CN104282299B - 纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，该换能器包括：压电陶瓷堆7和绝缘垫片12通过预应力螺杆9和上、下质量块5、6相连构成，上端盖3、下端盖2分别与上质量块5、下质量块6刚性连接，薄壁外壳1与上下端盖3和2刚性相连；压电陶瓷堆7外套设水密层11；上下端盖3、2上连有亥姆霍兹管4；预应力螺杆9和上质量块6有密封10结构，腔内置顺性管13。本发明的优点在于：采用纵振激励源来驱动亥姆霍兹薄壁外壳共鸣器，具有大功率发射、大深度、低频、宽带、重量轻的特点。

Description

纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器

技术领域

本发明涉及水声通信、探测、声诱饵、声除雷，海洋勘测领域，具体地，本发明涉及一种纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器。

背景技术

水声换能器是军、民用声纳设备的“耳目”，在水声通信、探测、声诱饵、声除雷，海洋勘测广泛应用。随着各国对海洋资源和海洋领土的重视，开发海洋，保卫海洋成为各国的重要政治任务。深海开发技术成为热点，需要满足深海工作要求的换能器，由于换能器深水工作受到很大压力，一般结构很难承受高压，亥姆霍兹换能器采用溢流结构可很好的实现深水工作，目前亥姆霍兹换能器多采用弯曲圆片激励形式，具体结构如图1所示，具有功率容量小，带宽窄的缺点。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述问题，本发明提供一种深水亥姆霍兹低频宽带换能器。

本发明提供的一种纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，所述换能器包含：薄壁外壳1、下端盖2、上端盖3、若干亥姆霍兹管4和中心驱动单元；所述上端盖3、下端盖2分别与薄壁外壳1的上端口和下端口相连，形成腔体；所述亥姆霍兹管4位于上端盖和下端盖上，实现腔体内外贯通；其中，所述中心驱动单元为：固定于上端盖3且深入腔体中的预应力螺杆9，该预应力螺杆9的外壁相隔一定距离的圆周上设置压电陶瓷堆7；所述压电陶瓷堆7的外表面铺设水密层11。

上述中心驱动单元为一个，布放于上端盖3的中部。

上述中心驱动单元为多个，且多个中心驱动单元在腔体中关于轴线为中心的圆周上均匀布放。

上述压电陶瓷堆7上表面和下表面分别经过绝缘块12与上端盖3和下端盖2相接触。

上述上端盖3和下端盖2的中部分别设置上质量块6和下质量块5中；且所述上质量块6与所述预应力螺杆9的上部固定相连，该上质量块6下端可深入腔体中，所述绝缘片12的上表面与上质量块6的下表面相接触；

所述预应力螺杆9的下部深入下质量块5中，且下质量块5的上表面与另一绝缘片12的下表面相接触。

上述压电陶瓷堆7的上表面和下表面分别经过绝缘块12与上质量块6和下质量块5相接触。

上述的压电陶瓷堆7包含压电陶瓷材料、稀土超磁致伸缩材料或压电单晶材料之一。

当压电陶瓷堆7采用稀土超磁致伸缩材料时，所述中心驱动单元为：预应力螺杆9的螺母部分定位于上质量块6中，预应力螺杆9从上向下依次穿过：上质量块6、上导磁块17、和由永磁材料16和稀土超磁致伸缩材料14构成的重复结构，然后穿过下导磁块17，最后将该预应力螺杆9固定于下质量块5中；且距预应力螺杆9圆周外侧一定距离同心布放永磁材料16和稀土超磁致伸缩材料14，所述线圈15套在永磁材料16和稀土超磁致伸缩材料14的外径上，圆周导磁块17套在线圈结构15外侧，并和连接上质量块6和下质量块5的上下两个导磁块17形成闭合磁路。

上述亥姆霍兹管4长度等于上端盖3或下端盖2的厚度；或亥姆霍兹管4的长度分别向上端盖3和下端盖2两端延长。

上述薄壁外壳1采用凸壳、圆筒或凹壳形式。

上述腔体内部设置若干顺性管13，软连接于薄壁外壳1；其中，所述软连接所采用的材料包含：绳或网；顺性管13为内部密封空气的圆柱壳体。

压电陶瓷堆7中各压电片正负极分别通过电极引线8连接，形成机械串联、电学并联形式。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用纵振激励源来驱动亥姆霍兹共鸣器，具有大功率发射，大深度工作，低频，宽带的特点，且采用薄壁外壳，相比厚壳质量轻，该换能器具有重量轻的特点。

附图说明

图1为现有的亥姆霍兹换能器结构示意图；

图2(a)和(b)为本发明的深水亥姆霍兹低频宽带换能器结构示意图；

图3为本发明的深水亥姆霍兹低频宽带换能器的发射电压响应图；

图4为亥姆霍兹管布放方式示意图；

图5（a）和5（b）为实施例提供的3组中心驱动单元的深水亥姆霍兹低频宽带换能器结构示意图；

图6为采用稀土超磁致伸缩材料的深水亥姆霍兹低频宽带换能器结构示意图。

附图标识：

1、薄壁外壳 2、下端盖 3、上端盖

4、亥姆霍兹管 5、下质量块 6、上质量块

7、压电陶瓷堆 8、电极引线 9、预应力螺杆

10、密封 11、水密层 12、绝缘垫片

13、顺性管 14、稀土超磁致伸缩材料

15、线圈 16、永磁材料 17、导磁块

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述方法进行详细说明。

如图2（a）和图2（b）所示，该图为本发明提供的基于一个驱动单元的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，该换能器包括：薄壁外壳1、下端盖2、上端盖3、亥姆霍兹管4、下质量块5、上质量块6、压电陶瓷堆7、电极引线8、预应力螺杆9、密封10、水密层11、绝缘垫片12、顺性管13；

压电陶瓷堆7和绝缘垫片12通过预应力螺杆9和上质量块6及下质量块5相连构成，下端盖2和上端盖3分别与下质量块5和上质量块6刚性连接， 薄壁外壳1与上端盖3及下端盖2刚性相连；

所述的压电陶瓷堆7外套设水密层11。

所述的上端盖3和下端盖2上连有亥姆霍兹管4。

所述的预应力螺杆9和上质量块6通过密封10相连。

所述的压电陶瓷堆7由若干陶瓷片机械级联、电学并联形式堆积。且所述的压电陶瓷堆7可有若干组构成。

所述的压电陶瓷堆7两端和绝缘垫片12相连。

下质量块5与下端盖2可以是一体结构，同样上质量块6与上端盖3也可以是一体结构。

所述的压电陶瓷堆7也可采用其它驱动材料，如稀土超磁致伸缩材料、压电单晶材料等。

上端盖3及下端盖2上连接有若干亥姆霍兹管4，且：亥姆霍兹管4可只在上端盖3或下端盖2上或亥姆霍兹管4可向上端盖3和下端盖2两端延长，具体如图4所示。

所述薄壁外壳1可采用凸壳、圆筒、凹壳形式，且所述薄壁外壳1内部可有若干顺性管13，薄壁外壳1通过亥姆霍兹管4内外贯通。

上述方案中的上质量块6和下质量块5均为可选的技术手段，即压电陶瓷堆可以直接与上端盖3和下端盖2相连。

上述方案中的绝缘块12以及顺性管13均为可选的技术手段，即压电陶瓷堆可以直接与上质量块6和下质量块5相连，所述顺性管13可以不必布置在薄壁外壳与上端盖和下端盖构成的空腔内。

基于上述相同的发明构思：本发明还提供一种多驱动单元的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，如图5（a）和5（b）所示，该图中提供的换能器包含：薄壁外壳1、下端盖2、上端盖3、若干亥姆霍兹管4和若干个关于轴线为中心的圆周上均匀布放的中心驱动单元（该图中以3个中心驱动单元为例）；所述上端盖3、下端盖2分别与薄壁外壳1的上端口和下端口相连，形成腔体；所述亥姆霍兹管4位于上端盖和下端盖上，实现腔体与外界贯通；其中，一个中心驱动单元为：上端盖3某设定位置固定一个深入腔体中的预应力螺杆9，且与该预应力螺杆9的外壁相隔一定距离的圆周上设置压电陶瓷堆7；所述压电陶瓷堆7的外表面铺设水密层11；所述3个中心驱动单元在腔体中关于轴线为中心的圆周上对称分布。

对于单个驱动单元的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器所使用的改进型技术手段：例如，上质量块、下质量块、绝缘块等结构均适用于多驱动单元的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器。

此外，当上述技术方案的压电陶瓷堆7采用稀土超磁致伸缩材料，本发明的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器结构如图6所示，上述的中心驱动单元改由若干导磁块17永磁材料16、稀土超磁致伸缩材料14线圈15代替，其它部分未变。预应力螺杆9的螺母部分定位于上质量块6中，预应力螺杆9依次穿过：上质量块6、上导磁块17、和由永磁材料16和稀土超磁致伸缩材料14构成的重复结构，然后穿过下导磁块17，最后固定于下质量块5中。距所述预应力螺杆9圆周外侧一定距离同心布放永磁材料16和稀土超磁致伸缩材料14，线圈15套在永磁材料16和稀土超磁致伸缩材料14外径上，圆周导磁块17套在线圈结构15外侧，并和连接上下质量块6、5的上下两个导磁块17形成闭合磁路。

实施例

陶瓷堆7采用极化的PZT-4压电陶瓷，绝缘垫片12采用未极化的PZT-4压电陶瓷。下质量块2，上质量块3，下端盖5，上端盖6，预应力螺杆9，均采用不锈钢。薄壁外壳1采用不锈钢或复合材料，如碳纤维等。密封10采用环氧树脂或聚氨酯胶或O圈密封结构。水密层11采用聚氨酯胶或硫化橡胶，胶层内可充蓖麻油等。顺性管采用弹性薄壁金属管。

陶瓷堆7,绝缘垫片12，下质量块2，上质量块3，预应力螺杆9涂覆环氧，加预应力组装，用环氧或聚氨酯胶灌注密封10处，80℃烘箱烘4小时，自然降温。

在烘好的陶瓷堆7,绝缘垫片12，下质量块2，上质量块3外径灌注聚氨酯胶或采用成型硫化橡胶粘水密，亦可内部充蓖麻油等利于散热。

下质量块2外周有螺纹，涂覆环氧树脂，安装下端盖5。

下端盖5外周涂覆环氧树脂，拧上薄壁外壳1，并用螺钉紧固。

上质量块3外周有螺纹，涂覆环氧树脂，安装上端盖6。

上端盖6外周涂覆环氧树脂，并用螺钉把上端盖6和薄壁外壳1紧固，高温固化即可。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，其特征在于，所述换能器包含：

薄壁外壳(1)、下端盖(2)、上端盖(3)、若干亥姆霍兹管(4)和中心驱动单元；

所述上端盖(3)、下端盖(2)分别与薄壁外壳(1)的上端口和下端口刚性相连，形成腔体；所述亥姆霍兹管(4)位于上端盖和下端盖上，实现腔体内外贯通；

其中，所述中心驱动单元为：固定于上端盖(3)且深入腔体中的预应力螺杆(9)，该预应力螺杆(9)的外壁相隔一定距离的圆周上设置压电陶瓷堆(7)；螺杆(9)另一端固定于下端盖(2)中，所述压电陶瓷堆(7)的外表面铺设水密层(11)；

所述上端盖(3)和下端盖(2)的中部分别设置上质量块(6)和下质量块(5)；

且所述上质量块(6)与所述预应力螺杆(9)的上部固定相连，该上质量块(6)下端可深入腔体中，绝缘片(12)的上表面与上质量块(6)的下表面相接触；

所述预应力螺杆(9)的下部深入下质量块(5)中，且下质量块(5)的上表面与另一绝缘片(12)的下表面相接触；

所述下端盖(2)和上端盖(3)分别与下质量块(5)和上质量块(6)刚性连接。

2.根据权利要求1所述的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，其特征在于，所述中心驱动单元为一个，布放于上端盖(3)和下端盖(2)的中部。

3.根据权利要求1所述的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，其特征在于，所述中心驱动单元为多个，且多个中心驱动单元在腔体中关于轴线为中心的圆周上均匀布放。

4.根据权利要求1、2或3所述的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，其特征在于，所述压电陶瓷堆(7)上表面和下表面分别经过绝缘块(12)与上端盖(3)和下端盖(2)相接触。

5.根据权利要求1、2或3所述的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，其特征在于，所述压电陶瓷堆(7)的上表面和下表面分别经过绝缘块(12)与上质量块(6)和下质量块(5)相接触。

6.根据权利要求1所述的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，其特征在于，所述的压电陶瓷堆(7)包含压电陶瓷材料、稀土超磁致伸缩材料或压电单晶材料之一。

7.根据权利要求6所述的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，其特征在于，当压电陶瓷堆(7)包含稀土超磁致伸缩材料时，

所述中心驱动单元为：预应力螺杆(9)的螺母部分定位于上质量块(6)中，预应力螺杆(9)从上向下依次穿过：上质量块(6)、上导磁块(17)、和由永磁材料(16)和稀土超磁致伸缩材料(14)构成的重复结构，然后穿过下导磁块(17)，最后将该预应力螺杆(9)固定于下质量块(5)中；

且距所述预应力螺杆(9)圆周外侧一定距离同心布放永磁材料(16)和稀土超磁致伸缩材料(14)，线圈(15)套在永磁材料(16)和稀土超磁致伸缩材料(14)的外径上，圆周导磁块(17)套在线圈结构(15)外侧；

所述圆周导磁块(17)和连接上质量块(6)和下质量块(5)的上导磁块(17)和下导磁块(17)形成闭合磁路。

8.根据权利要求1所述的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，其特征在于，所述亥姆霍兹管(4)长度等于上端盖(3)或下端盖(2)的厚度；或

亥姆霍兹管(4)的长度分别向上端盖(3)和下端盖(2)两端延长。

9.根据权利要求1所述的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，其特征在于，所述薄壁外壳(1)采用凸壳、圆筒或凹壳形式。

10.根据权利要求1所述的纵振亥姆霍兹深水低频宽带换能器，其特征在于，所述腔体内部设置若干顺性管(13)，软连接于薄壁外壳(1)；

其中，所述软连接所采用的材料包含：绳或网。