CN105187983B - 一种弯曲圆柱换能器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弯曲圆柱换能器及其实现方法，主主要包括开口圆柱壳、开口多边形驱动结构和水密结构，在开口圆柱壳内部，由开口多边形驱动结构通过纵向振动驱动开口圆柱壳产生弯曲振动，进而推动水介质产生振动辐射低频声波；其中开口圆柱壳为一沿母线方向开槽的薄壁圆柱壳，开口多边形驱动结构主要由棱柱支撑块、楔形顶块和驱动单元组成，棱柱支撑块和驱动单元交替构成多边形结构，并且至少包含两层以便组成闭合磁路。本发明主要优点是通过降低柱壳的周向刚度，并利用弯曲模替代周向模工作，大大降低了低频发射换能器尺寸与重量，提高了小平台声纳的适装性和使用便利性。结构简单易实现，工艺过程简便可控，同时具有较大的输出声源级。

Description

一种弯曲圆柱换能器及其实现方法

技术领域

本发明属于水声换能器技术领域，更确切地说，是一种弯曲圆柱换能器及其实现方法。

背景技术

水声换能器是声纳系统中产生或接收声波信号的重要设备，它的主要功能是实现电能和声能间相互转换。将电能转化为声能辐射到水中的称为发射换能器，而将接收声能转化为电能的称为接收器或水听器。一般情况下，换能器具有互易性，既能用作发射，也能用作接收。

圆柱换能器是水声换能器中最常见的结构形式之一，可作为发射换能器或水听器使用。其通常的工作机理是由内部的有源元件(压电材料或磁致伸缩材料等)激励外部无源材料构成的壳体产生周向振动，通过水介质向外声波，具有水平无指向性的特点。

低频声波在水中具有吸收系数低、传播距离远的特点，因而要提高声纳远程探测能力其换能器工作频率必须向低频拓展。薄壁圆柱换能器作自由振动时，其径向谐振频率所对应的波长近似等于其圆柱周长。因此，对于谐振频率在1kHz以下的低频圆柱换能器，不可避免存在体积大、重量重等缺点，同时有源元件的制备和换能器装配工艺也均存在一定困难。目前，一般采用弯张换能器、弯曲圆盘换能器等利用弯曲模态工作的换能器来实现低频大功率发射，但工作频率500Hz以下的换能器仍然尺寸庞大而难以实现或应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术中存在的问题，而提供一种弯曲圆柱换能器及其实现方法，该换能器可以应用于低频主动浮标、低频主动潜标以及主动拖曳声源等，是声纳系统使用的重要部件。

本发明的要解决的技术问题是以小型、轻型水声换能器实现低频(小于500Hz)大功率水下声辐射。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种弯曲圆柱换能器，主要包括开口圆柱壳、开口多边形驱动结构和水密结构，在开口圆柱壳内部，由开口多边形驱动结构通过纵向振动驱动开口圆柱壳产生弯曲振动，进而推动水介质产生振动辐射低频声波；其中开口圆柱壳为一沿母线方向开槽的薄壁圆柱壳，开口多边形驱动结构主要由棱柱支撑块、楔形顶块和驱动单元组成，棱柱支撑块和驱动单元交替构成多边形结构，并且至少包含两层以便组成闭合磁路。

所述开口圆柱壳的截面是均匀壁厚，或是开槽处薄、开槽正对处厚的渐变壁厚；其材料为铝、不锈钢或钛合金的金属材料，或是碳纤维、玻璃纤维的高强度非金属材料。

所述驱动单元主要由线圈、永磁片和有源元件构成，线圈由漆包线绕制而成，永磁片为铷铁硼高磁能级磁性材料，有源元件为超磁致伸缩材料，其中交变电流经过线圈产生交变磁场，永磁片提供偏置磁场，使得有源元件在最佳工作点附近产生交变振动位移；楔形顶块由高磁导率材料构成，其截面为梯形，通过螺钉向开口圆柱壳方向抽紧实现在有源元件两端施加预应力。

所述棱柱支撑块由磁导率高的材料构成，其截面等腰三角形形状由多边形驱动结构的边数和周长来确定，其高度和开口圆柱壳高度一致；驱动单元通过安装定位片安装在棱柱支撑块上，用于定位去耦；安装定位片由环氧板或碳纤维板或具有一定刚度的非金属材料构成，并卡接在棱柱支撑块上。

所述水密结构部件具体包括：硫化橡胶套、上端盖、下端盖、水密接插件、同轴安装套筒和振动部件，上端盖和下端盖通过同轴安装套筒固定安装在振动部件的上下端面，圆周方向通过硫化橡胶套实现密封，上端盖上有水密接插件用于引出电缆。

本发明所述的这种弯曲圆柱换能器的实现方法，该方法包括如下步骤：

(1)、首先将漆包线均匀绕制在聚四氟乙烯骨架上，然后将有源元件放入线圈中，并在棒的两个端面遵循磁场方向吸附永磁片，至此构成一个完整的驱动单元；

(2)、将安装定位片插入棱柱支撑块中，将驱动单元依此吸附安装在棱柱支撑块上，并依据磁路闭合准则，确定每个驱动单元的磁场N极和S极的方向，以圆柱开口处为对称面，左侧上下两层构成一个磁路回路，右侧上下两层构成一个磁路回路，在电路上，上下两个线圈串联构成一组，再将各组线圈并联引出两个线端，焊接至水密接插件；

(3)、将线圈和棱柱支撑块安装好后，塞入开口圆柱壳中，先将靠近开口处的棱柱支撑块用螺钉通过预留孔位固定安装在开口圆柱壳上，利用楔形顶块挤压开口正对处的两个棱柱支撑块使得每个棱柱支撑块与开口圆柱壳完全接触，并继续用螺钉将楔形顶块抽紧，使得每个驱动单元承受设计预应力要求；

(4)、将水密接插件安装在上端盖预留安装孔位中，然后将上、下端盖放置在振动部件的上、下端面，通过定位销钉确保三者同心，利用同轴安装套筒将上下端面与壳体端面压紧固定；将硫化橡胶套自下端盖向上端盖的方向套在换能器上，并在上端盖预留的压槽上用喉箍抽紧固定，实现换能器水密。

本发明的有益效果为：本发明和弯张换能器、弯曲圆盘换能器相比，在相同工作频率下大大降低了换能器的体积和重量，提高了小平台声纳的适装性和使用便利性。采用磁致伸缩驱动方式和压电陶瓷拼镶条的方案相比，一是可以获得更大的振动位移输出，二是结构简单易实现，加工精度可以保证，装配工艺简便易实施，三是有效平衡了开口圆柱壳低刚度和有源元件高预应力需求的矛盾，利用开口圆柱壳自有刚度实现了预应力施加方法，确保有源元件始终在压应力条件下工作。

附图说明

图1是本发明中弯曲圆柱换能器振动部件结构示意图。

图2是本发明中弯曲圆柱换能器振动模式示意图(1/2模型)。

图3是本发明中弯曲圆柱换能器水密结构示意图。

图4是本发明中弯曲圆柱换能器发送电压响应曲线。

图5是本发明中弯曲圆柱换能器指向性图。

附图标记：开口圆柱壳1、棱柱支撑块2、安装定位片3、线圈4、永磁片5、有源元件6、驱动单元7、楔形顶块8、硫化橡胶套9、上端盖10、下端盖11、水密接插件12、同轴安装套筒13、振动部件14。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

本发明提出的弯曲圆柱换能器沿轴向在振动柱壳上开槽，并应用压电材料或磁致伸缩材料组成的有功元件驱动壳体产生振动，推动媒质向外辐射声能。开槽降低了柱壳的周向刚度，并利用弯曲模替代周向模工作，大大降低了低频发射换能器尺寸与重量。本发明与现有陶瓷条拼镶结构组成的开口圆环方案相比，结构简单易实现，工艺过程简便可控，同时具有较大的输出声源级。

本发明提出的弯曲圆柱换能器振动部件结构如图1所示，主要包括：开口圆柱壳1、棱柱支撑块2、安装定位片3、线圈4、永磁片5、有源元件6、楔形顶块8，在开口圆柱壳1内部，由多个棱柱支撑块2和驱动单元组成的多层开口多边形结构通过纵向振动驱动开口圆柱壳1产生弯曲振动，当弯曲圆柱换能器处于水中时，产生低频辐射声波。其中单个驱动单元主要由线圈4、永磁片5及有源元件6组成。

本发明中开口圆柱壳1为一沿母线方向开槽的薄壁圆柱壳，其截面可以是均匀壁厚，也可以是开槽处薄、开槽正对处厚的渐变壁厚；其材料可以为铝、不锈钢、钛合金等金属材料，也可以是碳纤维、玻璃纤维等高强度非金属材料。

本发明中棱柱支撑块2一般由磁导率高的材料如电工纯铁构成，其截面等腰三角形形状由多边形驱动结构的边数和周长来确定，其高度可以和圆柱壳高度一致。

本发明中安装定位片3一般由环氧板或碳纤维板等具有一定刚度的非金属材料构成，起到在安装驱动单元时定位去耦的作用。

本发明中线圈4、永磁片5、有源元件6构成一个驱动单元7，其中交变电流经过线圈4产生交变磁场，永磁片5提供偏置磁场，使得有源元件6在最佳工作点附近产生交变振动位移。其中线圈4由漆包线绕制而成，根据空间大小和最大设计电流确定线径；永磁片5可以用铷铁硼材料高强度磁性材料；有源元件6为超磁致伸缩材料，一般为Terfenol-D或铁镓合金等材料。

本发明中楔形顶块8由高磁导率材料如电工纯铁构成，其截面为梯形，通过螺钉向圆柱壳方向抽紧实现在有源元件6两端施加预应力。

本发明中振动部件振动模式如图2所示，其工作原理为：线圈4在交变电流的激励下产生交变磁场，根据有源元件6的磁致伸缩特性，其在交变磁场中将产生交变应变，通过驱动单元7、棱柱支撑块2和楔形顶块8构成的开口多边形驱动组推动开口圆柱壳1产生弯曲振动。为保证磁路闭合条件以及振动在开口圆柱壳1高度方向上分布的均匀性，开口多边形驱动组至少应包含两层，且相互之间要求较高的平行度和同心度，以保证振动相位的一致性，提高有效耦合系数。

本发明的水密结构如图3所示，以确保其在一定水深范围内正常工作不漏水。水密结构部件具体包括：硫化橡胶套9、上端盖10、下端盖11、水密接插件12、同轴安装套筒13、振动部件14。其中振动部件14如前所述，上端盖10和下端盖11通过同轴安装套筒13固定安装在振动部件14的上下端面，圆周方向通过硫化橡胶套实现密封。上端盖10上由水密接插件12用于引出电缆。

本发明的发送电压响应曲线和指向性图分别如图4和图5所示。

本实施例中，开口圆柱壳1由硬铝构成，高度为140mm，外径Φ200mm，壁厚最小处为5mm，最大处为15mm。棱柱支撑块2由电工纯铁构成，高度为140mm，截面为腰35mm顶角48度的等腰三角形。安装定位片3由2mm厚环氧板构成，起到驱动单元7安装定位作用。线圈4由线径1mm漆包线在聚四氟乙烯骨架上绕制而成。永磁片5为铷铁硼材料，尺寸为Φ20mm×5mm，有源元件6为Terfenol-D棒，尺寸为Φ20mm×50mm。

本实施例中，首先将漆包线均匀绕制在聚四氟乙烯骨架上，为保证线圈匝数满足要求每个线圈4绕制四层。然后将有源元件6即Terfenol-D棒放入线圈4中，并在棒的两个端面遵循磁场方向吸附永磁片5，至此构成一个完整的驱动单元7。

将安装定位片3插入棱柱支撑块2中，将驱动单元7依此吸附安装在棱柱支撑块2上，并依据磁路闭合准则，确定每个驱动单元7的磁场N极和S极的方向。在本实施例中，以圆柱开口处为对称面，左侧上下两层构成一个磁路回路，右侧上下两层构成一个磁路回路。以左侧为例，上层驱动单元7排布依此为N-S、N-S、N-S，下层驱动单元7排布依此为S-N、S-N、S-N。在电路上，上下两个线圈串联构成一组，再将六组线圈并联引出两个线端，焊接至水密接插件。

本实施例中，将左右两组线圈4和棱柱支撑块2安装好后，塞入开口圆柱壳1中。先将靠近开口处的棱柱支撑块2用螺钉通过预留孔位固定安装在开口圆柱壳1上，利用楔形顶块8挤压开口正对处的两个棱柱支撑块2使得每个棱柱支撑块2与开口圆柱壳1完全接触，并继续用螺钉将楔形顶块8抽紧，使得每个驱动单元7承受设计预应力要求。

本实施例中，将水密接插件12安装在上端盖10预留安装孔位中，然后将上下端盖放置在振动部件14的上下端面，通过定位销钉确保三者同心，利用同轴安装套筒13将上下端面与壳体端面压紧固定。将硫化橡胶套9自下端盖11向上端盖的方向套在换能器上，并在上端盖10预留的压槽上用喉箍抽紧固定，实现换能器水密。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种弯曲圆柱换能器，其特征在于：主要包括开口圆柱壳、开口多边形驱动结构和水密结构，在开口圆柱壳内部，由开口多边形驱动结构通过纵向振动驱动开口圆柱壳产生弯曲振动，进而推动水介质产生振动辐射低频声波；其中开口圆柱壳为一沿母线方向开槽的薄壁圆柱壳，开口多边形驱动结构主要由棱柱支撑块、楔形顶块和驱动单元组成，棱柱支撑块和驱动单元交替构成多边形结构，并且至少包含两层以便组成闭合磁路；所述棱柱支撑块由磁导率高的材料构成，其截面等腰三角形形状由多边形驱动结构的边数和周长来确定，其高度和开口圆柱壳高度一致；驱动单元通过安装定位片安装在棱柱支撑块上，用于定位去耦；安装定位片由环氧板或碳纤维板或具有一定刚度的非金属材料构成，并卡接在棱柱支撑块上。

2.根据权利要求1所述的弯曲圆柱换能器，其特征在于：开口圆柱壳的截面是均匀壁厚，或是开槽处薄、开槽正对处厚的渐变壁厚；其材料为铝、不锈钢或钛合金的金属材料，或是碳纤维、玻璃纤维的高强度非金属材料。

3.根据权利要求1所述的弯曲圆柱换能器，其特征在于：所述驱动单元主要由线圈、永磁片和有源元件构成，线圈由漆包线绕制而成，永磁片为铷铁硼高磁能级磁性材料，有源元件为超磁致伸缩材料，其中交变电流经过线圈产生交变磁场，永磁片提供偏置磁场，使得有源元件在最佳工作点附近产生交变振动位移；楔形顶块由高磁导率材料构成，其截面为梯形，通过螺钉向开口圆柱壳方向抽紧实现在有源元件两端施加预应力。

4.根据权利要求1所述的弯曲圆柱换能器，其特征在于：水密结构部件具体包括：硫化橡胶套、上端盖、下端盖、水密接插件、同轴安装套筒和振动部件，上端盖和下端盖通过同轴安装套筒固定安装在振动部件的上下端面，圆周方向通过硫化橡胶套实现密封，上端盖上有水密接插件用于引出电缆。

5.一种采用如权利要求1所述的弯曲圆柱换能器的实现方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)、首先将漆包线均匀绕制在聚四氟乙烯骨架上，然后将有源元件放入线圈中，并在棒的两个端面遵循磁场方向吸附永磁片，至此构成一个完整的驱动单元；

(2)、将安装定位片插入棱柱支撑块中，将驱动单元依此吸附安装在棱柱支撑块上，并依据磁路闭合准则，确定每个驱动单元的磁场N极和S极的方向，以圆柱开口处为对称面，左侧上下两层构成一个磁路回路，右侧上下两层构成一个磁路回路，在电路上，上下两个线圈串联构成一组，再将各组线圈并联引出两个线端，焊接至水密接插件；

(3)、将线圈和棱柱支撑块安装好后，塞入开口圆柱壳中，先将靠近开口处的棱柱支撑块用螺钉通过预留孔位固定安装在开口圆柱壳上，利用楔形顶块挤压开口正对处的两个棱柱支撑块使得每个棱柱支撑块与开口圆柱壳完全接触，并继续用螺钉将楔形顶块抽紧，使得每个驱动单元承受设计预应力要求；

(4)、将水密接插件安装在上端盖预留安装孔位中，然后将上、下端盖放置在振动部件的上、下端面，通过定位销钉确保三者同心，利用同轴安装套筒将上下端面与壳体端面压紧固定；将硫化橡胶套自下端盖向上端盖的方向套在换能器上，并在上端盖预留的压槽上用喉箍抽紧固定，实现换能器水密。