CN103021396A

CN103021396A - 一种具有超低后向辐射的深水宽带换能器

Info

Publication number: CN103021396A
Application number: CN2012105494155A
Authority: CN
Inventors: 郝浩琦; 夏铁坚; 谢民; 孔海防; 唐良雨; 苏妍; 苏石飞; 姚成章
Original assignee: 715th Research Institute of CSIC
Current assignee: 715th Research Institute of CSIC
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明涉及一种具有超低后向辐射的深水宽带换能器，该换能器由纵弯换能器内芯、耐压外壳及耐压反声障板组成，纵弯换能器内芯封装入于耐压外壳内，纵弯换能器内芯的上端灌注一层聚氨酯及在聚氨酯上硫化一层以提高水密性能的橡胶层，采用换能器和耐压反声障板一体化设计，在耐压反声障板中心留有安装孔洞，耐压外壳固定于耐压反声障板上的安装孔洞中。本发明的有益效果为：该换能器具有超低后向辐射、低频、宽带、耐高静水压的特点，采用换能器与耐压反声障板一体化设计，性能稳定，可靠性强；换能器安装方便，可单独使用，亦可成阵使用以满足对声源级和波束宽度的需求；覆盖了海洋探测和通讯领域常用频率，具有广泛的应用前景。

Description

一种具有超低后向辐射的深水宽带换能器

技术领域

本发明属于海洋探测和通讯技术，具体涉及一种具有超低后向辐射的深水宽带换能器。

背景技术

海洋探测系统中，对于中低频段（10kHz附近）具有广泛的需求，因其在探测距离和探测精度方面达到了一定的平衡；由于实际应用中往往多台水声设备安装在统一平台，要求尽量减少相互之间的影响，因此对于换能器的后辐射有一定要求，希望获得尽可能“干净”的波束和较低的后辐射。

而对于常规的单个换能器而言，即便是后辐射较低的纵振换能器，其后向辐射约为主波束方向最大声压的30%，也即-10.5dB，对后方的其他设备仍有较大影响。因此具有低后向辐射、宽带、耐高静水压特点的换能器具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种获得可在较深水中（1000m）工作的，具有低频、宽带性能的，后向辐射小于-20dB的深水宽带换能器。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，该换能器由纵弯换能器内芯、耐压外壳及耐压反声障板组成，纵弯换能器内芯封装入于耐压外壳内，纵弯换能器内芯的上端灌注一层聚氨酯及在聚氨酯上硫化一层以提高水密性能的橡胶层，采用换能器和耐压反声障板一体化设计，在耐压反声障板中心留有安装孔洞，耐压外壳固定于耐压反声障板上的安装孔洞中；耐压外壳的底端中间设有水密插接件，该换能器的导线通过水密插接件引出。

作为优选，所述的纵弯换能器内芯由前盖板、压电陶瓷堆、后盖板和预应力螺杆组成，该前盖板呈喇叭型，由硬铝制作而成；该前盖板内嵌有压电陶瓷堆，所述的预应力螺杆贯穿于整个压电陶瓷堆，且旋入于前盖板的中心孔内，该后盖板通过预应力螺杆固定于纵弯换能器内芯上。

作为优选，所述的耐压反声障板由多片带孔橡胶片和多片薄钢板组成，并采用薄钢板-带孔橡胶片-薄钢板的方式粘接而成；带孔橡胶片由氯丁橡胶材料通过模具压制而成，其内压制有通孔，该通孔总面积占整个带孔橡胶片面积的60%左右。

本发明的有益效果为：该换能器具有超低后向辐射、低频、宽带、耐高静水压的特点，采用换能器与耐压反声障板一体化设计，性能稳定，可靠性强；换能器安装方便，可单独使用，亦可成阵使用以满足对声源级和波束宽度的需求；本实例中换能器后向辐射实测小于主波束方向最大值的10%（也即小于-20dB），同时工作频段达到7kHz~15kHz，覆盖了海洋探测和通讯领域常用频率，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的总装结构示意图。

图2是本发明的纵弯换能器内芯结构示意图。

图3是本发明的耐压反声障板结构示意图。

图4是本发明的换能器工作中的导纳曲线参数实测图。

图5是本发明的换能器工作中的发送电压响应参数实测图。

图6是本发明的换能器工作中的接收灵敏度参数实测图。

附图中的标号分别为：1、纵弯换能器内芯；2、耐压外壳；3、耐压反声障板；4、橡胶层；5、水密插接件；11、前盖板；12、压电陶瓷堆；13、后盖板；14、预应力螺杆；31、安装孔洞；32、带孔橡胶片；33、薄钢板；34、通孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：如附图1所示，本发明由纵弯换能器内芯1、耐压外壳2及耐压反声障板3组成，纵弯换能器内芯1封装入于耐压外壳2内，纵弯换能器内芯1的上端灌注一层聚氨酯及在聚氨酯上硫化一层以提高水密性能的橡胶层4，采用换能器和耐压反声障板3一体化设计，在耐压反声障板3中心留有安装孔洞31，耐压外壳2固定于耐压反声障板3上的安装孔洞31中；耐压外壳2的底端中间设有水密插接件5，该换能器的导线通过水密插接件5引出。

纵弯换能器是利用前盖板11纵向振动和弯曲振动相结合的多模振动换能器，是在传统的纵振换能器基础上改进而来的。纵弯换能器内芯1设计：纵弯换能器内芯1结构如图2所示，纵弯换能器内芯1由前盖板11，压电陶瓷堆12，后盖板13，预应力螺杆14组成，该前盖板11呈喇叭型，由硬铝制作而成。根据实际需求的工作频段、阻抗、响应等要求，可使用有限元软件ANSYS对换能器各结构件的尺寸开展优化设计，确定前盖板11、压电陶瓷堆12和后盖板13的具体尺寸，确保换能器的纵振峰和前盖板11弯曲振动峰可以相耦合，从而获得较平坦的发送电压响应和接收灵敏度，使换能器可以宽频带工作。如本例中，根据中心频率10kHz，可设计换能器纵振峰频率为7kHz附近，而弯曲峰频率为15kHz附近，即可获得宽带工作效果。

根据设计好的换能器尺寸，以及具体耐静水压的要求，计算圆柱型耐压外壳2的直径、壁厚等参数，可采用solidworks或者ansys等软件计算特定静水压力下耐压外壳所承受的应力，要求不得超出所选用材料（如不锈钢）屈服强度。将纵弯换能器内芯1封装入耐压外壳2后，先在辐射面上灌注3mm厚的聚氨酯，然后再硫化一层3mm厚的橡胶层4以提高水密性能。换能器导线通过水密接插件5引出。

如附图3所示，耐压反声障板3设计：采用通道型橡胶障板，耐压反声障板3由相同直径的多片带孔橡胶片32和多片薄钢板33粘接而成。带孔橡胶片32由氯丁橡胶材料通过模具压制而成，其内压制有通孔34，该通孔34总面积占整个带孔橡胶片32面积的60%左右，在带孔橡胶片32之间加入薄钢板33，可以有效的提高耐压反声障板3在高静水压条件下的性能。耐压反声障板3的直径选取中心频率波长的1.5倍，即可在反声效果与尺寸重量方面取得均衡。最上层的薄钢板33应设计的较厚，并预留有安装孔洞31，以便将耐压外壳2固定在耐压反声障板3上。采用薄钢板33-带孔橡胶片32-薄钢板33的方式，与常见的发泡橡胶类软障板相比，具有性能稳定、一致性好、不需额外安装支架、耐高静水压等优点。

将耐压外壳2（内封装有纵弯换能器内芯1）穿过安装孔洞31并固定在耐压反声障板3上，换能器的辐射面与反声障板底面大体在同一平面上，并留有一定的调节余量，通过调节换能器辐射面与耐压反声障板3距离，可改变换能器的波束宽度，以满足不同系统的需求。

根据上述流程设计的换能器实际测试性能如图4、5、6所示。

工作频段：7kHz~15kHz；

工作水深：≤1000m；

发送电压响应：≥140dB；

接收灵敏度：≥-176dB；

背向相对灵敏度：≤-20dB

最大声源级：≥195dB；

波束宽度（-3dB）：70°±10°；

重量（空气中）：18.5kg；

最大直径：215mm；

最大长度：200mm。

Claims

1.一种具有超低后向辐射的深水宽带换能器，其特征在于：该换能器由纵弯换能器内芯（1）、耐压外壳（2）及耐压反声障板（3）组成，纵弯换能器内芯（1）封装入于耐压外壳（2）内，纵弯换能器内芯（1）的上端灌注一层聚氨酯及在聚氨酯上硫化一层以提高水密性能的橡胶层（4），采用换能器和耐压反声障板（3）一体化结构，在耐压反声障板（3）中心留有安装孔洞（31），耐压外壳（2）固定于耐压反声障板（3）上的安装孔洞（31）中；耐压外壳（2）的底端中间设有水密插接件（5），该换能器的导线通过水密插接件（5）引出。

2.根据权利要求1所述的具有超低后向辐射的深水宽带换能器，其特征在于：所述的纵弯换能器内芯（1）由前盖板（11）、压电陶瓷堆（12）、后盖板（13）和预应力螺杆（14）组成，该前盖板（11）呈喇叭型；该前盖板（11）内嵌有压电陶瓷堆（12），所述的预应力螺杆（14）贯穿于整个压电陶瓷堆（12），且旋入于前盖板（11）的中心孔内，该后盖板（13）通过预应力螺杆（14）固定于纵弯换能器内芯（1）上。

3.根据权利要求1所述的具有超低后向辐射的深水宽带换能器，其特征在于：所述的耐压反声障板（3）由多片带孔橡胶片（32）和多片薄钢板（33）组成，并采用薄钢板（33）-带孔橡胶片（32）-薄钢板（33）的结构粘接而成；带孔橡胶片（32）由氯丁橡胶材料通过模具压制而成，其内压制有通孔（34），该通孔（34）总面积占整个带孔橡胶片（32）面积的60%。