CN105702243A - 一种双壳串联iv型弯张换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双壳串联IV型弯张换能器，所述弯张换能器包括：第一弯张壳(1)、第二弯张壳(2)、两个中间连接处(3)、两组压电驱动单元(4)、外侧梁(5)和中间梁(6)；所述两个中间连接处(3)将第一弯张壳(1)和第二弯张壳(2)串联为一个整体壳，所述两组压电驱动单元(4)平行贯穿于整体壳的中间；所述外侧梁(5)将两个中间连接处(3)上下连接起来，用于限制所述第一弯张壳(1)和第二弯张壳(2)连接处外沿的弯曲振动；所述中间梁(6)用于进一步固定中间连接处(3)。本发明的弯张换能器具有尺寸小，功率大的优点。

Description

一种双壳串联IV型弯张换能器

技术领域

本发明涉及声学传感器领域，具体涉及一种双壳串联IV型弯张换能器。

背景技术

声波是唯一可以在水中远距离传播的信息载体，水声换能器广泛应用于民用或军用的舰船、潜器等装备上。声音频率越低，在水中传播时损失越小，可以传播的距离就越远，因此低频换能器在海洋渔业开发、海洋资源勘探以及远距离水下目标探测等领域具有重要的应用价值。常见的低频换能器主要有动圈式换能器，赫姆霍兹谐振器，弯曲式换能器以及弯张型换能器等。

弯张型换能器已经有近百年的发展历史，已知的最早记载是美国华盛顿特区海军研究实验室于1929年制作并测试的一款卵壳型弯张换能器。由于这类换能器是将驱动元件小振幅的纵向振动转化为弯张壳较大振幅的弯曲振动，因此具有小尺寸、低频率和大功率的优点，目前已有多种形状的弯张型换能器诞生并在水声探测领域发挥重要的作用，业界按照形状特征将其分为七个种类(E.F.Rynne.Innovativeapproachesforgeneratinghighpower,lowfrequencysound.ProceedingsoftheThirdInternationalWorkshop,ORLANDOFLORIDA,1992:38-49)：I型、II型、III型、IV型、V型、VI型和VII型。IV型弯张换能器是最常见的类型之一。

IV型弯张换能器自诞生以来的改进方向基本集中于低频、大功率和宽带三个主要方向，这是与现实需求密切相关的。其在结构上被广泛接受的改进方案有以下几种：第一，弯张壳设计为变高度椭圆壳体，这种鱼唇型结构兼有振幅放大和高度加权放大的作用，增加辐射阻并降低机械Q值，提高了声功率并展宽带宽(莫喜平.Terfenol-D鱼唇式弯张换能器.声学学报[J],2001；26(1):25-28)；第二，采用双壳嵌套结构，并形成空气背衬，主要作为低频大功率声源(莫喜平，朱厚卿.我国水声发射换能器研究的30年.中国科学[J]，2013,43(z1):42-50)；第三，采用长轴加长方式(陈思，蓝宇.长轴加长型宽带弯张换能器.声学学报[J]，2011,36(6):638-644.)，这与I型换能器向II型换能器进化相似。此外新型材料如Terfenol-D磁致伸缩材料、弛豫铁电单晶材料、反铁电单晶材料等作为驱动材料也大大提高了换能器的性能。在另外六种常见的弯张换能器中，VII型可以近似为IV型的改进版，其结构类似于将两个弯张壳连在一起，中间呈凹型结构，可以有效提高换能器的耐深水性能，但由于有较大的反相区，换能器的声辐射能力较差(贺西平，VII型低频弯张稀土换能器研究[J].声学与电子工程，2004,2:1-3)。

随着潜艇消声降噪技术的提高，主动声呐采用单个发射换能器来探测潜艇已经很难实现，利用多个换能器组成基阵的方式提高声源级可有效扩大探测范围，如美国海军的主动声呐系统SURTASS-LFASYSTEM，利用了18个阵元组成垂直阵，每个阵元又由两个IV型弯张换能器组成。虽然增加换能器数目可以提高主动声纳声源级，但会给运输、装配、收放等带来一定的不便。

发明内容

本发明的目的在于克服目前IV型弯张换能器的应用中，存在的依靠增加换能器的数量来增加探测功率的问题，提供了一种尺寸小，功率大的IV型弯张换能器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双壳串联IV型弯张换能器，所述弯张换能器包括：第一弯张壳1、第二弯张壳2、两个中间连接处3、两组压电驱动单元4、外侧梁5和中间梁6；所述两个中间连接处3将第一弯张壳1和第二弯张壳2串联为一个整体壳；所述两组压电驱动单元4平行贯穿于整体壳中间；所述外侧梁5将两个中间连接处3上下连接起来，用于限制所述第一弯张壳1和第二弯张壳2连接处外沿的弯曲振动；所述中间梁6用于进一步固定中间连接处3。

上述技术方案中，所述弯张换能器还包括：电缆10，所述电缆10与所述压电驱动单元4相连。

上述技术方案中，所述第一弯张壳1和第二弯张壳2的壳体材料为硬铝、钢或钛合金。

上述技术方案中，所述压电驱动单元4包括极化压电陶瓷堆7、未极化压电陶瓷片8和过渡块9；所述极化压电陶瓷堆7由偶数个极化压电陶瓷片堆叠粘接而成，所述极化压电陶瓷片两两之间极化方向相反，通过薄电极片焊接正负导线形成物理串联、电路并联的状态；极化压电陶瓷片间的粘接材料为环氧树脂；两片未极化压电陶瓷片8分别位于极化压电陶瓷堆7的两端，起到绝缘的作用；两个过渡块9与两片未极化压电陶瓷片8相粘接。

上述技术方案中，所述极化压电陶瓷堆7的横截面为长方型、圆形或圆环形。

上述技术方案中，所述过渡块9的材料为硬铝、钢或钛合金。

上述技术方案中，所述过渡块9的形状为台型或D型。

可选地，当所述弯张换能器设计为空气背衬结构时，所述弯张换能器还包括防水系统，所述防水系统包括：上钢板12、下钢板13、两块去耦水密橡胶垫14、若干个双头螺栓15和若干个螺母16；所述上钢板12和下钢板13位于所述弯张换能器的上下位置；两块去耦水密橡胶垫14位于所述弯张换能器与两个钢板之间，用于去耦合和防水密封；若干个双头螺栓15和若干个螺母16将所述上钢板12和下钢板13夹紧。

上述技术方案中，所述弯张换能器包括电缆10，则所述上钢板12有电缆密封头11作为电缆出口；所述电缆10与电缆密封头11需做防渗水处理，处理方法为：橡胶硫化或聚氨酯灌封。

本发明的优点是：

1、本发明的弯张换能器通过将两个弯张壳体串联连接，增加了一阶弯曲振动模态，同时可安放的压电驱动单元长度更长，有更低的谐振频率，因此既可以降低整个系统的工作频率，又可以使弯张壳产生更大的辐射声能。

2、当谐振频率处发射电压响应相同时，本发明的弯张换能器的整体尺寸小于两个独立的弯张壳并排放置的尺寸，并且结构牢固、布放便捷。

3、有限元软件计算的结果表明，相较于同尺寸的两个独立的IV型弯张换能器同时工作，本发明的弯张换能器在水中的的谐振频率降低约17％，基频发射电压响应提高大于1.5dB，并且可以激发更多的工作模态来展宽工作带宽，可以覆盖水声探测、水声通信等领域的常用频率，具有十分广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的弯张换能器沿高度方向的视图；

图2为图1中B-B剖面的视图；

图3(a)为图1中的方形极化压电陶瓷片的A-A剖面的视图；

图3(b)为圆形极化压电陶瓷片的剖面视图；

图4为本发明的空气背衬结构的弯张换能器的密封方式示意图；

图5为本发明的弯张换能器与同尺寸的两个现有IV型弯张换能器的发射电压响应比较图。

附图标识：

1、第一弯张壳2、第二弯张壳3、中间连接处

4、压电驱动单元5、外侧梁6、中间梁

7、极化压电陶瓷堆8、未极化压电陶瓷片9、过渡块

10、电缆11、电缆密封头12、上钢板

13、下钢板14、去耦水密橡胶垫15、双头螺栓

16、螺母

具体实施方式

现结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种双壳串联IV型弯张换能器，所述弯张换能器包括：第一弯张壳1、第二弯张壳2、两个中间连接处3、两组压电驱动单元4、外侧梁5和中间梁6；所述两个中间连接处3将第一弯张壳1和第二弯张壳2串联为一个整体壳；所述两组压电驱动单元4平行贯穿于整体壳中间；所述外侧梁5将两个中间连接处3上下连接起来，用于限制所述第一弯张壳1和第二弯张壳2连接处外沿的弯曲振动；所述中间梁6用于进一步固定中间连接处3。

此外，所述弯张换能器还包括：电缆10，所述电缆10与所述压电驱动单元4相连。当所述弯张换能器工作时，通过电缆10对其施加交流电压信号，由于压电陶瓷的逆压电效应引起所述压电驱动单元4纵向振动，进而使第一弯张壳1和第二弯张壳2产生弯曲振动。

所述压电驱动单元4的长度大于所述整体壳长轴方向内壁的距离；安装时先对所述第一弯张壳1和第二弯张壳2的短轴方向施加压力使长轴方向伸长，安装所述压电驱动单元4后释放压力，通过所述第一弯张壳1和第二弯张壳2的恢复力对压电驱动单元4施加预应力。

所述第一弯张壳1和第二弯张壳2的壳体材料为硬铝、钢或钛合金，所述第一弯张壳1和第二弯张壳2可以通过整块材料线切割或浇注成型的方式一体加工而成。为满足所述压电驱动单元4的尺寸，所述第一弯张壳1和第二弯张壳2在短轴方向可以适当加高。

如图2所示，所述压电驱动单元4包括极化压电陶瓷堆7、未极化压电陶瓷片8和过渡块9；所述极化压电陶瓷堆由偶数个极化压电陶瓷片堆叠粘接而成，所述极化压电陶瓷片两两之间极化方向相反，通过薄电极片焊接正负导线形成物理串联、电路并联的状态；极化压电陶瓷片间的粘接材料为环氧树脂；两片未极化压电陶瓷片8分别位于两端的过渡块9和极化压电陶瓷堆7之间，起到绝缘的作用；所述过渡块9的材料为硬铝、钢或钛合金；所述过渡块9的形状为台型或D型。

如图3(a)和图3(b)所示，所述极化压电陶瓷堆7的横截面为长方型、圆形或圆环形；在本实施例中，本发明的极化压电陶瓷堆7的横截面为长方型。

当所述弯张换能器设计为溢流结构时，所述压电驱动单元4需要做防水处理，处理方式为用聚氨酯橡胶进行灌封。

如图4所示，当所述弯张换能器设计为空气背衬结构时，所述弯张换能器还包括防水系统，所述防水系统包括：上钢板12、下钢板13、两块去耦水密橡胶垫14、若干个双头螺栓15和若干个螺母16；所述上钢板12和下钢板13位于所述弯张换能器的上下位置；两块去耦水密橡胶垫14位于所述弯张换能器与两个钢板之间，用于去耦合和防水密封；若干个双头螺栓15和若干个螺母16将所述上钢板12和下钢板13夹紧。

如果所述弯张换能器包括电缆10，所述上钢板12有电缆密封头11作为电缆出口；所述电缆10与电缆密封头11需做防渗水处理，处理方法为橡胶硫化或聚氨酯灌封。

如图5所示，本发明的弯张换能器可以多激发一阶弯曲振动模态，有效地降低了基频的频率，提高了基频的发射电压响应，同时拓宽了工作带宽。

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 (9)

1.一种双壳串联IV型弯张换能器，所述弯张换能器包括：第一弯张壳(1)、第二弯张壳(2)、两个中间连接处(3)、两组压电驱动单元(4)、外侧梁(5)和中间梁(6)；所述两个中间连接处(3)将第一弯张壳(1)和第二弯张壳(2)串联为一个整体壳，所述两组压电驱动单元(4)平行贯穿于整体壳的中间；所述外侧梁(5)将两个中间连接处(3)上下连接起来，用于限制所述第一弯张壳(1)和第二弯张壳(2)连接处外沿的弯曲振动；所述中间梁(6)用于进一步固定中间连接处(3)。

2.根据权利要求1所述的双壳串联IV型弯张换能器，其特征在于，所述弯张换能器还包括电缆(10)，所述电缆(10)与所述压电驱动单元(4)相连。

3.根据权利要求1所述的双壳串联IV型弯张换能器，其特征在于，所述第一弯张壳(1)和第二弯张壳(2)的壳体材料为硬铝、钢或钛合金。

4.根据权利要求1所述双壳串联IV型弯张换能器，其特征在于，所述压电驱动单元(4)包括极化压电陶瓷堆(7)、未极化压电陶瓷片(8)和过渡块(9)；所述极化压电陶瓷堆(7)由偶数个极化压电陶瓷片堆叠粘接而成，所述极化压电陶瓷片两两之间极化方向相反，通过薄电极片焊接正负导线形成物理串联、电路并联的状态；极化压电陶瓷片间的粘接材料为环氧树脂；两片未极化压电陶瓷片(8)分别位于极化压电陶瓷堆(7)的两端，起到绝缘的作用；两个过渡块(9)与两片未极化压电陶瓷片(8)相粘接。

5.根据权利要求4所述的双壳串联IV型弯张换能器，其特征在于，所述极化压电陶瓷堆(7)的横截面为长方型、圆形或圆环形。

6.根据权利要求4所述的双壳串联IV型弯张换能器，其特征在于，所述过渡块(9)的材料为硬铝、钢或钛合金。

7.根据权利要求4所述的双壳串联IV型弯张换能器，其特征在于，所述过渡块(9)的形状为台型或D型。

8.根据权利要求1所述的双壳串联IV型弯张换能器，其特征在于，当所述弯张换能器设计为空气背衬结构时，所述弯张换能器还包括防水系统，所述防水系统包括：上钢板(12)、下钢板(13)、两块去耦水密橡胶垫(14)、若干个双头螺栓(15)和若干个螺母(16)；所述上钢板(12)和下钢板(13)位于所述弯张换能器的上下位置；两块去耦水密橡胶垫(14)位于所述弯张换能器与两个钢板之间，用于去耦合和防水密封；若干个双头螺栓(15)和若干个螺母(16)将所述上钢板(12)和下钢板(13)夹紧。

9.根据权利要求8所述双壳串联IV型弯张换能器，其特征在于，所述弯张换能器还包括电缆(10)，所述电缆(10)与所述压电驱动单元相连；所述上钢板(12)有电缆密封头(11)作为电缆出口；所述电缆(10)与电缆密封头(11)需做防渗水处理，处理方法为：橡胶硫化或聚氨酯灌封。