CN103492090A - 低频电声换能器和产生声波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可潜在水声通信或水声断层摄影的浸没流体中的可潜电声换能器，所述换能器包括两个喇叭，配重，两个位于配重任一侧的电声电机，所述电机沿着对称轴对齐，所述电机的相对端分别连接到喇叭上，由所述电声电机、所述配重和所述喇叭组成的组件能够产生纵向电声谐振模式。根据本发明，所述换能器包括在所述配重周围延伸的刚性和中空的圆筒形部分，所述圆筒形部分具有与该换能器对称轴合并的轴，所述圆筒形部分的内侧形成能够充满所述浸没流体的流体腔，当所述流体腔充满所述浸没流体时，所述电声电机和所述圆筒形部分如此设定尺寸使得所述流体腔形成在所述换能器的所述纵向电声谐振模式和所述圆筒形部分的周向谐振模式之间的声学耦合。

Description

低频电声换能器和产生声波的方法

技术领域

本发明涉及用于水声通信或用于水下声学层析成像的电声换能器。更精确地，本发明涉及可兼容于大浸没深度（高于3000米）并且具有长期自主性，在低频域（低于1kHz）中操作的可潜水的电声换能器。本发明同样涉及产生低频和宽频带声波的方法。

背景技术

电声换能器用于声压波的发送和/或接收。在发送模式中，声学换能器将电势差转换成声压波，并且在接收模式中反过来。换能器具有频率带宽并且呈现对应于带宽中间的所谓的中心频率。

在高于约十公里的距离上的水声通信需要低频声源（低于1kHz的频率）的使用以达到远程和宽频带（比中心频率的10%高的带宽）的目标并且允许足够的数据速率。

各种类型的低频换能器通常用在水下声学中：

-电火花器是声学火花隙，该声学火花隙的传输波的编码是不可能的；

-轰鸣（boomer）在两个平行的金属板中通过Foucault电流产生声波，但它们不允许编码通信；

-压电环是由一个或几个金属环组成的系统，在该金属环的内壁上沿径向布置几个压电电机。当激励该压电电机时，该环处于振动中。这些环因此充当喇叭或振动壁。然而，该压电环系统的实现仍然困难并且它们的可重复性不够。

-Janus-Helmholtz换能器与编码兼容，但它们在低频时受到限制。

在下文中，更特别地参考Janus-Helmholtz型换能器。也称为双Tonpilz换能器的Janus-Helmholtz换能器基于形成压电电机的压电部件的堆叠的使用。Janus-Helmholtz换能器包括沿着相同轴对齐并且在中心配重上固定的两个压声电机，每个压声电机通过预应力杆连接到喇叭上。这两个喇叭因此位于设备轴上的相对端处，并且关于与轴横向的平面对称。Janus-Helmholtz换能器一般包括非谐振的刚性圆筒形外壳，该外壳划定了位于外壳内壁和喇叭的背面之间的流体腔的界限。Janus-Helmholtz换能器允许在比Tonpilz型换能器（高于1kHz的频率）更低的声频（从150Hz至20kHz）中工作。Janus-Helmholtz换能器在位于沿着该换能器轴的传输方向上产生纵向的声学谐振模式。在下文中，该谐振模式将被称为纵向谐振模式。然而，该Janus-Helmholtz换能器在低频（<1kHz）时受到限制。特别是与腔体积成反比的该谐振频率，低频Janus-Helmholtz换能器使体积受到约束。

压声谐振器一般位于防水保护的外壳中。该喇叭的外表面与浸没介质直接接触或放置在透声膜的后面。该外壳的内腔充满空气或充满选择以具有良好声学阻抗而没有损耗（即没有随水阻抗陡变（rupture））的流体。所使用的流体一般是油。当该腔体充满空气时，经由喇叭的外表面形成在换能器和浸没介质之间的声学耦合。当该腔体充满油时，经由喇叭，通过油和外壳形成在换能器和浸没介质之间的声学耦合。该浸入的换能器将谐振器的振动波转换成在浸没介质中传播的声压波。

已知在深度浸没使用的情况下压电陶瓷的性能显著变化，因为静水压力随着浸没深度线性增加。

存在包括充满气体的防水外壳的电声换能器，但该外壳必须足够牢固以抵抗在液体中的浸没压力，当浸没深度很大时这显著增加了换能器的重量。

存在包括用于补偿静水压力到外壳上的施加力和增加对深度浸没中的外部压力的阻力的气动补偿系统的电声换能器。

然而这种复杂的气动补偿系统被限于低于3000米的浸没深度。

在包括外壳的电声换能器中，一般搜索以减弱通过外壳的声波传输，该外壳传输处于在不可取的发送和接收方向上辐射损耗的原点处。特别基于用于在与换能器轴横向的方向上的声波吸收或衍射装置的使用，存在用于在外壳和压电堆叠之间解耦的各种设备。

另一方面，为了减少声波换能器的谐振频率，已知的解决方案在于放置在谐振腔中充满气体的柔性（compliant）管。然后这种换能器具有包括在500Hz和1000Hz之间的谐振频率。然而，受到浸没介质的静水压力的该柔性管，它们在高压下会被压碎，这使换能器的浸没深度限于小于1000米。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于在大浸没深度和在低频时传输声波的自主水声通信系统。本发明的另一个目的是提出用于产生低频和宽频带声波的方法。

该技术问题是减少Janus-Helmholtz型的可潜式电声换能器的谐振频率而不增加该换能器的尺寸和重量，以便确保大浸没深度下的电声效率和长期自主性。

本发明的目的是改正现有设备的缺点并且更特别地涉及用于水声通信的可潜在浸没流体中的电声换能器，所述换能器包括：两个喇叭，配重，被放置在该配重的任何一侧上的两个电声电机，所述电机沿着对称轴对齐，所述电机的相对端分别连接到喇叭上，由所述电声电机、所述配重和所述喇叭组成的单元能够产生纵向电声谐振模式。根据本发明，所述换能器包括：在所述配重周围延伸的刚性和中空的圆筒形部分，所述圆筒形部分具有与换能器的对称轴合并的轴，形成流体腔的所述圆筒形部分的内侧能够充满所述浸没流体，所述电声电机和所述圆筒形部分如此设定尺寸使得当所述流体腔充满所述浸没流体时，所述流体腔形成在所述换能器的纵向电声谐振模式和所述圆筒形部分的周向谐振模式之间的声学耦合。

根据本发明的特定实施例，通过能够将所述圆筒形部分与所述配重声学解耦的悬浮装置，将所述圆筒形部分固定到所述配重上。

根据本发明的优选实施例，所述圆筒形部分由能够产生周向类型的声学振动模式的金属材料或复合材料组成。

根据本发明的一方面，所述换能器能够提供低于10000Hz并且具有比中心声频高10%的带宽的声频的声学传输源。根据本发明的优选实施例，所述换能器能够提供低于1000Hz并且具有比中心声频的10%高的带宽的声频的声学传输源。

根据本发明的特定方面：

-所述圆筒形部分具有环形截面；

-所述圆筒形部分的壁是固体；

-假设充满水的所述流体腔；

-在压电堆叠的纵向谐振模式和圆筒形部分的周向模式之间的频率差低于或等于换能器的中心频率的约10%。

本发明同样涉及在浸没流体中的低频声波传输的方法，该方法包括以下步骤：

-在根据谐振器的纵向谐振模式的浸没流体中产生声波，该谐振器包括布置在配重的任何一侧上并且沿着轴对齐的两个压电堆叠，将所述堆叠的相对端分别连接到两个喇叭上；

-经由对所述浸没流体打开的流体腔使所述纵向谐振耦合到与所述堆叠同轴并且围绕所述配重的圆筒形部分的周向声学谐振模式，所述圆筒形部分划定所述流体腔的界限。

本发明将找到在水声通信系统中特别有利的应用。本发明的换能器的另一个应用涉及水下声学层析成像。

本发明同样涉及从以下说明中将变得显而易见并且将必须单独或以任何技术上可行的其组合来考虑的特征。

附图说明

参考附图，借助于非限制性示例给出的本说明将允许本发明可如何实现的更好理解，在附图中：

-图1示出根据本发明实施例的电声换能器的剖视图。

具体实施方式

图1的换能器是通过在压电堆叠和具有其轴与压电堆叠合并的环形截面的圆筒形部分之间的谐振耦合来允许水声通信的电声换能器。该圆筒形部分是周向谐振，这种谐振模式同样称为呼吸模式（respiration mode）。

更精确地，图1示意性示出包括沿着纵向轴（6）对齐的两个压电电机（1a，1b）的换能器的剖视图。该压电电机固定在中心配重（4）的任何一侧。两个电机（1a，1b）的相对端分别固定到喇叭（3a，3b）上。将由压电电机（1a，1b），配重（4）和喇叭（3a，3b）组成的单元通过可以在轴向支柱外部或内部的所谓的预应力杆保持在预应力状态。

该换能器进一步包括优选具有环形截面、中空并且与纵向轴（6）同轴的圆筒形部分（5）。该圆筒形部分（5）布置在配重（4）周围并且优选位于换能器的对称平面上的中心。在图1的方案中，该圆筒形部分（5）的长度低于压电堆叠和配重的总长度，或同样低于使两个喇叭（3a，3b）分开的距离。该圆筒形部分（5）的外部直径基本上等于喇叭的外部直径。该圆筒形部分的厚度通常是厘米量级。该圆筒形部分的壁优选是固体，该圆筒形部分（5）包括在其两个相对端处的两个开口。

中空的圆筒形部分（5）的尺寸如此使得后者划定内部流体腔（7）的界限。流体腔（7）通过位于其两端的开口向外侧打开，使得当换能器浸没时，腔（7）的体积充满浸没例如海水的流体（8）。因此，无论浸没的深度，该换能器的部件永久关于浸没介质的静水压力等压。该换能器的结构允许支持与大浸没深度相关的高静水压力，而不需要气动补偿系统。

以如下方式确定圆筒形部分（5）的物理参数，即后者能够产生周向声学谐振模式。对于环形部分，通过以下公式确定第一周向谐振模式：

F_r=1/(2*π*√(Sr*ρ*a²))

其中F_r表示谐振频率，S_r表示径向弹性，ρ表示材料的密度，以及a表示平均半径。对于直径为1米的铝盘，本公式的应用通常给出接近1500Hz的谐振频率。在本发明的换能器中，经由流体腔（7）的声学耦合，通过压电谐振器（1a，1b）的电激励产生圆筒形部分（5）的周向谐振模式的激励。

根据优选的实施例，基于两个谐振器的耦合，电声换能器构成了宽频带、低频（<1000Hz）的声学传输源。第一谐振器是称为扩张压缩的，其基本模式是纵向的质量-弹簧类型的压电谐振器。第二谐振器是通过具有周向或径向谐振模式的圆筒形部分（5）形成的谐振器。经由由周围介质的海水组成的流体腔（7）耦合纵向谐振模式和周向谐振模式。经由在圆筒形部分（5）内包含的流体腔（7）形成耦合。以在频率上接近环形部分的周向模式的这种方式设定压电堆叠的纵向谐振模式的尺寸，以便允许在两个谐振之间的有效耦合。

该径向部分可以是金属制的或由复合材料（诸如碳纤维/环氧树脂纤维）组成，并且通过中心配重与压电堆叠保持整合。通过形成声学解耦器的悬浮装置将该径向部分链接到中心配重。根据优选实施例，通过例如以橡胶垫圈形式的悬浮块（或静音块）形成悬浮装置。在图1中未示出该悬浮装置，以便说明在配重（4）和圆筒形部分（5）之间的声学解耦。此外，悬浮装置不防水并且不形成到开放流体腔的障碍。

该换能器的机械结构允许在大浸没深度（高于3000米）中的其使用。此外，该换能器不包括任何充满空气或油的内部流体部分。本发明的换能器因此具有很强的稳健性。

Claims (10)

1.一种电声换能器，可潜在用于水声通信的浸没流体（8）中，所述换能器包括：

-两个喇叭（3a，3b），

-配重（4），

-两个电声电机（1a，1b），放置在配重（4）的任何一侧上，所述电机（1a，1b）沿着对称轴（6）对齐，所述电机（1a，1b）的相对端分别连接到喇叭（3a，3b）上，

由所述电声电机（1a，1b）、所述配重（4）和所述喇叭（3a，3b）组成的单元能够产生纵向电声谐振模式，

该电声换能器的特征在于所述换能器包括：

-在所述配重（4）周围延伸的刚性和中空的圆筒形部分（5），所述圆筒形部分（5）具有与换能器的对称轴（6）合并的轴，所述圆筒形部分（5）的内侧形成能够充满所述浸没流体（8）的流体腔（7），

-所述电声电机和所述圆筒形部分（5）如此设定尺寸使得当所述流体腔（7）充满所述浸没流体（8）时，所述流体腔（7）形成在所述换能器的所述纵向电声谐振模式和所述圆筒形部分（5）的周向谐振模式之间的声学耦合。

2.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于通过能够将所述圆筒形部分（5）与所述配重（4）声学解耦的悬浮装置，将所述圆筒形部分（5）固定到所述配重（4）。

3.根据权利要求1或2所述的电声换能器，其特征在于所述圆筒形部分（5）由能够产生周向类型的声学振动模式的金属材料或复合材料制成。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的电声换能器，其特征在于所述圆筒形部分（5）具有环形截面。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的电声换能器，其特征在于所述圆筒形部分（5）的壁是固体。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的电声换能器，其特征在于所述换能器能够提供低于10000Hz并且具有比中心声频的10%高的带宽的声频的声学传输源。

7.根据权利要求6所述的电声换能器，其特征在于所述换能器能够提供低于1000Hz并且具有比中心声频的10%高的带宽的声频的声学传输源。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的电声换能器，其特征在于假设充满水的所述流体腔（7）。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的电声换能器，其特征在于在压电堆叠的纵向谐振模式和圆筒形部分（5）的周向模式之间的频率差低于或等于换能器的中心频率的约10%。

10.一种方法，用于在浸没流体中的低频声波传输，该方法包括以下步骤：

-根据谐振器的纵向谐振模式在浸没流体（8）中产生声波，该谐振器包括布置在配重（4）的任何一侧上并且沿着轴（6）对齐的两个压电堆叠（1a，1b），所述堆叠的相对端分别连接到两个喇叭（3a，3b）上；

-经由对所述浸没流体（8）打开的流体腔（7）将所述纵向谐振耦合到与所述堆叠（1a，1b）同轴并且围绕所述配重（4）的圆筒形部分（5）的周向声学谐振模式，所述圆筒形部分（5）划定所述流体腔（7）的界限。