CN102075828A - 一种水下甚低频宽带声源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下甚低频宽带声源，由外壳、振动组件、导向组件、支撑与密封组件、磁路组件、密封与电气接口组成，在水声探测、海洋地质勘探、水中目标模拟等许多领域，作为探测目标或者作为测试声源。为改善响应平坦性、拓宽带宽、提高工作可靠性、增大声源级，本发明对振动组件进行模态与质量控制，实现了质量轻、弯曲刚性大、寄生振荡少；通过柔性支撑，降低了系统工作频率下限，工作频带更宽、更平坦；通过限位和低摩擦的导向装置，提高了线圈的可靠性和信号的保真度；通过双线圈组合、强磁体闭合磁路的优化，提高了磁性推动力；内部自带橡胶气囊，结构简单、自适应静水压力补偿、使用方便。

Description

一种水下甚低频宽带声源

技术领域

本发明涉及水中声学换能器，主要是一种水下甚低频宽带声源。

背景技术

在水声探测、海洋地质勘探、水中目标模拟等许多领域，需要提供甚低频、宽频带的水下声源，以作为探测目标或者作为测试声源，对水声水听器、接收阵进行性能测量与性能标定。其对声源一般提出了如下要求：

1工作频带宽，频率下限尽量低如200Hz、频率上限尽量高如2000Hz；

2水平辐射全向无方向性如起伏不超过3dB；

3辐射信号声源级如超过160dB满足一般测量所需的信噪比；

4阻抗、发送电压或电流响应平坦如起伏不超过10dB，易于实现宽带复杂信号辐射；

5工作深度适应范围宽如5m～100m；

6尺寸小、质量轻如直径小于500mm、质量低于100kg，便于运输、安装。

在实现水下甚低频宽带声发射的解决方法中，常见的有电火花声源、溢流式压电拼镶圆环换能器、多模IV型弯张换能器、电动式换能器等。

电火花声源，是利用电极放电的原理，实现甚低频声发射，具有工作频带宽、水平辐射全向、尺寸小、质量轻等优点，其主要缺点是响应起伏大如对应200Hz～2000Hz，声压级起伏一般超过20dB。

溢流式压电拼镶圆环换能器，其工作原理是利用厚度极化的压电陶瓷条如PZT-4、PZT-8等，沿圆周拼镶而成一整体，圆环内部中空、置于水中充满液体，当向水中辐射声波时，会产生一个频率低的液腔振动模态和一个频率高点的径向振动模态，合理运用两水平全向的模态特性，可实现宽带辐射。由于换能器的液腔模态与腔体体积有关、径向振动频率与直径成反比，实现甚低频辐射的圆环换能器一般体积大、笨重如对应500Hz工作的换能器，直径达到Φ800mm左右，单只换能器质量在250kg左右，但由于有源元件体积大、能够施加足够的预应力、辐射面积大，能够实现大功率辐射如单只换能器声源级达到195dB～210dB；由于频带内阻抗、发送响应起伏大如15dB～20dB，与发射系统匹配难度大，不容易实现更低频率如200Hz的甚低频宽带复杂信号的辐射。

多模IV型弯张换能器，其工作原理是利用沿振动壳体长轴插入的纵向振动压电陶瓷堆，推动椭圆振动壳体作弯曲振动，通过合理利用弯曲振动的多个模态，可实现宽带甚低频辐射。频率越低，要求换能器的长轴越长如对应600Hz工作的换能器，长度达到600mm左右，单只换能器质量在80kg左右，同样也存在频带内阻抗、发送响应起伏大如15dB～20dB，与发射系统匹配难度大，不容易实现甚低频宽带复杂信号辐射。

电动式换能器，常见于空气中使用如作为音频信号发声的扬声器，水中使用的称之为水下扬声器或电动式换能器，两者原理相同，但水中使用的更复杂，此处所说仅对应是水下使用的电动式换能器。

水下使用的电动式换能器一般由振动组件、永磁组件、压力补偿结构、密封结构等组成、内腔为空气。其工作原理是将放置在永久磁场的线圈通一定频率的交流电，交流线圈切割永久磁场的磁力线，收到一个磁性推动力F＝I*B*L，F为力、I为通电电流、B为气隙永久磁场强度、L为通电线圈的有效长度，该推动力推动线圈作活塞式运动，进而推动与线圈连接的辐射盖板运动，从而向空气中或水中辐射声波。由于振动系统是一个大柔性系统，具有甚低频、宽带辐射能力，同时其阻抗、发送响应平坦，易于与发射系统匹配，从而实现宽带复杂信号辐射。

电动式换能器的甚低频频率下限一般取决于一阶纵振频率，宽带频率上限能力一般取决于一阶弯曲频率，一般要求电动式换能器具有更低的一阶纵振频率、更高的一阶弯曲频率，以得到更好的甚低频工作能力、更宽的频带，前者主要由振动组件的质量、弹性支撑的柔性控制，后者主要由振动系统的质量分布、各部分的弯曲刚度控制。电动式换能器发射信号能力的大小，主要取决于体积位移，即要求更大的辐射活塞、更大的振动位移；其要求辐射活塞以及振动系统质量轻、弯曲刚性大，要求永久磁场强、通电电流大、线圈体积大。要求系统质量轻与弯曲刚性大之间往往存在矛盾，要求磁场强与线圈体积大也存在矛盾。

由于振动组件一般包含辐射活塞、线圈、连接件、支撑件等，由于振动系统柔性大，在水中时，静水压力将会使线圈偏离平衡位置，为正常振动，电动式换能器需要进行压力补偿；常见的补偿方法有：

1外接管路，将其与置于水线外如船上、岸上、实验室的气体调压装置连接，根据工作深度，人工调节管路压力与之一致。其方式简单，但调节的精确度不高、使用不方便；

2外带气体压力主动控制装置，根据压力传感器信号，系统自动执行装置内高压仓、低压仓的阀门的开、关，其优点是控制精度高，但控制系统复杂、系统带有高压、低压仓而变得笨重；

3外带橡胶气囊补偿方式，具有自动补偿、使用方便的优点，由于橡胶气囊与换能器为分离式，结构复杂、尺寸大。

再者电动式换能器水中工作时一般需要横置工作，振动活塞在圆柱的一端，因为振动活塞的重力作用，振动线圈会受到一个偏心力矩，而线圈与磁体间隙小如0.3～0.6mm，常常因缺乏线圈防扁心、位移防过载的有效措施，容易造成线圈与磁体进行摩擦接触，既容易使甚低频发射信号波形畸变、失真，又容易造成线圈短路、损坏甚至卡住，影响系统的可靠使用；同时由于振动系统结构复杂，系统模态多，系统响应的平坦性差。

可以看出，电动式换能器是一大柔性系统，影响频带的带宽因素主要有：一阶纵振频率、一阶弯曲振动频率、频带内的寄生振荡；影响频带内的响应平坦性因素主要有：振动系统的机械阻尼与摩擦；影响工作的可靠性因素主要有：线圈的散热能力、线圈的电短路；影响频带内的声源级因素主要有：辐射面的大小、气隙内磁场的强度与均匀性、线圈的允许通电电流、线圈的长度等。

发明内容

本发明的目的正是要克服上述技术的不足，而提供一种水下甚低频宽带声源，是一种能借助于外加功率源如信号源、功率放大器，将电能转换成机械能，从而可向流体介质如淡水、海水、油等辐射声波的发射换能器，更确切的是指一种动圈式或电动式换能器，它能够辐射多个倍频程以上如200Hz～2000Hz，超过3个倍频程的甚低频宽带声信号。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种水下甚低频宽带声源，换能器由换能器外壳、振动组件、导向组件、支撑与密封组件、磁路组件、密封与电气接口组成；所述的换能器外壳由前段壳体、中段壳体、后段壳体组成，前段壳体、中段壳体为两端开口的圆柱形，后段壳体为一端开口、一端有盖板的圆柱形；所述的前段壳体、中段壳体、后段壳体的开口端部加工径向“O”型圈槽、端向密封用槽；其之间通过金属螺钉、“O”型密封圈进行刚性连接、密封；所述的支撑与密封组件由前支撑件、中支撑件、气囊部分组成；所述的前支撑件内边缘与所述的辐射端块相连，所述的前支撑件外边缘与所述的前段壳体相连；所述的中支撑件与所述的磁路组件中磁路外周段块通过螺钉相连以安装定位；所述的中支撑件与所述的前导向件、中导向件通过螺钉相连，对所述的前导向件、中导向件相连进行安装定位；所述的气囊安装在所述的换能器外壳中后段壳体内部，边缘安装在中段壳体、后段壳体之间的密封槽内；当换能器在空气中装配完成后，内部构成的气腔由所述的磁路组件分割成前、后两个腔体，两腔体内气体相互沟通。

作为优选，换能器外形为圆柱形，换能器在工作时，横置在水介质内一定深度，通过水密电缆与功率放大器相连。

作为优选，所述的振动组件由辐射端块、线圈前段连接块、线圈中段连接块、线圈后段连接块、线圈组成；所述的辐射端块和线圈中段连接块采用伞形结构，即表面呈锥形曲面；线圈后段连接块为圆柱形，靠近所述磁路组件的端部插入后导向件。

作为优选，所述的导向组件由前导向件、后导向件、中导向件组成；所述的前导向件31安装在所述的支撑与密封组件内的中支撑件上，通过螺钉连接；所述的前导向件内部安放有所述的线圈前段连接块；所述的后导向件安装在所述的磁路组件内磁路前段块端面上通过螺钉连接；所述的后导向件内部安放有所述的线圈后段连接块；所述的中导向件圆周边缘安装在所述的支撑与密封组件内的中支撑件上，通过螺钉连接；所述的中导向件中心安装在所述的振动组件内线圈前段连接块、线圈中段连接块之间，通过螺钉连接。

作为优选，所述的磁路组件由磁路前段块、磁路中段块、磁路后段块、磁路外周段块、磁路外端段块组成；所述的磁路前段块、磁路中段块、磁路后段块、磁路外周段块以及周围的空气，共同构成一个闭合永磁磁回路；所述的磁路组件，由所述的磁路前段块、磁路后段块与磁路外周段块构成具有两个可利用的磁隙，产生的永磁磁场方向沿半径方向、方向相反。

作为优选，所述的磁路前段块、磁路中段块、磁路后段块构成的整体，通过磁路后段块上加工的圆周均布的螺纹孔，与所述的磁路外端段块通过螺钉连接为一体；所述的磁路前段块内部安装有所述的后导向件，其靠近所述的磁路中段块的端面加工有螺纹孔，用于与穿过所述的磁路中段块的中心螺杆相连；所述的磁路外周段块与所述的磁路外端段块通过螺钉连接；所述的磁路外周段块靠近工作磁隙的上下两内表面有一层薄壁的导电金属环；所述的导电金属环通与所述的磁路外周段块连接，其靠近磁隙的表面镀有电绝缘层。

作为优选，所述的密封与电气接口由壳体气体密封件、壳体电缆输出头组成；所述的壳体气体密封件、壳体电缆输出头安装在所述的中段壳体圆周上；所述的壳体气体密封件由一个水密堵头和一个气体单向阀组成；所述的气体单向阀，当阀门开时可实现换能器内部气体减压；当与充气装置连接时，可实现对换能器内部气体加压；所述的水密堵头，用于承担换能器内部的气体保持和对换能器的水密；壳体电缆输出头与水密电缆相连用于对线圈的供电。

本发明有益的效果是：

1、工作频带达到200Hz～2000Hz，超过3个倍频程，信号失真度不超过5％；

2、频带内阻抗起伏在2倍以内，阻抗低不超过40Ω，工作电压低不超过200V，容易与功率放大系统匹配并发射宽带复杂信号；

3、频带内全向辐射、最大声压级可达到165～175dB；

4、可自动满足5m～100m宽深度范围下变深度工作，可满足实验室、湖泊与海洋等静态方式使用，也可满足湖泊与海洋中动态方式试验如放置在拖曳平台内；

5、外形尺寸为Φ200*600mm左右，空气中质量为50kg左右，便于安装、使用。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图；

附图标记说明：11-前段壳体；12-中段壳体；13-后段壳体；21-辐射端块；22-线圈前段连接块；23-线圈中段连接块；24-线圈后段连接块；25-线圈；31-前导向件；32-后导向件；33-中导向件；41-前支撑件；42-中支撑件；43-气囊；51-磁路前段块；52-磁路中段块；53-磁路后段块；54-磁路外周段块；61-壳体气体密封件；62-壳体电缆输出头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

为了改善宽带的响应平坦性以及拓宽宽带、提高工作可靠性、增大声源级，本发明提出的一种水下甚低频宽带声源，由换能器外壳、振动组件、导向组件、支撑与密封组件、磁路组件、密封与电气接口等6部分组成，1、对振动组件，采用了结构CAE分析方法，进行了模态与质量控制，实现了质量轻、弯曲刚性大、寄生振荡少，换能器工作频带更宽、更平坦；2、2、对振动组件，采用了柔性支撑、限位装置，降低了系统工作频率下限、防止振动过载并提高了抗冲击性；3、对振动组件，采用了低摩擦的导向装置，使线圈容易散热、防止线圈与磁体壁的直接摩擦，提高了线圈的可靠性和信号的保真度；4、对永磁组件，采用磁学有限元分析，采用了双线圈组合、强磁体闭合磁路的方法，提高了线圈工作气隙永磁磁场强度、均匀性、可利用的气隙体积，使磁场得到有效利用，使磁性推动力更大；5、内部自带橡胶气囊，与换能器结构一体密封，结构简单、自适应静水压力补偿、使用方便；

本发明提出的一种水下甚低频宽带声源，详细说明如下：换能器主要由换能器外壳、振动组件、导向组件、支撑与密封组件、磁路组件、密封与电气接口等6部分组成；其一种原理结构如图1所示，换能器外形为圆柱形，换能器在工作时，横置在水介质内一定深度，通过水密电缆与电子设备即功率放大器相连。

所述的换能器外壳，在其内部或表面安装所述的振动组件、导向组件、支撑与密封组件、磁路组件、密封与电气接口等5部分；所述的换能器外壳由前段壳体11、中段壳体12、后段壳体13等3部分组成；所述的前段壳体11、中段壳体12为两端开口的圆柱形，所述的后段壳体13为一端开口、一端有盖板的圆柱形；所述的前段壳体11、中段壳体12、后段壳体13的开口端部加工径向“O”型圈槽、端向密封用槽；其之间通过金属螺钉、“O”型密封圈等进行刚性连接、密封；所述的前段壳体11、中段壳体12两端侧面加工有安装接口，实现测试、使用中与配套夹具的安装；所述的前段壳体11、中段壳体12、后段壳体13具有耐海水腐蚀、强度好、弱磁性的特性，满足水中工作环境以及所述的磁路组件安装的弱磁性环境要求，可由铜合金、不锈钢、钛合金等金属材料制成；所述的前段壳体11内腔与所述的磁路组件有安装接口；所述的后段壳体13其一端的盖板表面开有圆周均布的通孔。

所述的振动组件，在工作时通过电-机-声转换，向水介质辐射声波；所述的振动组件具有质量轻、弯曲刚性大的特性，需要按照结构CAE进行模态分析，通过对振动组件进行材料、尺寸、形状等变化，对振动组件进行模态与质量控制，以实现质量轻、弯曲刚性大、寄生振荡少，一阶弯曲模态谐振频率比工作频带上限高，达到换能器工作频带更宽、更平坦；所述的振动组件由辐射端块21、线圈前段连接块22、线圈中段连接块23、线圈后段连接块24、线圈25等5部分组成；所述的辐射端块21、线圈前段连接块22、线圈中段连接块23、线圈后段连接块24、线圈25等5部分的连接，采用金属螺纹、金属螺钉并在粘接面附加高分子粘接剂如：环氧树脂粘接剂等方式进行连接；所述的辐射端块21要求直径尽量大，以提高水中辐射阻，尺寸范围一般在50～300mm内选择，尺寸选择与工作频率、材料选择相互关联；所述的辐射端块21由低密度的材料或复合材料制成，可由低密度的金属材料如铝合金、铝镁合金、非金属材料如碳纤维复合材料或者金属与塑料复合制成；所述的辐射端块21具有高刚性，为了提高弯曲刚性，采用伞形结构，即表面呈锥形曲面，直径大、厚度薄、背面有筋；同时为了减轻质量，在不接触液体传播介质的内侧，采用了打孔、局部淘空、或者同时在淘空部位粘接低密度、强度高的塑料部件等措施，通过折中、调整质量在空间的分布，以平衡轻质量、高刚性的双重要求；所述的辐射端块21满足海水腐蚀工作环境要求，可采用具有耐腐蚀的材料，或者在与液体传播介质接触的外侧采取防水处理，可采取涂覆防水胶层、表面喷塑、表面硫化橡胶等各种有效防水措施；所述的线圈前段连接块22、线圈中段连接块23、线圈后段连接块24由低密度、高刚性、高强度的材料或复合材料制成，可由低密度的金属材料如：铝合金、铝镁合金、非金属材料如：碳纤维复合材料或者金属与塑料复合制成；所述的线圈前段连接块22、线圈后段连接块24外圆表面，要求具有加工良好的光洁度，具有摩擦系数小、耐摩擦的特点；所述的线圈中段连接块23具有高刚性，为了提高弯曲刚性，采用伞形结构，即表面呈锥形曲面，面薄、背面有筋；同时为了减轻质量，曲面可不连续，在不接触所述的线圈的内侧，采用了打孔、淘空、或者同时在淘空部位粘接塑料等措施，通过调整质量在空间的分布，以平衡轻质量、高刚性的双重要求；所述的线圈后段连接块24为圆柱形，靠近所说磁路组件的端部插入所述的后导向件32，两者之间接触动态摩擦小；所述的线圈25由导电材料与低密度、高刚性的材料或复合材料制成；其中导电材料用于线圈的绕制，可由铜制、铝制漆包圆线或扁线制成，用于通交流电；其中低密度、高刚性的材料或复合材料用于线圈安装骨架的制作，可由低密度的金属材料如：铝合金、铝镁合金、非金属材料如：碳纤维复合材料或者金属与塑料复合或者非金属塑料如：聚碳酸酯材料、环氧树脂材料、聚酰亚胺材料等制成，以兼顾轻质量、高刚性；所述的导电材料，对应所述的磁路组件，在专用的夹具上绕制成空间分离的两个线圈，两组合线圈其绕制均匀、致密、方向相反，线圈的绕制厚度、长度与位置根据所述的磁路组件的磁场分布特性而定；所述的线圈25由安装骨架与组合线圈制成，其连接采用高分子粘接剂如：环氧树脂粘接剂等方式进行连接，并通过真空浸漆、后内外表面加工等处理，具有良好的刚度、尺寸精度，为线圈在所述的磁路组件形成的磁隙内自由运动提供了基础。

所述的导向组件，保证了所说振动组件在换能器横置工作式，不会出现由于偏心力矩的影响，使所述的线圈25相对于所述的磁路组件而出现偏心；所述的导向组件由前导向件31、后导向件32、中导向件33等3部分组成；所说前导向件31安装在所述的支撑与密封组件内的中支撑件42上，通过螺钉连接；所述的前导向件31内部安放有所述的线圈前段连接块22；所述的前导向件31具有良好的表面加工光洁度，由一滑动轴承嵌入到外套的轴套内组成，所述的滑动轴承与所述的线圈前段连接块22之间有极低的动态摩擦摩擦系数0.03～0.2；所述的前导向件31内的滑动轴承可以选择不同的基体材料，如青铜基板、不锈钢基板等；所述的后导向件32安装在所述的磁路组件内磁路前段块51端面上，通过螺钉连接；所述的后导向件32，内部安放有所述的线圈后段连接块24；所述的后导向件32，具有良好的表面加工光洁度，由一滑动轴承嵌入到外套的轴套组成，所述的滑动轴承与所述的振动组件内线圈后段连接块24之间有极低的动态摩擦摩擦系数达到0.03～0.2；所述的后导向件32内的滑动轴承可以选择不同的基体材料，如青铜基板、不锈钢基板等；所述的中导向件33圆周边缘安装在所述的支撑与密封组件内的中支撑件42上，通过螺钉连接；所述的中导向件33中心安装在所述的振动组件内线圈前段连接块22、线圈中段连接块23之间，通过螺钉连接；所述的中导向件33，控制着所述的振动组件一阶纵向振动模态的弹性，其材料、尺寸选择由一阶纵向振动模态的谐振频率而确定；所述的中导向件33具有耐疲劳、弹性好、质量轻的特性，可由弹性好、强度高、耐疲劳的金属材料如铍青铜、锡青铜、钛合金等、非金属材料如：玻璃纤维制成；所述的中导向件33具有柔性大、阻尼小的特点如可满足±5mm大线性振动位移，外形为薄板形、外形尺寸大，具有特定的形状如：“十”字形、“8”字形、同心环与十字复合形等。

所述的支撑与密封组件由前支撑件41、中支撑件42、气囊43等3部分组成；所述的前支撑件41内边缘与所述的辐射端块21相连，可通过硫化或者附加压板端向压紧密封等方式，保证水密、气密；所述的前支撑件41外边缘与所述的前段壳体11相连，通过附加压板端向压紧等方式，保证水密、气密；所述的前支撑件41具有水密、气密性好、柔软的特点，使所述的振动组件振动时附加阻尼小、振动自由，可由丁基橡胶材料硫化而成，整体外形为圆环Ω形、槽窄、边缘厚、中部薄，厚度一般为0.5～2.0mm；所述的前支撑件41外形尺寸需根据工作频段、所述的辐射端块21、所述的前段壳体11而确定，边缘具有高的声阻，防止声短路；所述的中支撑件42与所述的磁路组件中磁路外周段块54通过螺钉相连以安装定位；所述的中支撑件42与所述的前导向件31、中导向件33通过螺钉相连，对所述的前导向件31、中导向件33相连进行安装定位；所述的中支撑件42具有弱磁性、高刚性的特点，可采用金属材料如铝合金等适当材料制成；所述的气囊43具有水密、气密性好、柔软的特点，可由丁基橡胶材料硫化而成，整体外形呈杯状，开口宽、底部窄，厚度一般为0.5～2.0mm；所述的气囊43安装在所述的换能器外壳中后段壳体13内部，边缘安装在中段壳体12、后段壳体13之间的密封槽内；所述的气囊43，当换能器在空气中装配完成后，内部构成的气腔由所述的磁路组件分割成前、后两个腔体，两腔体内气体相互沟通；所述的气囊43，当换能器在空气中装配完成后内部填充了空气而表面饱满，当换能器横置于水内时，水从所述的后壳体的一端盖板的开孔进入所述的后段壳体13与气囊43之间的腔内，气囊受到外部压力而体积变小，内部气压而变大，至内部气体压力与外部静水压力一致时，气囊体积保持，从而换能器另一端的所述的辐射端块21得到压力自适应补偿而保持在平衡位置；所述的腔体，其内部的前后空气腔体的大小选择与工作深度相关，内部的气体柔性选择也影响工作下限频率段的性能。

所述的磁路组件由磁路前段块51、磁路中段块52、磁路后段块53、磁路外周段块54、磁路外端段块55等5部分组成；所述的磁路前段块51、磁路中段块52、磁路后段块53、磁路外周段块54以及周围的空气，共同构成一个闭合永磁磁回路；所述的磁路组件，由所述的磁路前段块51、磁路后段块53与磁路外周段块54构成具有两个可利用的磁隙，从而磁利用率双倍提高；所述的两个空气隙内产生的永磁磁场方向沿半径方向、方向相反；所述的磁路组件具有磁隙宽如：4～6mm、漏磁小、磁场强度高如：B场可达到0.6～1.0T等特征；所述的磁路组件，通过磁学有限元方法，进行磁场参数如：磁场强度、磁性力、磁力线分布、漏磁等计算与优化，在此基础上选择适当性能材料、尺寸；所述的磁路磁隙的性能如：磁场强度及分布、尺寸与所说振动组件中的所述的线圈25密切相关，并决定了推动力的大小；所述的磁路前段块51、磁路中段块52、磁路后段块53，具有良好的表面光洁度、同心度、中心有通孔，在专用夹具内通过贯通的中心螺杆连接为一体；所述的磁路前段块51、磁路中段块52、磁路后段块53构成的整体，通过磁路后段块53上加工的圆周均布的螺纹孔，与所述的磁路外端段块55通过螺钉连接为一体；所述的磁路前段块51是磁路的磁力线的导向、会聚通道，具有磁导率高、饱和磁感应强度高的特点，可由块状高导磁率软磁材料如：坡莫合金、电工纯铁、低碳钢等制成。所述的磁路前段块51具有强度高、易加工的特点，其离开所述的磁路中段块52的端面加工有孔，内部安装有所述的后导向件32；其靠近所述的磁路中段块52的端面加工有螺纹孔，用于与穿过所述的磁路中段块52的中心螺杆相连。所述的磁路中段块52的中心螺杆与所述的线圈后段连接块24靠近所说磁路组件的端部之间有适当距离，允许所说振动组件在工作频段内有适当的振动位移而不会位移过载。所述的磁路中段块52是永久磁铁，是磁路的磁源，具有矫顽力高、剩磁感应强度高的特点，其磁化方向沿厚度方向，可由块状高磁能级永磁材料如：磁能级45MGOe钕铁硼NdFeB永磁等制成。所述的磁路后段块53是磁路的磁力线的导向、会聚通道，具有磁导率高、饱和磁感应强度高的特点，可由块状高导磁率软磁材料如：坡莫合金、电工纯铁、低碳钢等制成。所述的磁路外周段块54具有良好的表面光洁度，端面上加工有圆周均布的螺纹孔，与所述的磁路外端段块55通过螺钉连接；

所述的磁路外周段块54是磁路的磁力线的导向、会聚通道，具有磁导率高、饱和磁感应强度高的特点，可由块状高导磁率软磁材料如：坡莫合金、电工纯铁、低碳钢等制成。所述的磁路外周段块54靠近工作磁隙的上下两内表面有一层薄壁的导电金属环；所述的导电金属环通过镶嵌、焊接等方式与所述的磁路外周段块54连接，其靠近磁隙的表面具有良好的光洁度并镀有电绝缘层。所述的导电金属环由弱磁性、高导电性、大导热系数的材料制成如：铜合金。所述的磁路外端段块55具有强度好、弱磁性、易加工的特性，可由块状铝合金等材料制成；所述的磁路外端段块55在靠近所述的磁路外周段块54的端面适当位置有凹槽、圆周均布的通孔；所述的磁路外端段块55上所述的凹槽与所述的线圈25底部之间有适当距离，允许所说线圈25在工作频段内有适当的振动位移而不会位移过载；所述的磁路外端段块55上所述的圆周均布的通孔是换能器内腔中气体的流通通道，也有利于线圈工作时的散热；所述的磁路外端段块55与所述的前段壳体11有良好的同心度，通过圆周均布的螺钉等方式相连。

所述的密封与电气接口由壳体气体密封件61、壳体电缆输出头62等组成；所述的壳体气体密封件61、壳体电缆输出头62安装在所述的中段壳体12圆周上；所述的壳体气体密封件61由一个水密堵头和一个气体单向阀组成。所述的气体单向阀，当阀门开时可实现换能器内部气体减压；当与充气装置连接时，可实现对换能器内部气体加压；所述的水密堵头，同时承担了换能器内部的气体保持和对换能器的水密。所述的壳体电缆输出头62，与水密电缆相连实现了对线圈的供电，通过相关的“O”型圈与连接螺钉，实现了与所述的中段壳体12的水密连接。

具体实施例：按照本发明，研制出一种水下甚低频宽带声源，外形尺寸为Φ200*600mm左右，空气中质量为50kg左右，工作频带达到200Hz～2000Hz，信号失真度不超过5％、频带内阻抗起伏在2倍以内、阻抗低不超过40Ω、工作电压低不超过200V、频带内最大声压级可达到165～175dB、可自动满足5m～100m变深度工作，可满足实验室、湖泊与海洋等静态方式使用，也可满足湖泊与海洋中动态方式使用如放置在拖曳平台内。

本发明提出的一种水下甚低频宽带声源，结构示意如图1所示，具体安装方式如下。

1、准备结构部件：包括图1中给出的各部件以及相关的连接螺钉、螺杆、“O”型密封圈等；

2、组装磁路组件：将磁路前段块51、磁路中段块52、磁路后段块53在专用夹具内通过贯通的中心螺杆连接为一体；将磁路前段块51、磁路中段块52、磁路后段块53构成的整体，通过磁路后段块53上加工的圆周均布的螺纹孔，与磁路外端段块55通过螺钉连接为一体；将磁路外周段块54与磁路外端段块55通过圆周均布的螺钉连接为一体；

3、安装导向件与支撑件：将后导向件32安装在磁路前段块51上；将中支撑件42与磁路组件中磁路外周段块54通过螺钉相连；

4、准备振动组件：将辐射端块21与前支撑件41可通过硫化或者附加压板端向压紧密封等方式相连；将线圈中段连接块23与线圈后段连接块24、线圈25通过金属螺纹、在粘接面附加高强度粘接剂如环氧树脂粘接剂等方式进行相连；

5、组装振动组件并安装导向件：将线圈中段连接块23、线圈后段连接块24、线圈25构成的整体，与中导向件33、线圈前段连接块22通过螺钉相连；将线圈中段连接块23、线圈后段连接块24、线圈25、中导向件33、线圈前段连接块22构成的整体，通过将线圈25插入磁路组件的磁隙内、线圈后段连接块24插入磁路组件上的后导向件32内，并将中导向件33固定安装在与磁路组件相连的前支撑件41上；然后将前导向件31套入线圈前段连接块22上，并将前导向件31固定安装在与磁路组件相连的前支撑件41上；然后将连有前支撑件41的辐射端块21与线圈前段连接块22通过螺纹相连；

6、磁路组件的装入：将安装有导向组件、振动组件的磁路组件放入前段壳体11内，将磁路外端段块55与前段壳体11、前支撑件41外边缘与前段壳体11分别通过圆周均布的螺钉、通过附加压板端向压紧密封等方式相连；

7、连接壳体：将壳体气体密封件61、壳体电缆输出头62与中段壳体12水密相连；将线圈25的电气引线与壳体电缆输出头62的接口相连；将中段壳体12插入前段壳体11并相连；将气囊43装入后段壳体13内；将后段壳体13插入中段壳体12并相连；通过壳体气体密封件61调节换能器腔内在空气中的初始压力并完成密封，从而完成整个换能器的装配；

8、换能器入水准备：将换能器通过前段壳体11、中段壳体12连接夹具；将壳体电缆输出头62与水密电缆相连，换能器即可入水使用。

除上述实施例外，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 (7)

1.一种水下甚低频宽带声源，其特征是：换能器由换能器外壳、振动组件、导向组件、支撑与密封组件、磁路组件、密封与电气接口组成；所述的换能器外壳由前段壳体(11)、中段壳体(12)、后段壳体(13)组成，前段壳体(11)、中段壳体(12)为两端开口的圆柱形，后段壳体(13)为一端开口、一端有盖板的圆柱形；所述的前段壳体(11)、中段壳体(12)、后段壳体(13)的开口端部加工径向“O”型圈槽、端向密封用槽；其之间通过金属螺钉、“O”型密封圈进行刚性连接、密封；所述的支撑与密封组件由前支撑件(41)、中支撑件(42)、气囊(43)部分组成；所述的前支撑件(41)内边缘与所述的辐射端块(21)相连，所述的前支撑件(41)外边缘与所述的前段壳体(11)相连；所述的中支撑件(42)与所述的磁路组件中磁路外周段块(54)通过螺钉相连以安装定位；所述的中支撑件(42)与所述的前导向件(31)、中导向件(33)通过螺钉相连，对所述的前导向件(31)、中导向件(33)相连进行安装定位；所述的气囊(43)安装在所述的换能器外壳中后段壳体(13)内部，边缘安装在中段壳体(12)、后段壳体(13)之间的密封槽内；当换能器在空气中装配完成后，内部构成的气腔由所述的磁路组件分割成前、后两个腔体，两腔体内气体相互沟通。

2.根据权利要求1所述的水下甚低频宽带声源，其特征是：换能器外形为圆柱形，换能器在工作时，横置在水介质内一定深度，通过水密电缆与功率放大器相连。

3.根据权利要求1所述的水下甚低频宽带声源，其特征是：所述的振动组件由辐射端块(21)、线圈前段连接块(22)、线圈中段连接块(23)、线圈后段连接块(24)、线圈(25)组成；所述的辐射端块(21)和线圈中段连接块(23)采用伞形结构，即表面呈锥形曲面；线圈后段连接块(24)为圆柱形，靠近所述磁路组件的端部插入后导向件(32)。

4.根据权利要求1所述的水下甚低频宽带声源，其特征是：所述的导向组件由前导向件(31)、后导向件(32)、中导向件(33)组成；所述的前导向件(31)安装在所述的支撑与密封组件内的中支撑件(42)上，通过螺钉连接；所述的前导向件(31内部安放有所述的线圈前段连接块(22)；所述的后导向件(32)安装在所述的磁路组件内磁路前段块(51)端面上通过螺钉连接；所述的后导向件(32内部安放有所述的线圈后段连接块(24)；所述的中导向件(33)圆周边缘安装在所述的支撑与密封组件内的中支撑件(42)上，通过螺钉连接；所述的中导向件(33)中心安装在所述的振动组件内线圈前段连接块(22)、线圈中段连接块(23)之间，通过螺钉连接。

5.根据权利要求1所述的水下甚低频宽带声源，其特征是：所述的磁路组件由磁路前段块(51)、磁路中段块(52)、磁路后段块(53)、磁路外周段块(54)、磁路外端段块(55)组成；所述的磁路前段块(51)、磁路中段块(52)、磁路后段块(53)、磁路外周段块(54)以及周围的空气，共同构成一个闭合永磁磁回路；所述的磁路组件，由所述的磁路前段块(51)、磁路后段块(53)与磁路外周段块(54)构成具有两个可利用的磁隙，产生的永磁磁场方向沿半径方向、方向相反。

6.根据权利要求5所述的水下甚低频宽带声源，其特征是：所述的磁路前段块(51)、磁路中段块(52)、磁路后段块(53)构成的整体，通过磁路后段块(53)上加工的圆周均布的螺纹孔，与所述的磁路外端段块(55)通过螺钉连接为一体；所述的磁路前段块(51)内部安装有所述的后导向件(32)，其靠近所述的磁路中段块(52)的端面加工有螺纹孔，用于与穿过所述的磁路中段块(52的中心螺杆相连；所述的磁路外周段块(54)与所述的磁路外端段块(55)通过螺钉连接；所述的磁路外周段块(54)靠近工作磁隙的上下两内表面有一层薄壁的导电金属环；所述的导电金属环通与所述的磁路外周段块(54)连接，其靠近磁隙的表面镀有电绝缘层。

7.根据权利要求1所述的水下甚低频宽带声源，其特征是：所述的密封与电气接口由壳体气体密封件(61)、壳体电缆输出头(62)组成；所述的壳体气体密封件(61)、壳体电缆输出头(62)安装在所述的中段壳体(12)圆周上；所述的壳体气体密封件(61)由一个水密堵头和一个气体单向阀组成；所述的气体单向阀，当阀门开时可实现换能器内部气体减压；当与充气装置连接时，可实现对换能器内部气体加压；所述的水密堵头，用于承担换能器内部的气体保持和对换能器的水密；壳体电缆输出头(62)与水密电缆相连用于对线圈的供电。

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