CN104810013A - 一种深水用低频复合棒耦合腔换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种深水用低频复合棒耦合腔换能器，包括：刚性圆筒、后质量块、导线、后过渡质量块、压电陶瓷堆、辐射头、预应力螺杆、顺性管、亥姆霍兹管、密封；其中，刚性圆筒为换能器的外壳；辐射头位于换能器的底部，辐射头与刚性圆筒之间通过O圈密封；后过渡质量块、后质量块位于换能器的顶部，后质量块套在后过渡质量块的外部，两者具有相同的圆心并刚性连接，后质量块与刚性圆筒刚性连接；压电陶瓷堆通过预应力螺杆安装在后过渡质量块与辐射头之间，其通过导线连接出刚性圆筒外，压电陶瓷堆的外表面还设有水密层；后质量块上有多个通孔，多个通孔内各安装有一用于贯通刚性圆筒内外液体的亥姆霍兹管；预应力螺杆和辐射头之间水密处理。

Description

一种深水用低频复合棒耦合腔换能器
技术领域
本发明涉及水声通信、水声传播、海洋勘测等领域，具体地，本发明涉及一种深水用低频复合棒耦合腔换能器。
背景技术
21世纪是海洋的世纪，水声换能器是认识海洋的重要手段，在水声通信、探测、海洋深水研究领域都有广泛应用。目前各大海洋资源国家对海洋资源和海洋领土的重视前所未有，深海开发技术已经成为热点，这就要求水声换能器能够在深水条件下工作。这对水声换能器的性能提出了更高的要求。
现有技术中的水声换能器按照深水工作特点包括空气背衬结构压力补偿的换能器、溢流结构换能器。水声换能器会受到很大的压力，非压力补偿空气背衬结构的换能器很难满足深水工作需求，压力补偿结构又增加了设计的复杂度。换能器采用内部密闭充油或内、外部水介质直接连通的溢流方式实现了内外压力平衡，无需复杂的压力补偿机制，但也有其缺陷。例如，对于内部密闭充油或带隔离膜的小孔释压的复合棒换能器，一方面液体可压缩性小，容易限制结构的振动，从而减小发射电压响应，同时充油结构增加了换能器结构的复杂性；对于采用内外大开孔的溢流结构复合棒换能器，由于振动面前后相位相反，声压抵消，同样会减小发射电压响应。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的复合棒换能器容易产生声压抵消现象的缺陷，从而提供一种能够提升低频发射电压响应、改善带宽，适合在深水下工作的低频复合棒耦合腔换能器。
为了实现上述目的，本发明提供了一种深水用低频复合棒耦合腔换能器，包括：刚性圆筒1、后质量块2、导线3、后过渡质量块4、压电陶瓷堆6、辐射头7、预应力螺杆9、顺性管10、亥姆霍兹管、密封12；其中，
所述刚性圆筒1为换能器的外壳；在该刚性圆筒1内，所述辐射头7位于换能器的底部，所述辐射头7与所述刚性圆筒1之间通过O圈8密封；所述后过渡质量块4、后质量块2位于换能器的顶部，所述后质量块2套在所述后过渡质量块4的外部，两者具有相同的圆心并刚性连接，所述后质量块2与所述刚性圆筒1刚性连接；所述压电陶瓷堆6通过预应力螺杆9安装在后过渡质量块4与辐射头7之间，其通导线3连接出刚性圆筒1外，所述压电陶瓷堆6的外表面还设有水密层5；所述后质量块2上有多个通孔，所述多个通孔内各安装有一用于贯通刚性圆筒1内外液体的亥姆霍兹管；所述预应力螺杆9和辐射头7之间安装有密封12。
上述技术方案中，所述亥姆霍兹管为亥姆霍兹短管11，或亥姆霍兹长管13，或亥姆霍兹短管11与亥姆霍兹长管13的组合。
上述技术方案中，所述后质量块2、后过渡质量块4、辐射头7的表面均涂覆有防腐蚀用的漆。
上述技术方案中，所述压电陶瓷堆6与水密层5之间留有空间，该空间内充有包括蓖麻油在内的电绝缘物质。
上述技术方案中，所述亥姆霍兹管有1-6个。
上述技术方案中，所述水密层5采用聚氨酯胶或硫化橡胶实现。
上述技术方案中，所述密封12采用环氧树脂或聚氨酯胶实现。
本发明的优点在于：
本发明采用大尺寸复合棒换能器结构，利用腔体结构和后质量块开孔或安装于后质量块上的长管，联通内外水介质，实现内外压力平衡。在谐振频率以下，由于腔体和开孔结构的存在，结构的反向辐射造成的声短路被部分的阻止，并且亥姆霍兹结构在低频产生的共振峰，相对提升了低频性能。深水用低频复合棒耦合腔换能器具有低频、大功率发射、大深度工作的特点。
附图说明
图1为本发明的深水用低频复合棒耦合腔换能器在一个实施例中的结构示意图；
图2为本发明的深水用低频复合棒耦合腔换能器在另一个实施例中的结构示意图；
图3为本发明的深水用低频复合棒耦合腔换能器中的后质量块上开设亥姆霍兹孔的示意图；
图4为本发明的深水用低频复合棒耦合腔换能器的多腔体示意图。
图5为本发明的深水用低频复合棒耦合腔换能器结构的发射电压响应图。
附图标识
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
参考图1，在一个实施例中，本发明的深水用低频复合棒耦合腔换能器包括：刚性圆筒1、后质量块2、导线3、后过渡质量块4、压电陶瓷堆6、辐射头7、预应力螺杆9、顺性管10、亥姆霍兹短管11、密封12；其中，所述刚性圆筒1为换能器的外壳；在该刚性圆筒1内，所述辐射头7位于换能器的底部，所述辐射头7与所述刚性圆筒1之间通过O圈8密封；所述后过渡质量块4、后质量块2位于换能器的顶部，所述后质量块2套在所述后过渡质量块4的外部，两者具有相同的圆心并刚性连接，所述后质量块2与所述刚性圆筒1刚性连接；所述压电陶瓷堆6通过预应力螺杆9安装在后过渡质量块4与辐射头7之间，其通过导线3连接出刚性圆筒1外，所述压电陶瓷堆6的外表面还设有水密层5；所述后质量块2上有多个通孔（参见图3），所述多个通孔内各安装有一用于贯通刚性圆筒1内外液体的亥姆霍兹短管11；所述预应力螺杆9和辐射头7之间安装有密封12。
下面对该换能器中的各个部件做进一步说明。
所述刚性圆筒1可采用不锈钢制成。
所述后质量块2、后过渡质量块4均可采用不锈钢制成，两者的螺纹表面均涂覆有环氧树脂。所述后质量块2通过螺钉及环氧刚性连接在刚性圆筒1上。
所述导线3为水密电缆。
所述水密层5采用聚氨酯胶或硫化橡胶实现，作为一种可选的实现方式，压电陶瓷堆6与水密层5之间留有空间，该空间内充有诸如蓖麻油的电绝缘物质。所述电绝缘物质起到压力平衡，电绝缘、散热的作用.
所述压电陶瓷堆6可采用极化的PZT-4或PZT-8压电陶瓷制成。
所述辐射头7采用防锈处理的硬铝实现，其表面可涂覆有环氧树脂。
所述预应力螺杆9可采用不锈钢制成。
所述顺性管10是一种内部充空气的密闭圆柱结构，其位于刚性圆筒1内部的液体里，利用其具有一定的耐压性和可压缩性可改善换能器的发射响应性能。所述顺性管10可采用弹性薄壁金属管实现。
所述亥姆霍兹短管11的数目在1-6个之间，其可采用钢材料制成。所述亥姆霍兹短管11应用于换能器中可以调节声程，改变亥姆霍兹结构共振频率。
所述密封12采用环氧树脂或聚氨酯胶实现。
在图2所示的本发明的深水用低频复合棒耦合腔换能器的又一个实施例中，深水用低频复合棒耦合腔换能器采用亥姆霍兹长管13代替图1所示实施例中的亥姆霍兹短管11。所述亥姆霍兹长管13的数目在1-6个之间，其也可采用钢性材料或复合材料制成。与亥姆霍兹短管11相比，亥姆霍兹长管13在所能调节的声程上会有所差异。
在上述两个实施例中，所采用的亥姆霍兹短管11或亥姆霍兹长管13各有多个，在其他实施例中，本发明的深水用低频复合棒耦合腔换能器也可同时采用亥姆霍兹短管11和亥姆霍兹长管13，即在后质量块2上的多个通孔内，某些通孔安装亥姆霍兹短管11，某些通孔安装亥姆霍兹长管13。
作为一种变形，在其他实施例中，本发明的深水用低频复合棒耦合腔换能器还可包括有多个腔体。参见图4，在一个实施例中，所述换能器有两个串联的腔体，从而形成腔体共振模态，有助于提升低频性能。
图5是本发明的深水用低频复合棒耦合腔换能器的发射电压响应图，该图反映了本发明的深水用低频复合棒耦合腔换能器的声性能，表明此种结构在满足深水工作的情况下，可以获得较好的声性能。
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 (7)

1.一种深水用低频复合棒耦合腔换能器，其特征在于，包括：刚性圆筒（1）、后质量块（2）、导线（3）、后过渡质量块（4）、压电陶瓷堆（6）、辐射头（7）、预应力螺杆（9）、顺性管（10）、亥姆霍兹管、密封（12）；其中，
所述刚性圆筒（1）为换能器的外壳；在该刚性圆筒（1）内，所述辐射头（7）位于换能器的底部，所述辐射头（7）与所述刚性圆筒（1）之间通过O圈（8）密封；所述后过渡质量块（4）、后质量块（2）位于换能器的顶部，所述后质量块（2）套在所述后过渡质量块（4）的外部，两者具有相同的圆心并刚性连接，所述后质量块（2）与所述刚性圆筒（1）刚性连接；所述压电陶瓷堆（6）通过预应力螺杆（9）安装在后过渡质量块（4）与辐射头（7）之间，其通过导线（3）连接出刚性圆筒（1）外，所述压电陶瓷堆（6）的外表面还设有水密层（5）；所述后质量块（2）上有多个通孔，所述多个通孔内各安装有一用于贯通刚性圆筒（1）内外液体的亥姆霍兹管；所述预应力螺杆（9）和辐射头（7）之间安装有密封（12）。
2.根据权利要求1所述的深水用低频复合棒耦合腔换能器，其特征在于，所述亥姆霍兹管为亥姆霍兹短管（11），或亥姆霍兹长管（13），或亥姆霍兹短管（11）与亥姆霍兹长管（13）的组合。
3.根据权利要求1所述的深水用低频复合棒耦合腔换能器，其特征在于，所述后质量块（2）、后过渡质量块（4）、辐射头（7）的表面均涂覆有防腐蚀用的漆。
4.根据权利要求1所述的深水用低频复合棒耦合腔换能器，其特征在于，所述压电陶瓷堆（6）与水密层（5）之间留有空间，该空间内充有包括蓖麻油在内的电绝缘物质。
5.根据权利要求1所述的深水用低频复合棒耦合腔换能器，其特征在于，所述亥姆霍兹管有1-6个。
6.根据权利要求1所述的深水用低频复合棒耦合腔换能器，其特征在于，所述水密层（5）采用聚氨酯胶或硫化橡胶实现。
7.根据权利要求1所述的深水用低频复合棒耦合腔换能器，其特征在于，所述密封（12）采用环氧树脂或聚氨酯胶实现。
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