CN104056770B - 具有指向性的声波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有指向性的声波换能器。本发明中的能量转换模块包括设置在套筒内的超磁致伸缩棒、线圈和永磁体，其中线圈通过骨架绕在超磁致伸缩棒上，线圈的外围为提供偏置磁场的永磁体；超磁致伸缩棒两端的输出顶杆穿过端盖活动设置，输出顶杆与端盖之间设置有碟簧。能量发射模块包括位移放大连杆和弯曲辐射面，位移放大连杆有两根，呈铰接形式，弯曲辐射面固定在远离铰接点的两根位移放大连杆之间，能量转换模块设置在靠近铰接点的两根位移放大连杆之间，能量转换模块通过两端的输出顶杆与两根位移放大连杆连接。本发明具有结构简单、工作频带宽、指向性好等优点。

Description

具有指向性的声波换能器

技术领域

本发明属于换能器技术领域，涉及一种具有指向性的声波换能器。

背景技术

换能器是将电能转换为机械能的器件，在超声技术和其他领域有广泛应用，承担着信号产生与接收的使命。发射换能器主要作用是产生一定的声压信号，目前工作频率已经从几赫兹拓展到几兆赫兹，工作原理主要有电动式、磁致伸缩式和压电式等。

近些年来对换能器的性能提出了更高的要求，主要是提高换能器的发声功率和提高换能器的工作带宽。

发明内容

本发明提供了一种具有指向性的声波换能器，该装置能将电能转换成声波能，通过发射声波对指定区域进行探测。该声波换能器具有结构简单、工作频带宽、指向性好等优点。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明包括能量转换模块和能量发射模块。

所述能量转换模块包括设置在套筒内的超磁致伸缩棒、线圈和永磁体，其中线圈通过骨架绕在超磁致伸缩棒上，线圈的外围为提供偏置磁场的永磁体；超磁致伸缩棒两端的输出顶杆穿过端盖活动设置，输出顶杆与端盖之间设置有碟簧。

所述能量发射模块包括位移放大连杆和弯曲辐射面，位移放大连杆有两根，呈铰接形式，弯曲辐射面固定在远离铰接点的两根位移放大连杆之间，能量转换模块设置在靠近铰接点的两根位移放大连杆之间，能量转换模块通过两端的输出顶杆与两根位移放大连杆连接；在靠近铰接点处的两根位移放大连杆之间还装有弹簧，所述的弹簧位于铰接点下方。

所述位移放大连杆将输出顶杆的微小振动放大并转换成弯曲辐射面的弯张振动，从而向弯曲辐射面的径向方向发射声波，弯曲辐射面的弯张振动和弯曲辐射面在位移放大连杆作用下的前后振动耦合，得到较宽的工作频带。

进一步说，所述弹簧和碟簧为超磁致伸缩棒提供预紧力，当装配完成后，碟簧同时为输出顶杆提供回复力。

进一步说，所述位移放大连杆将超磁致伸缩棒微小轴向振动放大并转换成弯曲辐射面的轴向振动，弯曲辐射面的弯张振动将轴向振动放大成径向振动，通过位移放大连杆和弯曲辐射面的两级放大作用，超磁致伸缩棒微小振动将放大数倍。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

所述声波换能器的有源材料为超磁致伸缩棒，相比于传统的压电陶瓷，超磁致伸缩棒具有更高的能量密度、能量转换效率和更大的应变量。

所述声波换能器的通过位移放大连杆和弯曲辐射面的两级放大设计将超磁致伸缩棒的振动转换成弯曲辐射面的径向振动，其放大倍数可达10倍以上。

所述声波换能器通过弯曲辐射面的弯张振动和弯曲辐射面在位移放大连杆作用下的前后振动耦合，拓宽了声波换能器的工作频带。

附图说明

图1所示为一种具有指向性的声波换能器的剖视图；

图2所示为一种具有指向性的声波换能器能量转换模块主视图；

图3所示为一种具有指向性的声波换能器的弯曲辐射面三维图；

图4所示为一种具有指向性的声波换能器的弯曲辐射面的微观形变示意图；

图中标号说明如下：弯曲辐射面1、铰制孔用螺栓2、位移放大连杆3、预紧弹簧4、套筒5、平头螺钉6、端盖7、输出顶杆8、碟簧9、超磁致伸缩棒10、线圈骨架11、线圈12、永磁体13、导线孔14、外壳15。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本实施例包括弯曲辐射面1、铰制孔用螺栓2、位移放大连杆3、预紧弹簧4、套筒5、平头螺钉6、端盖7、输出顶杆8、碟簧9、超磁致伸缩棒10、线圈骨架11、线圈12、永磁体13、导线孔14和外壳15。由超磁致伸缩棒10、线圈12和永磁体13为主的构件组成了声波换能器的能量转换模块，端盖7和碟簧9对超磁致伸缩棒10施加预紧力，永磁体13为超磁致伸缩棒10提供偏置磁场，以消除预紧力作用下超磁致伸缩棒10的倍频现象，线圈12通过导线孔14连接外部电源，在超磁致伸缩棒10周围产生交变磁场，由于磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，超磁致伸缩棒10在其轴向方向发生伸缩振动，从而将电能转换为机械振动能；能量发射模块主要由位移放大连杆3和弯曲辐射面1组成，位移放大连杆3将输出顶杆8的微小振动放大并转换成弯曲辐射面1的弯张振动，从而向弯曲辐射面的径向方向发射声波。该声波换能器属于弯张式换能器，可以得到较低的发射频率，另外弯曲辐射面1的弯张振动和弯曲辐射面1在位移放大连杆3作用下的前后振动耦合，可以得到较宽的工作频带。该声波换能器具有低频、宽带和指向性等特性。

所述的声波换能器能量转换部分呈对称结构，该结构保证了振动输出的稳定性，使弯曲辐射面1始终向其径向发射声波。

所述的声波换能器通过预紧弹簧4和碟簧9为超磁致伸缩棒提供预紧力，当装配完成后，碟簧9同时为输出顶杆8提供回复力。

所述的声波换能器位移放大连杆3具有将超磁致伸缩棒10微小轴向振动放大并转换成弯曲辐射面1的轴向振动，放大比为节点前后两杆长之比L₁：L₂；所述换能器L₁：L₂＝2:1；而弯张振动可以将轴向振动放大成径向振动，弯曲辐射面1的微观形变如图4所示(图中实线为变形前的弯曲辐射面1形状，虚线为变形后的弯曲辐射面1形状)，从模型可以得到

(x-Δx)²+(y+Δy)²＝x²+y²

式中：x——弯张辐射面1的径向尺寸；y——弯张辐射面1的轴向尺寸；Δx——径向微小变形量；Δy——轴向微小变形量；

由于Δx²、Δy²相比于其他微小量是高阶无穷小量，可以忽略，因此上式可最终化简为

$\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\Δy}}=\frac{y}{x}$

本实施例中： $\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\Δy}}=\frac{y}{x}=\frac{320}{65}\≈5$

通过位移放大连杆3和弯曲辐射面1的两级放大作用，超磁致伸缩棒10微小振动将放大10倍。

所述声波换能器的弯曲辐射面1采用变截面设计，如图3所示，增加了换能器的辐射面1的面积，提高了换能器的功率。

该声波换能器属于弯张式换能器，可以得到较低的发射频率，另外弯曲辐射面1的弯张振动和弯曲辐射面1在位移放大连杆3作用下的前后振动耦合，可以得到较宽的工作频带。该声波换能器具有低频、宽带和指向性等特性。

Claims (1)

1.具有指向性的声波换能器，包括能量转换模块和能量发射模块，其特征在于：

所述的声波换能器能量转换部分呈对称结构，保证了振动输出的稳定性；所述的声波换能器通过弯曲辐射面采用变截面设计，增加辐射面的面积，提高声波换能器的功率；

所述能量转换模块包括设置在套筒内的超磁致伸缩棒、线圈和永磁体，其中线圈通过骨架绕在超磁致伸缩棒上，线圈的外围为提供偏置磁场的永磁体；超磁致伸缩棒两端的输出顶杆穿过端盖活动设置，输出顶杆与端盖之间设置有碟簧；

所述能量发射模块包括位移放大连杆和弯曲辐射面，位移放大连杆有两根，呈铰接形式，弯曲辐射面固定在远离铰接点的两根位移放大连杆之间，能量转换模块设置在靠近铰接点的两根位移放大连杆之间，能量转换模块通过两端的输出顶杆与两根位移放大连杆连接；在靠近铰接点处的两根位移放大连杆之间还装有弹簧，所述的弹簧位于铰接点下方；

所述位移放大连杆将输出顶杆的微小振动放大并转换成弯曲辐射面的弯张振动，从而向弯曲辐射面的径向方向发射声波，弯曲辐射面的弯张振动和弯曲辐射面在位移放大连杆作用下的前后振动耦合，得到较宽的工作频带；

所述弹簧和碟簧为超磁致伸缩棒提供预紧力，当装配完成后，碟簧同时为输出顶杆提供回复力；

所述位移放大连杆将超磁致伸缩棒微小轴向振动放大并转换成弯曲辐射面的轴向振动，弯曲辐射面的弯张振动将轴向振动放大成径向振动，通过位移放大连杆和弯曲辐射面的两级放大作用，超磁致伸缩棒微小振动将放大数倍。