CN106448644B - 一种无指向性宽带大功率Janus水声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种敷设了隔声层并附加了Helmholtz共振腔的无指向性宽带大功率Janus水声换能器。本发明包括：一个Janus换能器、两个圆柱壳腔体、隔声层及支撑装置；Janus换能器由两个晶堆、一个中间质量块、两个喇叭形辐射盖板组成，晶堆由偶数片压电陶瓷圆片经环氧树脂粘接而成，压电陶瓷圆片为厚度方向极化，相邻的两片压电陶瓷圆片极化方向相反，陶瓷圆片间设置薄电极片，经由薄电极片引出晶堆的输入电线，压电陶瓷圆片电学上并联连接。本发明克服了Janus换能器无法实现宽带发射的缺点，同时利用了Helmholtz共振腔的液腔振动加Janus换能器纵振动实现宽带发射。
Description
技术领域
本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种敷设了隔声层并附加了Helmholtz共振腔的无指向性宽带大功率Janus水声换能器。
背景技术
声波是唯一能在海水中远距离传输的能量载体。因此能够在海水中发射声波的水声换能器在认识海洋、探索海洋的人类活动中角色至关重要。在远程水声通信领域，对水声换能器提出了一些具体的技术要求：为使声波传播上千公里的距离，水声换能器需能工作在数百赫兹的低频段以尽可能的减少吸收损失，并且声源级一般不低于200dB才可满足要求；为提高通信速率，通常要求水声换能器拥有足够的工作带宽；针对远距离通信目标如无人自主水下航行器、长航时水下滑翔机等方位不确定的特点，通常要求水声换能器无指向性。在基于声学手段的海洋环境监测技术领域，也需要一种低频、大功率、无指向性的水声换能器发射声信号，以满足对大海域的水温等海洋环境参数的监测需求。
然而目前技术较为成熟的几类水声换能器中，同时实现上述几个技术指标是非常困难的。例如弯张换能器可以低频、大功率发射，但是工作带宽有限；电动式换能器可以低频、宽带发射但是电声效率低、声功率不足；Tonpilz换能器声辐射能力强、易于形成宽带发射，但难以实现低频工作且指向性明显。相对来说，溢流圆环水声换能器较为符合上述各项技术要求，但是大尺寸低频溢流圆环水声换能器成本高、价格贵，限制了其大规模应用。
Janus换能器是一种典型的大功率水声换能器，主要结构包括质量块、上下对称的压电晶堆和喇叭形辐射盖板。压电晶堆采用施加了预应力的压电陶瓷圆片堆叠而成，激发整个结构的纵向振动，振动节面位于质量块的中心面处，位移最大处位于辐射盖板的前辐射面。大尺寸的压电晶堆加上可观的辐射面积，足以使Janus换能器产生大功率声输出，然而在实际使用过程中其真实的声辐射能力并未体现出来，主要原因在于：当Janus换能器置于水中工作时，主要振动能量集中在两个辐射盖板上，由于辐射盖板前后两个面均接触水介质，声辐射模型上每个辐射盖板相当于一个声偶极子，因此整个换能器相当于两个间隔一定距离的反向声偶极子，即纵向四极子。在各类声辐射模型中，纵向四极子的声辐射效率远低于单极子、同相球源及偶极子，因此在水声换能器设计中应着力避免纵向四极子声辐射模式，以免降低换能器的声辐射能力。此外，纵向四极子辐射时呈现出典型的“8”字形指向性，也即有限的声能量主要超90°方向集中，0°方向(即水平方向)的声辐射能力更加微弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具低频、宽带、大功率、无指向性等特点的无指向性宽带大功率Janus水声换能器。
本发明的目的是这样实现的：
一种无指向性宽带大功率Janus水声换能器，包括：一个Janus换能器、两个圆柱壳腔体、隔声层及支撑装置；Janus换能器由两个晶堆、一个中间质量块、两个喇叭形辐射盖板组成，晶堆由偶数片压电陶瓷圆片经环氧树脂粘接而成，压电陶瓷圆片为厚度方向极化，相邻的两片压电陶瓷圆片极化方向相反，陶瓷圆片间设置薄电极片，经由薄电极片引出晶堆的输入电线，压电陶瓷圆片电学上并联连接。
所述的中间质量块位于换能器中间位置，中间质量块周向设置有对心的螺纹孔，以便安装支撑装置；中间质量块周向设置有对心的圆孔，以便安装水密连接器。
所述的两个喇叭形辐射盖板采用硬铝合金、钛合金等轻质金属制成，小外径端与晶堆一端粘接，大外径端与圆柱壳腔体围成Helmholtz共振腔。
所述的中间质量块、压电晶堆、喇叭形辐射盖板通过预应力螺栓夹紧，对压电晶堆施加预应力，晶堆径向尺寸较小时，预应力螺栓从晶堆中心穿过，晶堆径向尺寸较大时，为保证晶堆上预应力均匀，应设置在晶堆外侧，沿周向均匀分布。
所述的两个压电晶堆均有环氧树脂材料或硫化橡胶层包覆，起到水密的作用。
所述的的圆柱壳腔体，采用不锈钢金属材料制成，圆柱壳腔体设置在辐射盖板的前方，与辐射盖板的上表面围成Helmholtz共振腔，圆柱壳腔体内侧喇叭形辐射盖板通过去耦实现隔离。
所述的隔声层是由隔声材料制成，敷设在辐射盖板的下表面；或者是起到阻隔声波辐射的隔声结构。
所述的支撑装置连接圆柱壳腔体和Janus换能器，由支撑杆和支撑梁组成，支撑梁两端通过螺栓连接在圆柱壳腔体上，支撑杆一端通过螺纹孔连接在中间质量块上，另一端连接在支撑梁的中心，支撑杆和支撑梁呈T字形；支撑装置尺寸和数量依据换能器的整体尺寸、重量确定；支撑装置沿圆柱壳腔体外侧周向均布。
本发明的有益效果在于：
本发明克服了传统的Janus换能器由于纵向四极子辐射造成的声辐射效率低的缺点，同时利用了同相球源声辐射效率高的优点。本发明克服了传统的Janus换能器由于纵向四极子辐射造成的0°方向声源级低的缺点，同时利用了同相球源辐射在0°方向声能量集中、声源级高的优点。本发明克服了Janus换能器无法实现宽带发射的缺点，同时利用了Helmholtz共振腔的液腔振动加Janus换能器纵振动可以实现宽带发射的优点。本发明可以应用于远程水声通信、低频水声实验、海洋声层析等技术领域。
附图说明
图1(a)是传统的Janus水声换能器示意图；
图1(b)纵向四极子辐射模型图；
图1(c)纵向四极子辐射模型指向性图；
图2(a)是本发明中无指向性宽带大功率Janus水声换能器示意图；
图2(b)同相球源辐射模型、图2(c)同相球源辐射模型指向性图；
图3是本发明中的支撑装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明涉及到一种敷设了隔声层并附加了Helmholtz共振腔结构的Janus水声换能器，属于水声换能器技术领域。该换能器包括一个Janus换能器、两个圆柱壳腔体及隔声层；隔声层的作用是变Janus换能器的纵向四极子辐射模式为同相球源辐射模式，提高换能器的声辐射效率并改善0°方向的辐射能力；Helmholtz共振腔的作用是增加了一个低频液腔谐振模态，与Janus换能器纵振模态相耦合形成宽带发射特性。该发明使Janus水声换能器具有了低频、宽带、大功率、无指向性等特点，可应用于低频主动声纳，远程水声通信、低频水声实验、海洋环境监测等领域。
本发明提供的Janus水声换能器，包括一个中间质量块、两个晶堆、两个喇叭形辐射盖板及两支预应力螺栓，中间质量块、晶堆和喇叭形辐射盖板按次序粘接在一起，通过预应力螺栓压紧连接并对晶堆施加预应力。
所述的晶堆可以由压电陶瓷圆片粘接而成，也可以由稀土超磁致伸缩材料粘接而成。
所述的圆柱壳腔体嵌套在辐射盖板的前方，腔体与辐射盖板上表面构成外液腔，隔声层敷设在辐射盖板的下表面。
所述的隔声层可以是轻质泡沫材料贴附在辐射盖板的下表面，也可以是贴近辐射盖板下表面的隔声结构，起到阻隔该方向声辐射的作用。隔声材料或隔声结构的设置以不明显影响辐射盖板的振动为宜。
所述的圆柱壳腔体通过“T”字形支撑装置与中间质量块连接，圆柱壳腔体与辐射盖板的边缘非刚性接触。
本发明提供了一种敷设隔声层并附加了Helmholtz共振腔的低频大功率无指向性水声换能器，利用隔声层将Janus换能器的纵向四极子辐射模式变为同相球源辐射模式，改变了换能器的波束形状，改善了0°方向的辐射能力，使Janus换能器具有了大功率、无指向性特点，利用Helmholtz共振腔的液腔振动与Janus换能器的纵振动耦合，使换能器具有了宽带发射特性。
参考图1，Janus换能器由一个中间质量块1、两个晶堆2、两个喇叭形辐射盖板4组成，中间质量块、晶堆和辐射盖板可以由设置在中心位置的预应力螺栓6连接并对晶堆压紧施加预应力，当晶堆直径较大时可以用设置在晶堆周向均匀分布的数只预应力螺栓连接并对晶堆压紧施加预应力。
参考图2，本发明中的无指向性宽带大功率Janus水声换能器，包括一个Janus换能器、两个圆柱壳腔体5、敷设在辐射盖板4下表面的隔声层3及连接圆柱壳腔体5和Janus换能器的支撑装置。
中间质量块1周向设置有指向圆心的圆孔，以安装插拔式水下连接器，实现晶堆2与传输电缆相连接。为实现水密，在晶堆2外围包覆硫化橡胶层，硫化橡胶层也可用环氧树脂层等其他密封材料代替。
中间质量块1周向设置有指向圆心的螺纹孔，以方便安装连接Janus换能器与圆柱壳腔体5的支撑装置。
晶堆2由偶数片压电陶瓷圆片使用环氧树脂粘接而成，相邻的两片压电陶瓷圆片极化方向相反。压电陶瓷圆片间之间设置薄电极片，压电陶瓷圆片在电路上并联连接。晶堆2一端与中间质量块1粘接在一起。
喇叭形辐射盖板4由轻质金属如铝合金、钛合金制成，小外径端与晶堆2的一端粘接，大外径端与圆柱壳腔体5底部齐平。
圆柱壳腔体5设置在辐射盖板4的上方，通过支撑装置经由中间质量块1与Janus换能器连接在一起，圆柱壳腔体5与辐射盖板4围成Helmholtz共振腔。
换能器工作时，晶堆2上施加交变电压，压电陶瓷圆片在交变电场的激励下产生厚度方向的伸缩振动，体现在整个晶堆即是纵向的伸缩振动，当交变信号频率达到Helmholtz共振腔的液腔谐振频率时，0°方向的频响曲线出现第一个极大值，当交变信号频率达到Janus纵振动谐振频率时，0°方向的频响曲线出现第二个极大值。
参考图3，支撑装置起到连接圆柱壳腔体5和Janus换能器的作用，由支撑梁6和支撑杆7组成，支撑梁6两端通过螺栓连接在圆柱壳腔体5上，支撑杆7一端通过螺纹孔连接在中间质量块1上，另一端连接在支撑梁6的中心，支撑杆7和支撑梁6呈“T”字形。支撑装置尺寸和数量依据换能器的整体尺寸、重量确定，其尺寸和数量应既不明显影响换能器的结构振动和声辐射，又能保证足够的强度。支撑装置沿圆柱壳腔体5外侧周向均布。
最后应说明的是，以上实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，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种无指向性宽带大功率Janus水声换能器，包括一个Janus换能器、两个圆柱壳腔体、隔声层及支撑装置；Janus换能器由两个晶堆、一个中间质量块、两个喇叭形辐射盖板组成，其特征在于：晶堆由偶数片压电陶瓷圆片经环氧树脂粘接而成，压电陶瓷圆片为厚度方向极化，相邻的两片压电陶瓷圆片极化方向相反，陶瓷圆片间设置薄电极片，经由薄电极片引出晶堆的输入电线，压电陶瓷圆片电学上并联连接；
所述的中间质量块位于换能器中间位置，中间质量块周向设置有对心的螺纹孔，以便安装支撑装置；中间质量块周向设置有对心的圆孔，以便安装水密连接器；
所述的两个喇叭形辐射盖板采用硬铝合金或钛合金制成，小外径端与晶堆一端粘接，大外径端与圆柱壳腔体围成Helmholtz共振腔；
所述的中间质量块、晶堆、喇叭形辐射盖板通过预应力螺栓夹紧，对晶堆施加预应力，晶堆径向尺寸较小时，预应力螺栓从晶堆中心穿过，晶堆径向尺寸较大时，为保证晶堆上预应力均匀，应设置在晶堆外侧，沿周向均匀分布；
所述的两个晶堆均有环氧树脂材料或硫化橡胶层包覆，起到水密的作用；
所述的圆柱壳腔体，采用不锈钢金属材料制成，圆柱壳腔体设置在辐射盖板的前方，与辐射盖板的上表面围成Helmholtz共振腔，圆柱壳腔体内侧喇叭形辐射盖板通过去耦实现隔离；
所述的隔声层是由隔声材料制成，敷设在辐射盖板的下表面；或者是起到阻隔声波辐射的隔声结构；
所述的支撑装置连接圆柱壳腔体和Janus换能器，由支撑杆和支撑梁组成，支撑梁两端通过螺栓连接在圆柱壳腔体上，支撑杆一端通过螺纹孔连接在中间质量块上，另一端连接在支撑梁的中心，支撑杆和支撑梁呈T字形；支撑装置尺寸和数量依据换能器的整体尺寸、重量确定；支撑装置沿圆柱壳腔体外侧周向均布；
换能器工作时，晶堆上施加交变电压，压电陶瓷圆片在交变电场的激励下产生厚度方向的伸缩振动，体现在整个晶堆即是纵向的伸缩振动，当交变信号频率达到Helmholtz共振腔的液腔谐振频率时，0°方向的频响曲线出现第一个极大值，当交变信号频率达到Janus纵振动谐振频率时，0°方向的频响曲线出现第二个极大值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |