CN1027949C - 声发射器 - Google Patents

Abstract

一种用于声发射器的驱动标准部件包括一个带有用于容纳驱动元件(20)和预应力装置(22)的窗口的由磁性材料制成的骨架。两个带有驱动元件的窗口和一个带有一个预应力装置的中间窗口形成一个纵行，该纵行利用驱动元件上的压力钮销(24)和骨架上的隙孔(14)将位于声发射器内的压力棒材(4)卡紧在声发射器的壳体(1)上。驱动标准部件可以包括多个纵行。

Description

本发明涉及一种用于声发射器的驱动组件。目前的声发射装置可以同时作为发射器和接收器，也就是作为声信号的测量变换器。可以非常有利地应用本发明的声发射装置即所谓的声呐，也就是一种在水下发出声波，经反射后能被各种类型的水听器监控的声发射器。

这是一个熟知的事实，即低频率的声波比高频率的声波在水下传送得更远。长时期以来，不论从军事观点上和离岸石油和气体燃料工业观点上都十分需要有能在水下操作的强有力低频声发射器。长时间以来，市场上已有供应为此目的和用途的各种设计的声发射器。在1984年11月期的“国防系统评论”（Defense    System    Review）第50-55页上题为“结合稀土合金的声呐换能器设计”一文中对这种声发射器已有综合性的报道。

目前应用的大部分声发射器都是基于压电效应或者磁致伸缩现象。如已熟知的，压电效应就是当一个电压施加在一种晶体物质的端面时，该晶体物质的长度就会改变，而相应地，当该物质经受形变时就可以得到一个电压。磁致伸缩现象是一种磁性材料经受磁通量的变化后，其长度就会改变，而相应地，由于外界引起的长度变化就会使磁通量发生变化。这意味着应用了这些效应的发射器，就也能够在原则上被用途为接收器。

目前存在着各种不同的声发射器具体实例。在低频率应用中，它们通常具有带圆形或椭圆形的断面的圆柱体形状。

这种声发射器最大的问题是如何取得足够的振荡振幅。为达到这一 目的，或者需要具有大振荡振幅的大的声发射器面积或者小的声发射器面积。

采用所谓巨磁致伸缩材料改进了获得优异声发射器的条件。以这种材料作为驱动元件，所得到的振幅的变化会达到相当于使用压电材料或普通的磁性材料的变化100倍之多。采用这种巨磁致伸缩材料的声发射器在市面上也已销售了多年。

一种经常遇到的这种实际驱动的实例将详尽地从一个带有椭圆截面的圆柱体形声发射器开始描述。圆柱体形包封体表面由一个弹性的膜体或壳体组成。在圆柱体内并平行于圆柱体的轴线并接触壳体有两条棒材。该棒材对壳体施加压力。该棒材的截面相对于椭圆壳体的短轴是镜象倒置对称的，而每个棒材由朝着长轴的端头并平行于短轴的弦的那部分壳体所限定。在两条棒材之间并与其平行侧面相接触处，设置有一个取驱动杆形式的电力控制驱动元件。驱动杆的纵向轴与椭圆形截面的长轴相重合，并位于声发射器端面之间的中央。在应用磁致伸缩现象的实例中，驱动杆用磁性材料，最好是巨磁致伸缩材料制成，其周围绕有线圈并受到磁化以便保持跟上声发射器所希望有的频率。如果使用的是压电效应，驱动杆就用压电材料制成。当然，驱动杆可以以其整体，或者也可以以其一部分用一种可以使其长度获得理想变化的材料制成。

如上所述声发射器的基本实施例可能在实际的细节上有所不同。一种带有椭圆截面的圆柱体形，其驱动杆由巨磁致伸缩材料制成的声发射器，尤其已在美国专利第4，901，293号上公开过，其标题为“稀土弯张换能器”。

瑞典审定专利申请第8901905-3号，“声发射器之装置”，也描述了一种带有椭圆截面的圆柱体形声发射器。这里的驱动元件由一个具有对置设置的凹座的主体构成，凹座内插有压力棒材。该驱动杆本身又固定到压力棒材上，而该棒材如上面所述的一样对膜体施加作用力。

本发明包含上面称之为“驱动元件”的一个基本构思，但在下文中被称为“驱动标准部件”。至于声发射器的其它部件，如上面所述的带有椭圆截面的圆柱体形的设计是其起点。声发射器有一个弹性膜体或壳体和两条在长轴端的内部压力棒材。本发明的驱动标准部件就位于这压力棒材之间。

驱动标准部件包括一块磁性材料的板件，其外形如一个线性长方体。在板件内开有多口凹口或窗口，因此在下文中这板件将被称作“骨架”。该窗口有两种不同的孔构形，然而，两者都属带圆角的长方体形。

在下面称作“驱动窗口”的一种窗口构形是这样成形，使得可以在该窗口中容纳由一个或多个驱动单元组成的驱动元件，驱动单元安装成与长度变化为同一轴线。

在下面称作“预应力窗口”的另一种窗口构形是这样成形，使得可以在该窗口中容纳一个如下面所述的预应力装置。预应力装置包括一个通过拧旋螺丝钉而可动的并位于两个外部可移动的预应力凸块之间的楔块。预应力凸块朝着楔块的两个侧边形成一个相同于楔块角度的角度。预应力凸块相对的两外侧边则为相互平行的平面，当楔块由螺丝钉的拧旋进入预应力凸块之间成角度的开口中时，该两个外侧边互相移动开的方向垂直于楔块移动的方向。

骨架在其高度方面的尺寸适配成相当于压力棒材两个平行内侧平面之间的距离，也就是在压力棒材之间的长轴的长度。骨架的厚度相当于圆柱体形壳体轴向长度。骨架的厚度变化范围较宽，主要由能在其内容纳驱动单元和预应力装置的窗口的必需尺寸来决定。如下面将描述的，声发射器的椭圆形端板件是固定在骨架的高/厚的侧边上的。或者，定中骨架，使得其中间平面，也就是处于两个宽/高侧边之间的中央平面与通过圆柱体形声发射器的长轴和纵向轴并通过椭圆形截面的中心点的 假想平面相重合。从上面所述的可以清楚地看到，骨架的两条宽/厚侧边是朝着并平行于压力棒材的平行侧平面的。

在骨架内设置两个驱动窗口和一个位于两者间的中央处的预应力窗口形成一个纵行，各窗口重合着的中心线平行于椭圆形截面的长轴。骨架可以包含任意数量的这种平行纵行。

根据上述，由一个或多个驱动单元组成的驱动元件放置在两个驱动窗口内。每个驱动元件都在长度变化的方向上终接在压力钮销上。骨架中有为这些压力钮销而设的隙孔。在压力棒材上也有用于导引的凹应和供这些从驱动窗口伸出的压力钮销用的平衡支承。在中间的预应力窗口中放置有按上所述的预应力装置。驱动件的内部压力钮销连接到预应力凸块平行的外侧平面上。

尤其根据上述的“国防系统评论”的论文中已知并适宜对地震波发射器利用包括由例如Terfenol这样的巨磁致伸缩材料制成的驱动源。为了获得最佳功能，这种驱动源需要施加机械预应力和偏磁化也已为人们所知。

一种用于本发明驱动标准部件的适宜的驱动源是根据美国专利第4，914，412号公开的“磁路”而设计的驱动单元。这种磁路是意图用以在轴向上磁化圆柱体形磁性材料，例如一种巨磁致伸缩材料。磁路包括用以偏磁化的一个磁化线圈和多个永久磁铁以及铁磁材料的磁回路导体。

理想的机械预应力借助于应力窗口内的预应力装置来获得。用拧旋螺丝钉将楔块插入预应力凸块之间，这预应力凸块就会通过驱动元件的压力钮销将压力棒材卡紧在膜体上，从而获得驱动单元所希望有的机械预应力。这也就意味着骨架能在膜体内自由浮动，而声发射器的端板可固定在骨架上而不致使端板明显地影响膜体的振荡。

所描述的声发射器实施例的构思，不论在设计、尺寸和声效应方面 带来很大的自由度，因为每个驱动元件内驱动单元的数量和纵行的数量都可以自由加以选择。骨架的构思，使得在制造和卷绕膜件时，对固定驱动元件和固定压力棒材带来良好的可能性。骨架还用作磁路的磁轭。

以下是结合附图对本发明一个较佳实施例的描述，其中

图1显示一个根据本发明的包括有一个驱动标准部件的、具有椭圆形截面圆柱体形声发射器。

图2显示带有一个包括在驱动标准部件内的预应力装置的驱动元件。

图1显示了一个声发射器，其中最好使用了本发明的驱动标准部件。如图中所示，该声发射器有一个带有椭圆形截面的圆柱体形状。在外面，该声发射器包括有一个弹性膜体1形式的封皮表面和端板2和3。在膜体的内部并平行于圆柱体的轴线有两条压力棒材4和5位于椭圆形截面的长轴的两端，这与上面所述的现有技术完全相符合。

驱动标准部件包括一个带有多个窗口的骨架，包括有一个或多个驱动单元的驱动元件和一个由一个楔块和两个应力凸块组成的预应力装置。

如上所述，骨架6是一个线性长方体形。为了叙述方便起见，下面将结合骨架的高度h，宽度w和厚度t予以描述。骨架安置在膜体内中央处，使之介于两个高/宽侧边之间的一个中央平面重合于所有长轴的平面。因此骨架的高度h适配成基本上相当于两个压力棒材之间的自由距离，也就是说，骨架的宽/厚侧边实际上与压力棒材料接触。骨架的宽度w相当于圆柱体形膜体的轴向长度。因此，声发射器的端板可用螺丝钉7，8，9和10固定在骨架的高/厚侧边上。骨架的厚度t，也就是两个高/宽侧边之间的距离，基本上是根据安装驱动元件和预应力装置的要求以及压力钮销隙孔必要的尺寸的要求而确定的。由于当声发射的器借助预应力装置而处于机械预应力状态时，骨架漂浮于声发射器内部，因 此，这样的骨架就不会受到任何明显的机械应力。所以骨架的高度和宽度基本上取决于为了获得所要求的声效应而需要的驱动单元/驱动元件的数目。

上面所述的两个驱动窗口11和12，如图中所示，都是带圆角的长方体形。在其间的中央处为预应力窗口13，也是带圆角的长方体形。这些窗口有一条共同的中心线，该中心线与椭圆形截面的长轴重合。为了随后的描述，最好是如前所述的将该两驱动窗口和中间的预应力窗口说成是形成一个纵行。可以看到根据图1的地震波发射器包括有5个纵行。如前所述，安置在驱动窗口内的驱动元件具有轴向延伸的压力钮销。提供给这些压力钮销的隙孔14，15，16和17则开设在骨架上，以每个纵行的中心线作为其共同的中心线。

为了对压力钮销的定心和导引，以及其对压力棒材的平衡支承，如前所述，在压力棒材料上开有凹座18和19，这些凹座的轴线就是纵行的中心线。

图2显示用于插入每个纵行中的带有一个中间预应力装置22的两个驱动元件20和21的设计举例。驱动元件由一个或多个驱动单元23所组成。当应用多个驱动单元时，将它们安装成使之具有一个共同的轴向延伸方向。驱动元件具有的压力钮销24和25。预应力装置由两个预应力凸块26和27及一个中间楔块28所组成。当借助于一个螺丝钉装置29将楔块插进两个预应力凸块之间时，驱动元件就卡紧在压力棒材上。这种螺丝钉装置以及预应力凸块的导引可以用各种不同且普通的方式形成，因此就不再详细叙述了。

所述的基本构思，就其细节而论，可以设计成多种不同方式，但都包括在本发明的范围之中。除了如已于前面提到的选择纵行的数目，每个驱动元件的驱动单元和骨架的尺寸之外，例如窗口和将端板连接到骨架的高/厚侧边上也可能是一个不同实施例的问题。预应力装置的楔块 也可以是锥形体的，这样，预应力凸块朝着楔块的那些面也将是锥形的，其锥削度与楔块的锥削度应相同。当然驱动标准部件也可用于带有例如圆形截面的而不是带有椭圆形截面的圆柱体形声发射器中。

Claims (8)

1、一种包括在圆柱体形声发射器内的驱动标准部件，该声发射器的壳体设置成弹性膜体(1)，在膜体内带有径向对置的压力棒材(4、5)，其特征在于该驱动标准部件设置在压力棒材之间并包括骨架(6)、驱动元件(20、21)和预应力装置(22)，骨架为磁性材料制成线性长方体形的板，其上有由带圆角的长方体凹口形成的驱动窗口(11、12)和预应力窗口(13)，两个驱动窗口连同一个中间预应力窗口形成个具有沿径向而位于压力棒材之间一条共同中心线的纵行，骨架具有至少一个纵行，驱动元件设置在驱动窗口内并包括有一个或多个驱动单元(23)，驱动单元可用电或磁控制并使之伸缩，驱动元件沿伸缩方向的端头设置成压力钮销(24、25)，在骨架上提供以供这些压力钮销的从预应力窗口朝着压力棒材和朝着中间预应力窗口而设置的隙孔(14、15、16、17)，该隙孔的中心线与纵行的各窗口的中心线相同，预应力装置设置在预应力窗口内，它包括两个预应力凸块(26、27)，其朝外的面与驱动元件朝内的压力钮销相接触，其相面对的面则贴合在中间楔块的面(28)上，楔块配有螺丝钉装置(29)，利用这螺丝钉装置可以使楔块移入预应力凸块之间，从而使朝向压力棒材的驱动元件的那些压力钮销与压力棒材上的凹座(18、19)相接触。

2、如权利要求1的所述的驱动标准部件，其特征在于该驱动标准部件包括在带椭圆形截面的声发射器内。

3、如权利要求1所述的驱动标准部件，其特征在于该驱动标准部件包括在带圆形截面的声发射器内。

4、如权利要求1的所述的驱动标准部件，其特征在于一个驱动单元包括一个通过一块永久磁铁偏磁化的磁路，该磁路有一个由巨磁致伸缩材料制成的磁芯。

5、如权利要求1所述的驱动标准部件，其特征在于一个驱动单元包括一个压电元件。

6、如权利要求1所述的驱动标准部件，其特征在于预应力凸块安排成其相面对的平面相互形成一个相当于一个中间平面楔形的楔角的角度。

7、如权利要求1所述的包括驱动标准部件，其特征在于楔块呈锥体形状，而面向该楔块的预应力凸块的那些面与楔块锥体形状相配合。

8、职权利要求1所述的驱动标准部件，其特征在于声发射器的端板（2，3）固定在驱动标准部件上。

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