CN107274877A - 一种倒相式深海弯张水声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倒相式深海弯张换能器，属于海洋探测、水声通信技术领域，包括IV型弯张换能器，倒相管和连接结构，两个倒相管分别位于IV型弯张换能器的两端，两个倒相管靠近IV型弯张换能器的一端由连接结构进行连接，IV型弯张换能器被连接结构固定在之间。IV型弯张换能器外部为椭圆形壳体，内部为一驱动单元；椭圆形壳体长轴方向带有过渡块，驱动单元由压电陶瓷或稀土超磁致伸缩材料等有源材料构成。本发明采用半波长倒相管，不仅使弯张换能器具有传统的溢流弯张换能器能低频、深海工作的特点，又使弯张换能器具有了大功率、指向性发射的特征，这种弯张换能器可应用于低频主动声纳、远距离水声通信、基于声学手段的海洋环境监测等领域。

Description

一种倒相式深海弯张水声换能器

技术领域

本发明属于海洋探测、水声通信技术领域，具体涉及一种倒相式深海弯张水声换能器。

背景技术

水声设备是重要的海洋观测设备，利用声波携带信息对水下目标进行探测和识别。换能器是水声设备的关键部件，水声设备依靠它实现电、声能量互换。依据工作状态不同，换能器分成两大类：将电磁能量转换成声能的发射换能器和将声能转换为电磁能量的接收换能器(或称为水听器)。发射换能器把电磁振荡能转换成机械振动能，从而推动水介质进行振动，把电信号转换成在海洋中传播的声信号，辐射声能；接收换能器把机械振动能转换成电磁振荡能量，把声波信号转换成电信号，经过放大和处理后，送到显示器中进行观察和识别。目前换能器中运用较为广泛的是压电换能器，利用压电效应和逆压电效应，进行机械能和电能之间能量转换。某些晶体因受外力作用而发生形变时，在它的某些表面上会出现电荷，出现压电效应，具有压电效应的晶体称为压电晶体。压电效应是可逆的，即晶体在外电场的作用下要发生形变，即反向压电效应或逆压电效应。

弯张型换能器是实现低频声辐射的常用水声换能器，其工作原理是利用弯张壳体的位移放大效应，将驱动单元小振幅的纵向振动转化为壳体大振幅的弯曲振动，提高声辐射能力。根据其外壳结构可以分成七个主要类型：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。

低频声波具有吸收损失小的特点，如果利用深海声道优良的声传播条件，低频声波的传播距离可达上千公里，因此在远距离水声通信、基于声学手段的大海域环境监测等领域对低频、大功率、深海水声换能器提出了迫切的需求。

目前，水声换能器领域通常采用IV型弯张结构实现低频、大功率发射。IV型弯张换能器是一种应用广泛的弯张换能器，其壳体结构为一椭圆形管，工作时利用椭圆壳体的弯曲振动模态，相比起其他水声换能器常用的振动模态(如纵振动模态和径向振动模态)，弯曲振动模态刚度小、谐振频率低，因此可以实现小尺寸、低频发射；

IV型弯张换能器常见的驱动方式是将驱动单元沿弯张壳长轴方向置于壳体内部，通过壳体变形为驱动单元施加预应力，这种驱动单元位于壳体内部的驱动方式具有结构紧凑的优势。利用弯张换能器结构上特有的杠杆原理，压电晶堆在长轴方向的纵振动可转化为弯张壳体在短轴方向的呼吸振动，并且长轴方向的振动位移在短轴方向得到了放大(一般可放大3-4倍)，因此弯张换能器能以较小的尺寸输出较大的体积位移，从而实现大功率发射。

然而，IV型弯张换能器也存在着固有的缺点：无法深水工作。传统的IV型弯张换能器为空气背衬结构，这样带来的主要问题是：当置于深水环境时，换能器的壳体承受了指向内部的静水压力，长轴方向的功能材料(如压电陶瓷材料PZT-8、稀土材料Terfenol-D)上靠弯张壳体恢复力施加的预应力会被释放，这样就制约了功能材料的大功率发射能力。另外，较大的静水压力还会对弯张壳体造成损坏。因此传统的空气背衬IV型弯张换能器的工作深度一般不超过百米。

若想实现深度大于1000米的深海工作，一般使用充液或溢流结构，其中溢流结构简单可靠，是深海水声换能器中常见的压力释放方案。然而，对于IV型弯张换能器采用溢流这种压力释放方案存在着无法回避的问题：声辐射效率大幅度降低，原因在于：IV型弯张换能器溢流工作时，每个辐射面相当于一个偶极子声源，两个偶极子方向相反，因此其声辐射模型可视为纵向四极子辐射，在低频时(ka＜＜1，a为辐射面等效为球源的半径，k为波数)纵向四极子的辐射声功率与(ka)⁶成正比，所以低频时纵向四极子的声辐射效率非常低，一旦IV型弯张换能器使用了溢流形式，虽然工作深度大大提高，但辐射声功率将大幅度下降。

因此，如何实现一种不仅能深水工作而且还具有高声辐射效率的弯张换能器为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可深水工作、大功率发射且能够低频指向性发射的倒相式深海弯张水声换能器。

本发明的目的是这样实现的：一种倒相式深海弯张水声换能器，包括IV型弯张换能器，倒相管和连接结构，两个倒相管分别位于IV型弯张换能器的两端，两个倒相管靠近IV型弯张换能器的一端由连接结构进行连接，IV型弯张换能器被连接结构固定在之间。

优选的，所述的IV型弯张换能器外部为椭圆形壳体，内部为一驱动单元；椭圆形壳体的材质为铝合金、钛合金等金属材料或者碳纤维、玻璃纤维等复合材料，壳体长轴方向带有过渡块；驱动单元由压电陶瓷或稀土超磁致伸缩材料等有源材料构成，驱动单元外部由环氧树脂材料或硫化橡胶层包覆，形成水密结构。

优选的，所述的IV型弯张换能器为溢流结构。

优选的，所述的倒相管为半波长倒相管，其外部呈椭圆柱形，截面形状与IV型弯张换能器的截面形状相同，长度为IV型弯张换能器弯曲谐振频率对应的水中波长的一半；倒相管的材料可以是铝合金、钛合金等金属材料，也可以是碳纤维、玻璃纤维等复合材料。

优选的，所述的倒相管下端带有椭圆形状的金属环状结构，金属环上附有多个通孔，金属环状结构与倒相管为一体化结构或者由通过螺栓连接的拆分结构。

优选的，所述的连接结构包括去耦垫片，金属螺栓和螺母；去耦垫片为橡胶材料，形状与大小均与IV型弯张换能器的截面形状相同，去耦垫片安装在IV型弯张换能器和倒相管之间。

优选的，所述的金属螺栓整体为圆柱形，两端均为螺纹结构，中间螺杆部分直径大于金属环上孔的直径，螺纹结构直径与金属环上孔的直径相同；金属螺栓两端的螺纹结构分别穿过两个倒相管下端的金属环状结构上的金属孔，穿出的螺纹部分用螺母进行固定。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在IV型弯张换能器两端安装半波长倒相管，对溢流弯张换能器内部辐射的声压相位进行180度倒相，调节了溢流弯张辐射壳体内侧辐射的声压相位，使得内侧辐射的声压在倒相管管口处与弯张辐射壳体外侧辐射的声压相位相同，改变了其原有的纵向四极子辐射模式，克服了传统溢流式IV型弯张换能器的辐射效率低的问题，同时保留了溢流式弯张换能器能大深度工作的特点；

本发明通过在IV型弯张换能器两端安装半波长倒相管，在上下两个管口处形成两个辐射面，使换能器具有了三个同相辐射面，即两端的椭圆形平面活塞辐射面和弯张换能器的外壳体辐射面，三个辐射面形成了三元同相基阵模式，使低频弯张换能器形成了∞字形指向性，从而使IV型弯张换能器具有了指向性发射的特点，可增强水下探测系统的抗混响干扰能力。

因此，本发明既保留了传统的溢流弯张换能器能低频、深海工作的特点，又使弯张换能器具有了大功率、指向性发射的特征。

附图说明

图1为本发明中IV型弯张换能器的结构示意图；

图2为本发明中倒相管及连接金属环的结构示意图；

图3为本发明中IV型弯张换能器整体结构的拆分示意图；

图4为本发明中IV型弯张换能器的整体装配示意图和剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

结合图3和图4，本发明公开了一种倒相式深海弯张水声换能器，包括IV型弯张换能器，倒相管2和连接结构，两个倒相管2分别位于IV型弯张换能器的两端，两个倒相管靠近IV型弯张换能器的一端由连接结构进行连接，IV型弯张换能器被连接结构固定在之间。

结合图1，IV型弯张换能器外部为椭圆形壳体1，内部为一驱动单元3；椭圆形壳体1为溢流结构，材质为铝合金、钛合金等金属材料或者碳纤维、玻璃纤维等复合材料，壳体长轴方向带有过渡块；驱动单元3由压电陶瓷或稀土超磁致伸缩材料等有源材料构成，驱动单元外部由环氧树脂材料或硫化橡胶层包覆，形成水密结构。

当驱动单元3采用压电陶瓷材料时，由偶数片压电陶瓷片构成压电陶瓷晶堆，压电陶瓷片之间由环氧树脂相互粘接，陶瓷片之间设置薄电极片，晶堆的输入电线由薄电极片处引出，压电陶瓷片电学上并联连接；压电陶瓷晶堆外部用一层环氧树脂材料或硫化橡胶层包覆，形成水密结构。

结合图2，倒相管2为半波长倒相管，其外部呈椭圆柱形，截面形状与IV型弯张换能器的截面形状相同，长度为IV型弯张换能器弯曲谐振频率对应的水中波长的一半；倒相管的材料可以是铝合金、钛合金等金属材料，也可以是碳纤维、玻璃纤维等复合材料。

倒相管2下端带有椭圆形状的金属环状结构6，金属环上附有多个通孔，金属环状结构6与倒相管2为一体化结构或者由通过螺栓连接的拆分结构。

结合图3，连接结构包括去耦垫片4，金属螺栓5和螺母；去耦垫片4为橡胶等粘弹性等材料，形状与大小均与IV型弯张换能器的截面形状相同，去耦垫片4安装在IV型弯张换能器和倒相管之间，起到隔绝弯张壳体振动的作用。

结合图3和图4，金属螺栓5整体为圆柱形，两端均为螺纹结构，中间螺杆部分直径大于金属环上孔的直径，螺纹结构直径与金属环上孔的直径相同；金属螺栓5两端的螺纹结构分别穿过两个倒相管2下端的金属环状结构6上的金属孔，穿出的螺纹部分用螺母拧紧，螺金属螺栓5将两个半波长倒相管2和弯张换能器固定在一起，起到控制去耦垫片压缩量的作用，以避免由于夹持过紧影响弯张换能器的振动。

结合图3，本发明中的半波长倒相管2上可以设置其他附件，如用于换能器吊放的吊环、与其他结构进行连接的法兰等。

实施例2

结合图1，本发明的实施方式是提供一种倒相式的深海弯张换能器，其中包括一个IV型溢流弯张换能器，两个半波长椭圆柱壳形倒相管2；弯张换能器由长轴方向带有过渡块的椭圆形壳体1和一个驱动单元3组成。

本实施方式中，驱动单元3可以是由偶数片压电陶瓷片粘接而成的压电陶瓷晶堆，压电陶瓷片之间可以设置有薄电极片，用于引出电缆，压电晶堆可以包覆硫化橡胶层，达到水密效果。

结合图2，本发明中的半波长倒相管2为椭圆柱壳，其一端附有带若干通孔的椭圆形金属环6。本发明的实施方式中，金属环6与半波长倒相管2可以是一体成型，也可以分为两部分，再由螺栓连接在一起。

结合图3，本发明的实施方式中，椭圆形壳体1与半波长倒相管2之间设置有去耦垫片4，其材料可以是橡胶等粘弹性等材料。

结合图3，本发明中的螺栓5穿过金属环6上的通孔，两端通过螺母拧紧，将两个半波长倒相管2和弯张换能器固定在一起。螺栓5圆柱直径略大于通孔直径，起到控制去耦垫片压缩量的作用，以避免由于夹持过紧影响弯张换能器的振动。

结合图3，本发明中的半波长倒相管2上可以设置其他附件，如用于换能器吊放的吊环、与其他结构进行连接的法兰等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种倒相式深海弯张水声换能器，其特征在于：包括IV型弯张换能器，倒相管和连接结构，两个倒相管分别位于IV型弯张换能器的两端，两个倒相管靠近IV型弯张换能器的一端由连接结构进行连接，IV型弯张换能器被连接结构固定在之间。

2.根据权利要求1所述的一种倒相式深海弯张水声换能器，其特征在于：所述的IV型弯张换能器外部为椭圆形壳体，内部为一驱动单元；椭圆形壳体的材质为铝合金、钛合金等金属材料或者碳纤维、玻璃纤维等复合材料，壳体长轴方向带有过渡块；驱动单元由压电陶瓷或稀土超磁致伸缩材料等有源材料构成，驱动单元外部由环氧树脂材料或硫化橡胶层包覆，形成水密结构。

3.根据权利要求1所述的一种倒相式深海弯张水声换能器，其特征在于：所述的IV型弯张换能器为溢流结构。

4.根据权利要求1所述的一种倒相式深海弯张水声换能器，其特征在于：所述的倒相管为半波长倒相管，其外部呈椭圆柱形，截面形状与IV型弯张换能器的截面形状相同，长度为IV型弯张换能器弯曲谐振频率对应的水中波长的一半；倒相管的材料可以是铝合金、钛合金等金属材料，也可以是碳纤维、玻璃纤维等复合材料。

5.根据权利要求1所述的一种倒相式深海弯张水声换能器，其特征在于：所述的倒相管下端带有椭圆形状的金属环状结构，金属环上附有多个通孔，金属环状结构与倒相管为一体化结构或者由通过螺栓连接的拆分结构。

6.根据权利要求1所述的一种倒相式深海弯张水声换能器，其特征在于：所述的连接结构包括去耦垫片，金属螺栓和螺母；去耦垫片为橡胶材料，形状与大小均与IV型弯张换能器的截面形状相同，去耦垫片安装在IV型弯张换能器和倒相管之间。

7.根据权利要求1所述的一种倒相式深海弯张水声换能器，其特征在于：所述的金属螺栓整体为圆柱形，两端均为螺纹结构，中间螺杆部分直径大于金属环上孔的直径，螺纹结构直径与金属环上孔的直径相同；金属螺栓两端的螺纹结构分别穿过两个倒相管下端的金属环状结构上的金属孔，穿出的螺纹部分用螺母进行固定。