特征在于，所述永磁体呈中空的圆管；所述稀土超磁致伸缩材料为若干长度相同的Terfenol-D圆棒，所述的圆棒沿永磁体的外圆周周向均匀布放，且圆棒与永磁体之间留有间隙。所述的换能器还包含两个圆片状的导磁纯铁片；所述的两个导磁纯铁片分别设置在稀土超磁致伸缩材料的上端和前辐射头之间、及下端和后辐射头之间。所述的导磁纯铁片采用径向开缝，径向开缝的长度是半径的四分之三。本发明有效克服稀土超磁致伸缩材料在高频段工作时的涡流损耗大、效率低的缺点。

Description

一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器
技术领域
本发明属于声学传感器领域，具体地说，本发明涉及一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器。 
背景技术
复合棒式换能器是目前水声和超声行业应用比较广泛的一种换能器形式，它通常应用在几千赫兹到几十千赫兹的频率范围。复合棒式换能器的驱动材料可分为压电材料和稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)。几十年来，绝大多数的复合棒式换能器都是由压电材料制成的，压电材料的优点是具有较高的机电耦合系数、高频介电损失相对较小、成本低廉、制备容易等。与压电材料相比，稀土超磁致伸缩材料具有更优异的特性，如较大的应变值、更大的能量密度、较低的声速、无过热失效的特性等。 
目前，稀土超磁致伸缩材料已经在低频大功率水声换能器、大功率执行器等方面得到了较多的应用。本发明人在专利“CN200610065104.6”中公开了一种超低频水声换能器，该换能器的每个驱动单元中使用了一根整体的稀土超磁致伸缩材料棒并在该棒的两端粘贴了一圆片状的稀土永磁体，但由于稀土超磁致伸缩材料最大的缺点是在高频段工作时的涡流损耗比较大、效率较低，这极大的限制了其在超声频段的应用。 
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有的稀土超磁致伸缩材料只能应用在低频大功率水声换能器中，从而提出一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器。 
本发明在换能器的设计中采用了一种全新形式的静态偏磁场施加方式和一种全新的稀土材料布放结构。 
为达到上述发明目的，本发明提供一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，该换能器包括前辐射头、后辐射头、预应力螺钉、稀土超磁致伸缩材料、永磁体和线圈架及导线，其特征在于，所述永磁体呈中空的圆管；所述稀土超磁致伸缩材料为若干长度相同的Terfenol-D圆棒，所述的圆棒沿永磁体的外圆周周向且同轴均匀布放，且圆棒与永磁体之间留有间隙。 
作为本发明的一个改进，所述的换能器还包含两个圆片状的导磁纯铁片；所述的两个导磁纯铁片分别设置在稀土超磁致伸缩材料的上端和前辐射头之间、及下端和后辐射头之间。所述的导磁纯铁片采用径向开缝，径向开缝的长度是半径的四分之三，即沿径向均匀分别若干不切透的缝隙。 
上述技术方案，所述的永磁体的长度小于圆棒的长度。 
上述技术方案，所述的换能器由预应力螺钉穿心紧固并提供预应力。 
上述技术方案，所述的线圈架及导线设置在两片导磁纯铁片之间。 
上述技术方案，所述前辐射头1采用轻金属材料制成，通常情况下选用铝合金、铝镁合金和钛合金等；所述后辐射头7采用重金属材料制作，通常情况下选用钢或铜材料。所述的换能器各连接构件间采用环氧树脂类粘接剂粘接。所述的永磁体采用铷铁硼材料加工并经过充分磁化后制作而成。上述技术方案中，所述永磁体4为圆管状，中间孔内可穿过预应力螺钉2；所述Terfenol-D棒5加工成直径较小的圆棒，均匀分布在永磁体4的圆周方向，Terfenol-D棒5与永磁体4不直接接触，永磁体4的长度小于Terfenol-D棒5。 
上述技术方案中，线圈架及导线6的中心有若干圆孔，Terfenol-D棒5与永磁体4布放其中，线圈架基体起定位、支撑的作用。 
上述技术方案中，所述前辐射头1、导磁纯铁片3、永磁体4和后辐射头7的中心均加工有孔，预应力螺钉2从孔中穿过并使上述零件相互间固定，同时为Terfenol-D棒5提供机械预应力。 
上述技术方案中，本发明在换能器的设计中采用了一种全新形式的静态偏磁场施加方式和一种全新的稀土材料布放结构。本发明采用的永磁体4是为Terfenol-D棒提供静态偏置磁场，将其制作成圆管状并置于稀土超磁致伸缩材料内部，在Terfenol-D棒的两端面各放置一导磁纯铁片，这样的结构使得Terfenol-D棒中的静态偏置磁场更均匀，有利于提高稀土超磁致伸缩材料的工作效率。本发明还针对大尺寸规格的Terfenol-D棒内的高频涡流损失较大、效率较低的缺点，将经常应用的大尺寸Terfenol-D棒分解成若干较小尺寸的Terfenol-D棒，均匀分布在永磁体的周围，这样的结构形式和布放方式有效地抑制了高频涡流的产生，大大提高了Terfenol-D棒驱动的复合棒式换能器在高频段的工作效率。 
本发明提供一种由稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)驱动的、工作在超声频段的复合棒式换能器，在此换能器的设计中采用了一种全新形式的静态偏磁场施加方式和一种全新的稀土材料布放结构。本发明优点在于，可以有效的克服稀土超磁致伸缩材料在高频段工作时的涡流损耗比较大、效率较低的缺点，在工程实际中具有 较大的应用价值。 
附图说明
图1是本发明提供的换能器结构示意图； 
图2是本发明提供的永磁体与八根Terfenol-D棒分布示意图。 
附图标志： 
1、前辐射头    2、预应力螺钉            3、导磁纯铁片 
4、永磁体      5、稀土超磁致伸缩材料    6、线圈架及导线 
7、后辐射头 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地描述。 
实施例1 
如图1所示，换能器的前辐射头1用硬铝材料加工成锥台形状，后辐射头7用黄铜材料加工成圆柱形状。Terfenol-D棒5为直径4mm的圆柱棒，其两端平面各与一圆片状导磁纯铁片3相连接，导磁纯铁片3分别与前、后辐射头相连接，换能器的整体结构由预应力螺钉2穿心紧固并提供机械预应力。线圈架及导线6安装在两片导磁纯铁片3之间，线圈架与导线6与导磁纯铁片3、Terfenol-D棒5和永磁体4在机械上均采用间隙配合，目的是使线圈架和导线6与其他结构件不产生刚性连接，从而不影响换能器的结构振动。 
所述的永磁体4是由铷铁硼材料加工成圆管形状并充分磁化后制成的。如图2所示，永磁体4布放在线圈架6的中心，预应力螺杆2从永磁体4的中心孔穿过。在永磁体4的圆周方向均匀分布八根Terfenol-D棒5，由线圈架6作为结构支撑和定位，Terfenol-D棒5与永磁体4不接触。八根Terfenol-D棒5的长度尺寸尽量保持一致并要大于永磁体4的长度1mm，目的是当对换能器整体结构施加机械预应力时，永磁体4不受到预应力的作用，而保证每根Terfenol-D棒5在长度方向的机械预应力近似相等。圆片形导磁纯铁片3在结构中是起导磁作用，即永磁体4产生的静态磁场能够通过导磁纯铁片3顺利过渡到Terfenol-D棒5的两端面，保证Terfenol-D棒内静态磁场的均匀。由于在工作时，导磁纯铁片3中同样会产生高频涡流，所以使用的导磁纯铁片3应做开缝处理，即沿导磁纯铁片的径向每隔15度角加工一0.2mm的缝隙，开缝时不能沿着半径方向完全切透，开缝的长度是半径的四分之三。为了使各结构件间(不包括线圈架及导线6)具有较好的机械耦合并能够顺利传递 Terfenol-D棒5的激励力，各结构件间应使用环氧树脂类粘接剂粘接。 
本发明为一种由稀土超磁致伸缩材料驱动的复合棒式换能器，当换能器工作时，导线6通电后产生交变磁场，八根Terfenol-D棒5在交变磁场和永磁体4提供的静态偏磁场作用下，产生磁致伸缩振动，并通过导磁纯铁片3的机械耦合带动了前、后辐射头的振动，实现了换能器的声辐射。在此换能器的设计中，通过结构上的创新，改变了Terfenol-D棒的布放方式，将原来一根大尺寸规格的Terfenol-D棒分解为多根分布式布放的小尺寸的Terfenol-D棒，大大减小了高频涡流的产生，提高了换能器的工作效率。同时，结构中还改变了Terfenol-D棒静态偏磁场的施加方式，并在Terfenol-D棒的两端面各放置一导磁纯铁片，这样的处理使得Terfenol-D棒中的静态偏磁场更加均匀，提高了Terfenol-D棒的工作效率。通过以上的创新设计，很大程度上解决了稀土超磁致伸缩材料在高频应用中所遇到的问题，拓宽了稀土超磁致伸缩材料在工程应用的频率范围。 
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (9)

1.一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，该换能器包括前辐射头、后辐射头、预应力螺钉、稀土超磁致伸缩材料、永磁体和线圈架及导线，其特征在于，
所述永磁体呈中空的圆管；
所述稀土超磁致伸缩材料为若干长度相同的Terfenol-D圆棒，所述的圆棒沿永磁体的外圆周周向均匀布放，且圆棒与永磁体之间留有间隙。
2.根据权利要求1所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的永磁体的长度小于圆棒的长度。
3.根据权利要求1所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的预应力螺钉同轴放置在永磁体的内部且与永磁体之间留有间隙，所述的换能器由预应力螺钉穿心紧固并提供预应力。
4.根据权利要求1所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的换能器还包含两个圆片状的导磁纯铁片；
所述的两个导磁纯铁片分别设置在稀土超磁致伸缩材料的上端和前辐射头之间、及下端和后辐射头之间。
5.根据权利要求4所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的导磁纯铁片采用径向开缝，径向开缝的长度是半径的四分之三。
6.根据权利要求4所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的线圈架及导线设置在两片导磁纯铁片之间。
7.根据权利要求1所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的换能器各连接构件间采用环氧树脂类粘接剂粘接。
8.根据权利要求1所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的前辐射头采用硬铝材料制成，后辐射头采用黄铜材料制成。
9.按权利要求1所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的永磁体采用铷铁硼材料加工并经过充分磁化后制作而成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102539540B (zh) * 2012-01-05 2013-10-23 大连交通大学 一种超声波导波同端激励与接收的超磁致伸缩换能器
CN104575478B (zh) * 2013-10-11 2018-03-20 有研稀土新材料股份有限公司 一种驱动元件及包含该驱动元件的稀土超磁致伸缩换能器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5510660A (en) * 1992-06-19 1996-04-23 Iowa State University Research Foundation, Inc. Magnetostrictive vibration generation system
WO2000071266A1 (en) * 1999-05-24 2000-11-30 Edge Technologies, Inc. High power ultrasonic transducer having a plurality of sub-motors connected to a single horn
CN2458091Y (zh) * 2000-12-27 2001-11-07 甘肃天星稀土功能材料有限公司 一种磁致伸缩超声换能器
CN2691717Y (zh) * 2004-04-26 2005-04-13 陕西师范大学 稀土超磁致伸缩超声换能器的有源振动器件
CN200941099Y (zh) * 2006-08-03 2007-08-29 长安大学 超磁致伸缩稀土纵振换能器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5510660A (en) * 1992-06-19 1996-04-23 Iowa State University Research Foundation, Inc. Magnetostrictive vibration generation system
WO2000071266A1 (en) * 1999-05-24 2000-11-30 Edge Technologies, Inc. High power ultrasonic transducer having a plurality of sub-motors connected to a single horn
CN2458091Y (zh) * 2000-12-27 2001-11-07 甘肃天星稀土功能材料有限公司 一种磁致伸缩超声换能器
CN2691717Y (zh) * 2004-04-26 2005-04-13 陕西师范大学 稀土超磁致伸缩超声换能器的有源振动器件
CN200941099Y (zh) * 2006-08-03 2007-08-29 长安大学 超磁致伸缩稀土纵振换能器

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周利生等.多边形稀土换能器.《声学与电子工程》.1996,(第1期),10-19. *
夏铁坚等.一种大功率稀土纵向振动换能器的研究.《声学技术》.2003,第22卷(第1期),22-25. *
莫喜平等.22kHz Terfenol-D水声换能器.《中国声学学会2002年全国声学学术会议论文集》.2002,503-504. *

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