CN107127134A - 磁致伸缩换能器和用于水下发射的大功率超低频声源 - Google Patents

Abstract

为解决现有有源材料驱动的超低频声源体积和重量大的问题，本发明提供了一种磁致伸缩换能器和用于水下发射的大功率超低频声源。本发明磁致伸缩换能器采用N+1个永磁体和N根长度相同的超磁致伸缩棒交替粘接构成偏置磁场组件，N≥3，偏置磁场组件的总长度大于等于200mm；单根超磁致伸缩棒和单个永磁体的长度比为5～10：1；利用大辐射面和驱动振子耦合的方式，在超低频下可使换能器获得很高的振动体积位移，同时具有小型化、轻量化的特点。

Description

磁致伸缩换能器和用于水下发射的大功率超低频声源

技术领域

本发明属于水声探测技术领域，具体涉及一种磁致伸缩换能器和采用该磁致伸缩换能器制成的用于水下发射的大功率超低频声源。本发明所说的超低频是指频率为30-300Hz。

背景技术

为满足使用要求，水下大功率超低频声源需要具备大的振动体积位移，目前能够产生大的振动体积位移的方式主要有以下几种。

空气枪超低频声源主要是将高压压缩空气以有效的脉冲方式在水中突然释放，利用高速排出的气体激发周围的介质产生超低频振动形成所需要的超低频声波。空气枪声源结构简单、体积小、声发射功率大，但存在发射频率不可控，重复性差等问题。

电动式超低频声源主要是利用电场与磁场之间的相互作用产生驱动力推动辐射面辐射超低频声波。电动式超低频声源又存在着辐射声功率小，技术难度高等一系列问题。

有源材料驱动的超低频声源主要是采用压电陶瓷等有源材料作为声源的激励源。有源材料驱动式声源具有技术成熟，结构可靠，频率可控等特点，但是现有的利用压电陶瓷实现超低频发射的声源重量将达到吨级，直径1m左右，运输、使用均极为不便。而对于同样技术指标，若采用超磁致伸缩材料制成声源，重量和体积约为压电陶瓷型声源的五分之一左右。由于超磁致伸缩棒材料易脆，无法直接制成所需长度，使用单根磁棒制成的传统磁致伸缩换能器只能发射中高频信号，使用两根磁棒直接粘接又会存在偏置磁场不足的情况。另外，传统磁致伸缩换能器采用钢外壳结构，磁漏较大，电能—磁能转化效率较低。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种磁致伸缩换能器和用于水下发射的大功率超低频声源。本发明磁致伸缩换能器采用永磁体和超磁致伸缩棒交替粘接、利用大辐射面和驱动振子耦合的方式，在超低频下可使换能器获得很高的振动体积位移，同时具有小型化、轻量化的特点。

本发明的技术解决方案是：

一种磁致伸缩换能器，包括激励线圈组件、质量块、磁回路外壳、偏置磁场组件、输出杆、压盖和前辐射头；

激励线圈组件包括线圈骨架和绕制在线圈骨架外的激励线圈；激励线圈组件固定安装在质量块上，磁回路外壳套装在激励线圈组件外且磁回路外壳的一个端面与质量块固定连接；

其特殊之处在于：

偏置磁场组件安装在所述线圈骨架内，偏置磁场组件由同轴交替粘接的N+1个永磁体和N根长度相同的超磁致伸缩棒构成；N≥3；

所述偏置磁场组件的总长度大于等于200mm；单根超磁致伸缩棒和单个永磁体的长度比为5～10：1；

输出杆的中部带有碟簧和限位凸起；输出杆的一端插入所述线圈骨架内并与所述偏置磁场组件紧密接触；输出杆中部的限位凸起与所述线圈骨架的端部之间具有一定间隙；

压盖从输出杆的另一端旋入并紧压所述碟簧；

输出杆的另一端伸出所述压盖后与所述前辐射头固定连接。

进一步地，上述N+1个永磁体的长度均相同。

进一步地，由于偏置磁场组件的长度达到设计要求的长度才能发射超低频信号，同时考虑到实际加工难度，上述N＝3，单根超磁致伸缩棒的长度为60mm，单个永磁体的长度为6mm。

进一步地，上述超磁致伸缩棒由铽镝铁稀土或钕铁硼材料制成。

进一步地，为获得较好的耦合效果，上述前辐射头为喇叭形，其大口朝向外部，大口外延所在平面为辐射面，辐射面直径大于等于300mm。

进一步地，上述前辐射头采用硬铝材料制成。

进一步地，上述磁回路外壳采用电工纯铁材料制成。

本发明同时提供了一种用于水下发射的大功率超低频声源，包括水声换能器、吊放夹具、以及由声源外壳和密封堵头组成的壳体；声源外壳为一端开口的筒状结构，声源外壳套装在换能器外，吊放夹具固定安装在声源外壳外侧面上；其特殊之处在于：

所述水声换能器为上述的磁致伸缩换能器；声源外壳的底部与磁致伸缩换能器中的质量块固定连接。

进一步地，磁致伸缩换能器的前辐射头位于所述声源外壳的边沿内侧，前辐射头处采用聚氨酯灌封至与声源外壳边沿齐平形成聚氨酯密封层，以保证声源的透声性和密封性。

进一步地，上述吊放夹具有两个，间隔设置在声源外壳的中部。

本发明的有益效果：

1、本发明利用激励线圈组件产生的激励磁场和永磁体共同作用，利用超磁致伸缩棒具有高磁致伸缩系数的特性，使超磁致伸缩棒产生超低频大振幅轴向振动，通过质量块使振动能量大部分向前端辐射，再利用辐射头将超低频大幅轴向振动耦合为高的振动体积位移，从而实现了水下超低频声信号的大功率发射，同时具有体积小、质量轻的特点。

2、本发明采用永磁体和超磁致伸缩棒交替粘接的结构，即达到了设计和使用所要求的总体长度，又保证了超磁致伸缩棒正常工作所需要的偏置磁场，因此能够实现超低频发射。

3、本发明采用碟簧施加预应力的设计，在激励线圈组件产生的激励磁场作用前，利用永磁体给超磁致伸缩棒提供偏置磁场，偏置磁场和激励磁场共同作用能够保证超磁致伸缩棒正常工作在线性区，使得磁能—机械能转化效率较高。

4、本发明将前辐射头设计成喇叭形，喇叭大口朝向外部，大口外延所在平面为辐射面，具有较大的辐射面积，能够增强辐射能量。

5、本发明磁回路外壳采用电工纯铁材料，能够充分利用磁场能，减少磁泄漏，提高电磁转化效率，实现大功率发射。

附图说明

图1为本发明用于水下发射的大功率超低频声源的一个具体实施例的结构示意图。

附图标号说明：1—前辐射头，2—输出杆，3—压盖，4—碟簧，5—永磁体，6—超磁致伸缩棒，7—激励线圈，8—密封堵头，9—紧固螺栓，10—吊放夹具，11—质量块，12—声源外壳，13—磁回路外壳，14—聚氨酯密封层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明所提供的磁致伸缩换能器采用稀土超磁致伸缩材料制成偏置磁场组件，利用偏置磁场和激励磁场进行驱动。为便于理解，以下通过附图1中磁致伸缩换能器的制作过程来详细说明磁致伸缩换能器的具体结构：

第1步：制作偏置磁场组件。

将四个长度均为60mm的永磁体5和三根长度均为60mm的超磁致伸缩棒6用AB胶交替粘接在一起构成偏置磁场组件，并且偏置磁场组件的两个端部为永磁体；粘接时应待上一段AB胶粘接牢固后再进行下一段粘接，粘接应保证各永磁体和超磁致伸缩棒间粘接牢固且具有较好的同轴性。本发明中四个永磁体5的长度可以相同也可以不同，长度相同的话磁场更均匀。

第2步：绕制激励线圈7。

将单根漆包圆导线沿事先加工好的尼龙线圈骨架表面紧密绕制成激励线圈7，各层导线间采用电缆纸进行绝缘。

第3步：装配。

3.1激励线圈7绕制完成后，将激励线圈7及尼龙线圈骨架组成的激励线圈组件套装在质量块11的凸起处，然后将步骤1制作好的偏置磁场组件从尼龙线圈骨架的一端插入。质量块11的端面上也可以不设置凸起，只要保证激励线圈组件固定安装在质量块11上即可。

3.2将磁回路外壳13套在尼龙线圈骨架外并推至底部，确保磁回路外壳13与质量块11紧密接触并固定。

3.3将中部带有碟簧4和限位凸起的输出杆2的一端插入尼龙线圈骨架内，并确保输出杆2与偏置磁场组件紧密接触，输出杆中部的限位凸起与线圈骨架的端部之间具有一定间隙。

3.4将压盖3从输出杆2的另一端旋入，压盖3紧压碟簧4，输出杆2伸出压盖3，通过压盖3的拧入深度来调节预应力大小。

3.5将前辐射头1拧到输出杆2的自由端。

通过上述步骤，即可制成本发明水下超低频大功率声源中的核心部件：磁致伸缩换能器。

本发明同时提供了一种采用上述磁致伸缩换能器的用于水下发射的大功率超低频声源，该大功率超低频声源还包括吊放夹具10、由声源外壳12和密封堵头8组成的壳体。

声源外壳12为一端开口另一端封闭的圆筒结构，套装在磁致伸缩换能器外，并且磁致伸缩换能器中前辐射头1位于声源外壳12的边沿内侧；通过紧固螺栓9将声源外壳12的底部与磁致伸缩换能器中质量块10固定连接，也可采用焊接等其他固定连接方式将声源外壳12与质量块10固定连接；在磁致伸缩换能器中前辐射头1处采用聚氨酯灌封至与声源外壳12的壳体齐平形成聚氨酯密封层14(灌封时应保证前辐射头的透声性和密封性)；然后将密封堵头8扣在声源外壳12的另一端并采用O型密封圈与声源外壳12之间实现密封连接；最后将两对吊放夹具10间隔安装到声源外壳12的侧面。每个吊放夹具均通过两个半圆形圆环将大功率超低频声源夹装，通过吊放夹具上的孔实现对大功率超低频声源的吊放。

本发明的大功率超低频声源的工作原理：

本发明利用激励线圈7产生的激励磁场和永磁体5共同作用，利用超磁致伸缩棒6具有高磁致伸缩系数的特性，使超磁致伸缩棒6产生超低频大振幅轴向振动；由于超磁致伸缩棒6的后端顶在质量块10上，使得振动能量大部分向前端辐射；超磁致伸缩棒6的前端通过输出杆2和前辐射头1连接，前辐射头1采用大辐射面积，将超低频大振幅轴向振动耦合为高的振动体积位移，实现超低频大功率声信号发射。

Claims (10)

1.一种磁致伸缩换能器，包括激励线圈组件、质量块、磁回路外壳、偏置磁场组件、输出杆、压盖和前辐射头；

激励线圈组件包括线圈骨架和绕制在线圈骨架外的激励线圈；激励线圈组件固定安装在质量块上，磁回路外壳套装在激励线圈组件外且磁回路外壳的一个端面与质量块固定连接；

其特征在于：

偏置磁场组件安装在所述线圈骨架内，偏置磁场组件由同轴交替粘接的N+1个永磁体和N根长度相同的超磁致伸缩棒构成；N≥3；

所述偏置磁场组件的总长度大于等于200mm；单根超磁致伸缩棒和单个永磁体的长度比为5～10：1；

输出杆的中部带有碟簧和限位凸起；输出杆的一端插入所述线圈骨架内并与所述偏置磁场组件紧密接触；输出杆中部的限位凸起与所述线圈骨架的端部之间具有一定间隙；

压盖从输出杆的另一端旋入并紧压所述碟簧；

输出杆的另一端伸出所述压盖后与所述前辐射头固定连接。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩换能器，其特征在于：N+1个永磁体的长度均相同。

3.根据权利要求2所述的磁致伸缩换能器，其特征在于：所述N＝3，单根超磁致伸缩棒的长度为60mm，单个永磁体的长度为6mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的磁致伸缩换能器，其特征在于：所述超磁致伸缩棒由铽镝铁稀土或钕铁硼材料制成。

5.根据权利要求4所述的磁致伸缩换能器，其特征在于：所述前辐射头为喇叭形，其大口朝向外部，大口外延所在平面为辐射面，辐射面直径大于等于300mm。

6.根据权利要求5所述的磁致伸缩换能器，其特征在于：所述前辐射头采用硬铝材料制成。

7.根据权利要求6所述的磁致伸缩换能器，其特征在于：所述磁回路外壳采用电工纯铁材料制成。

8.一种用于水下发射的大功率超低频声源，包括水声换能器、吊放夹具、以及由声源外壳和密封堵头组成的壳体；声源外壳为一端开口的筒状结构，声源外壳套装在换能器外，吊放夹具固定安装在声源外壳外侧面上；其特征在于：

所述水声换能器为权利要求1至7任一所述的磁致伸缩换能器；声源外壳的底部与磁致伸缩换能器中的质量块固定连接。

9.根据权利要求8所述的用于水下发射的大功率超低频声源，其特征在于：磁致伸缩换能器的前辐射头位于所述声源外壳的边沿内侧，前辐射头处采用聚氨酯灌封至与声源外壳边沿齐平形成聚氨酯密封层。

10.根据权利要求9所述的用于水下发射的大功率超低频声源，其特征在于：所述吊放夹具有两个，间隔设置在声源外壳的中部。