CN102136268B - 一种折回式压电陶瓷低频水声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折回式压电陶瓷低频水声换能器，包括前辐射头、尾质量块、前后弯曲梁、前后压电晶堆、中间反相压电晶堆、壳体和输出电缆线；前、后弯曲梁连同前辐射头和尾质量块按一定的方式分别粘接在上述压电晶堆的两端，使压电晶堆实现折尺状“Z”字形折回结构。壳体结合密封圈实现水下密封。输出电缆线通过尾质量块将压电晶堆的引线连接至外激励源。本发明充分利用换能器的体积空间，增加其发声功率容量，通过压电晶堆的纵向伸缩振动模态和弯曲梁的弯曲振动模态的合理结合，实现了水声换能器低频率与轻小型特征的共存，具有结构简单、制作方便、造价低廉、拆装便捷、应用广泛的优点。

Description

一种折回式压电陶瓷低频水声换能器

技术领域

本发明涉及一种水声换能器，特别是一种折回式压电陶瓷低频水声换能器。属于声学传感器领域，适用于水中的、用来实现电声能量相互转换的、收发合置的低频水声换能器。

背景技术

迄今为止，利用声波作为信息载体是最为有效的水下探测手段，而水声换能器则是其不可或缺的关键部件。伴随着现代声纳技术的快速发展和应用要求的不断提高，水声换能器的低频、轻小型化已成为其发展的重要趋势。目前应用较为广泛的低频换能器有：超磁致伸缩低频水声换能器、弯张换能器及其改型产品、弯曲换能器、溢流式嵌镶圆管换能器等几种类别。

现有公开的文献(Steohen C.Butler，A 2.5kHz magnetostrictive Tonpilz sonartransducer design，Amart Structures and Materials 2002：Active Materials：Behaviorand Mechanics，Vol.4669，2002，P510-521.)中介绍了一种铽镝铁稀土超磁致伸缩材料制作的纵振复合棒式低频水声换能器，这种换能器利用了功能材料铽镝铁的低声速特性使其谐振频率显著降低，然而换能器却具有15kg的重量。

在文献(Kenneth D.Rolt，History of the flextensional electroacoustic transducer，The Joumal of the Acoustical Society of America，March 1990，Vol.87，No.3，P1340-1349.)和美国专利US 4922470对基于这种发声机理的水声换能器进行了介绍，它们将有源元件的某种伸缩振动模式，经过合理的机械变换结构，激励产生频率相对较低的其它振动模式(如薄壳的弯曲振动)，从而实现低频声辐射。这类换能器可轻易实现3kHz以下的低频谐振，但绝大部分都具有3kg以上的质量和相对较大的体积。

美国专利US 4709361公开了一种弯曲圆盘水声换能器，该换能器利用了结构的弯曲振动模态实现低频谐振，但换能器受边界支撑条件的影响很大，其应用受到了很大的限制。

在公开的文献“溢流式嵌镶圆管发射换能器的有限元分析”，(《鱼雷技术》，Vol.16，No.6，2008，44-47.)文中介绍了溢流环利用赫姆霍兹共鸣液腔原理实现其低频谐振的发声机理。所描述的溢流式嵌镶圆管换能器实现了2.3kHz的低频液腔谐振，但其重量超过4kg。

综上所述，上述水声换能器均可轻易实现1～3kHz的低频电声转换，但它们在实际应用中却存在一些共同的缺点和不足：(1).质量重(一般要在几千克甚至十几千克)；(2).占空体积大；(3).应用受限(尤其不利于阵列布放)；(4).造价高昂。因此严格来讲，虽然上述换能器均具有低频的特点，但在轻小型方面却都不具备绝对优势。

发明内容

为解决水声换能器低频率、轻小型特性共存的技术难题，本发明提供一种折回式压电陶瓷低频水声换能器。这种折回结构的水声换能器装置，充分利用换能器的体积空间及其结构上的紧凑设计，合理结合不同构件的纵向振动模态和弯曲振动模态，兼顾实现水声换能器的低频率、轻小型特性。不仅适用范围广、电声效率高、造价低廉，而且换能器收发合置应用便捷、运行可靠。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供的折回式压电陶瓷低频水声换能器包括前辐射头、尾质量块、弯曲梁、压电晶堆、壳体和输出电缆。所述的压电晶堆有两个前压电晶堆、两个后压电晶堆和一个中间反相压电晶堆；所述的弯曲梁有前弯曲梁和后弯曲梁；前、后弯曲梁连同前辐射头和尾质量块按一定的方式分别粘接在压电晶堆的两端，壳体结合密封圈实现水下密封，输出电缆线通过尾质量块将压电晶堆的引线连接至外激励源；整体结构相互对称。

所述压电晶堆均由偶数个压电陶瓷薄片串联粘接而成，相邻两个压电陶瓷薄片的极化方向是相反的，且其粘接面处有电极片引出电极，每个压电晶堆的同性电极片电学并联连接，按极化方向的“正”、“负”共引出两个抽头，压电晶堆两端各有一个绝缘垫片，压电晶堆通过预应力螺栓施加合适的预应力。需要注意的是，为了时刻保证前、后两个压电晶堆与中间反相压电晶堆振动反相，需将前、后两个压电晶堆的“极化+”、“极化-”抽头与中间反相压电晶堆的“极化-”、“极化+”抽头对应连接在一起。同时为了保证结构的可实现性，需要中间反相压电晶堆的压电陶瓷薄片个数要适当少于前、后压电晶堆；弯曲梁连同前辐射头和尾质量块按一定的方式分别粘接在上述压电晶堆的两端，前压电晶堆、后压电晶堆和中间反相压电晶堆与前弯曲梁和后弯曲梁构成折尺状“Z”字形折回结构。

采用的前压电晶堆和后压电晶堆各为两个、一个中间反相压电晶堆和两个弯曲梁；中间反相压电晶堆粘接在前弯曲梁和后弯曲梁之间，且前弯曲梁和后弯曲梁相互垂直；前压电晶堆平行粘接在前辐射头和后弯曲梁之间；后压电晶堆平行粘接在尾质量块和前弯曲梁之间；使整体结构上具有对称特性。

为了增大辐射面积，前辐射头制做成圆锥台型结构，材料为硬铝、铝镁合金等轻金属；尾质量块为圆柱型结构，材料为钢、黄铜等重金属；其设计的特点是为了获得较大的前、后端面振速比，从而增加前辐射面的声辐射。

本发明折回式压电陶瓷低频水声换能器，合理利用了压电晶堆的纵向伸缩振动模态和弯曲梁的弯曲振动模态，有效的解决了水声换能器低频、轻小型特性共存的问题。其有益效果是，折回式结构充分利用了体积空间，能有效的增加换能器的发声功率容量，从而使得换能器的发射能力和接收灵敏度得以提高；本发明折回式压电陶瓷低频水声换能器结构简单、制作方便、造价低廉，尤其是前辐射面发声的方式给换能器的应用带来方便，使其应用面更加的广泛，特别适合于阵列排布。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种折回式压电陶瓷低频水声换能器作进一步详细描述。

图1为本发明折回式压电陶瓷低频水声换能器的结构示意图。

图2为本发明低频水声换能器中间反相压电晶堆部分的结构及其级联关系示意图。

图3为本发明低频水声换能器前压电晶堆部分的结构及其级联关系示意图。

图4为本发明低频水声换能器后压电晶堆部分的结构及其级联关系示意图。

图中：

1.前辐射头    2.密封圈    3.前弯曲梁    4.前压电晶堆5.中间反相压电晶堆    6.后压电晶堆    7.壳体    8.后弯曲梁    9.尾质量块10.定位螺栓    11.壳体定位孔    12.尾质量块定位螺孔    13.输出电缆线14.绝缘垫片    15.电极片    16.电极连线    17.压电陶瓷片18.绝缘套管    19.弹簧垫片    20.预应力螺栓

具体实施方式

本实施例是一种折回式压电陶瓷低频水声换能器。包括前辐射头1、尾质量块9、弯曲梁、压电晶堆、壳体7和输出电缆13。其中压电晶堆有两个前压电晶堆4、两个后压电晶堆6和一个中间反相压电晶堆5；弯曲梁有前弯曲梁3和后弯曲梁8；前、后弯曲梁连同前辐射头和尾质量块按一定的方式分别粘接在压电晶堆的两端，壳体结合密封圈实现水下密封，输出电缆线通过尾质量块将压电晶堆的引线连接至外激励源；整体结构相互对称。

图1所示是本发明折回式压电陶瓷低频水声换能器的结构，前辐射头1呈圆锥台型并装有密封圈2；尾质量块9为圆柱型并装有密封圈2；壳体7为圆筒型，结合两个密封圈2实现水下密封；壳体7上设置有壳体定位孔11，尾质量块9上设置有尾质量块定位螺孔12，通过定位螺栓10实现壳体7的定位；输出电缆线13通过尾质量块9将压电晶堆的引线连接至外激励源；压电晶堆共包含三种类型，即前压电晶堆4、后压电晶堆6和中间反相压电晶堆5，压电晶堆结合前弯曲梁3和后弯曲梁8共同实现类似于折尺状“Z”字形折回结构。其中前压电晶堆4共两个，平行粘接在前辐射头1和后弯曲梁8之间；后压电晶堆6共两个，平行粘接在尾质量块9和前弯曲梁3之间；中间反相压电晶堆5仅有一个，粘接在前弯曲梁3和后弯曲梁8之间，并保证前弯曲梁3和后弯曲梁8相互垂直。

上述三种类型压电晶堆均需要通过预应力螺栓20施以合适大小的预应力，预应力螺栓20需与弹簧垫片19配合使用，其外套有绝缘套管18。前压电晶堆4、后压电晶堆6和中间反相压电晶堆5均由偶数个压电陶瓷片17串联粘接而成，压电晶堆两端各有一个绝缘垫片14，相邻的两个压电陶瓷片的极化方向是相反的且在其粘接面处有电极片15引出电极，每个压电晶堆的同性电极片通过电极连线16电学并联连接在一起。

需要注意的两点是：一、为了保证前压电晶堆4、后压电晶堆6每时每刻都与中间反相压电晶堆5的振动反相，需按压电陶瓷片17的极化方向，将前、后两个压电晶堆的“极化+”、“极化-”抽头与中间反相压电晶堆5的“极化-”、“极化+”抽头对应连接在一起，然后再共同连接到同一外激励源上；二、为了保证结构的可实现性，需要中间反相压电晶堆5的压电陶瓷薄片个数要适当少于前、后压电晶堆的压电陶瓷薄片个数。

本发明折回式压电陶瓷低频水声换能器的具体装配过程如下：

(1).首先用环氧树脂将压电陶瓷片17和电极片15交叉串联粘接在一起，并在两端分别粘接绝缘垫片14，形成中间反相压电晶堆5，压电陶瓷片的极化方向如图2所示；

(2).将中间反相压电晶堆5和前弯曲梁3、后弯曲梁8粘接在一起，并通过预应力螺栓20施以合适大小的预应力，预应力螺栓20需弹簧垫片19配合使用，其外套有绝缘套管18。粘接过程中需保证前弯曲梁3和后弯曲梁8相互垂直，如图2所示；

(3).用环氧树脂将压电陶瓷片17和电极片15交叉串联粘接在一起，并在两端分别粘接绝缘垫片14，形成前压电晶堆4，共粘接两组。压电陶瓷片的极化方向如图3所示；

(4).将两组前压电晶堆4平行粘接在前辐射头1和后弯曲梁8之间，并通过预应力螺栓20施以合适大小的预应力，预应力螺栓20需弹簧垫片19配合使用，其外套有绝缘套管18。如图3所示；

(5).用环氧树脂将压电陶瓷片17和电极片15交叉串联粘接在一起，并在两端分别粘接绝缘垫片14，形成后压电晶堆6，共粘接两组。压电陶瓷片的极化方向如图4所示；

(6).将两组后压电晶堆6平行粘接在前弯曲梁3和尾质量块9之间，并通过预应力螺栓20施以合适大小的预应力，预应力螺栓20需弹簧垫片19配合使用，其外套有绝缘套管18。如图4所示；

(7).将上面的各压电晶堆的电极片15进行并联连线，并最终实现前、后两个压电晶堆的“极化+”、“极化-”抽头与中间反相压电晶堆5的“极化-”、“极化+”抽头对应连接在一起，如图2、图3、图4所示；

(8).将上面压电晶堆的引线通过输出电缆线13从尾质量块9引出；

(9).将密封圈2均匀涂抹润滑剂后置于前辐射头1和尾质量块9的对应密封槽内；

(10).将壳体7从尾端套入，完成对换能器的水下密封。壳体7通过1个定位螺栓10进行定位。

本发明折回式压电陶瓷低频水声换能器的所实现的主要功能包括：

换能器兼顾水下声波的发射与接收功能；折回式的结构将显著增加换能器的发声功率容量，充分利用了体积空间，将压电晶堆的纵向伸缩振动模态和弯曲梁的弯曲振动模态合理结合起来，实现了水声换能器低频率与轻小型特征的共存；活塞式的发声方式使换能器的应用面更加广泛，特别适合于阵列排布；换能器壳体加密封圈式的防水设计使其在日常维护与检修上更加便捷。

Claims (4)

1.一种折回式压电陶瓷低频水声换能器，包括前辐射头、尾质量块、弯曲梁、压电晶堆、壳体和输出电缆，其特征在于：所述的压电晶堆有两个前压电晶堆(4)、两个后压电晶堆(6)和一个中间反相压电晶堆(5)；所述的弯曲梁有前弯曲梁(3)和后弯曲梁(8)；前压电晶堆(4)、后压电晶堆(6)和中间反相压电晶堆(5)，与前弯曲梁(3)和后弯曲梁(8)构成折尺状“Z”字形折回结构；中间反相压电晶堆(5)粘接在前弯曲梁(3)和后弯曲梁(8)之间，且前弯曲梁(3)和后弯曲梁(8)相互垂直；前压电晶堆(4)平行粘接在前辐射头(1)和后弯曲梁(8)之间；后压电晶堆(6)平行粘接在尾质量块(9)和前弯曲梁(3)之间；前、后弯曲梁连同前辐射头(1)和尾质量块(9)分别粘接在压电晶堆的两端，壳体(7)结合密封圈(2)实现水下密封，输出电缆(13)通过尾质量块(9)将压电晶堆的引线连接至外激励源；整体结构相互对称。

2.根据权利要求1所述的折回式压电陶瓷低频水声换能器，其特征在于：所述压电晶堆均由偶数个压电陶瓷片(17)串联粘接而成，每个压电晶堆的同性电极片通过电极连线(16)电学并联连接在一起；中间反相压电晶堆(5)的压电陶瓷薄片个数要适当少于前、后压电晶堆的压电陶瓷薄片个数。

3.根据权利要求1所述的折回式压电陶瓷低频水声换能器，其特征在于：按压电陶瓷片(17)的极化方向，将前、后两个压电晶堆的“极化+”、“极化-”抽头与中间反相压电晶堆(5)的“极化-”、“极化+”抽头对应连接在一起。

4.根据权利要求1所述的折回式压电陶瓷低频水声换能器，其特征在于：所述压电晶堆均需要通过预应力螺栓(20)施以合适大小的预应力。

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