CN107403616B - 一种低频框架驱动式四边型弯张换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种低频框架驱动式四边型弯张换能器，包括辐射壳体，驱动元件和过渡块；所述辐射壳体为对称四边型壳体，由四个T型端帽结构和四个内凹弧形辐射面交替连接而成；T型端帽结构有助于驱动元件和辐射面的耦合；驱动元件共有四组，分别置于四个内凹弧形辐射面外部，通过过渡块与对应内凹弧形辐射面两端的两个T型端帽内壁刚性连接，且长度大于两个T型端帽内壁之间的距离。本发明尺寸小、频率低、功率大、可实现多种声辐射模态，可应用于水声探测、测量以及海洋资源勘探等领域。

Description

一种低频框架驱动式四边型弯张换能器
技术领域
本发明涉及的是一种水声领域的换能装置，具体地说是一种低频框架驱动式四边型弯张换能器。
背景技术
在远程水声通信、基于声学手段的海洋环境监测等技术领域，需要一种低频、大功率、宽带水声换能器发射声波。受到换能器搭载平台的限制，水声换能器的体积和重量是很重要的设计参数。使用者总是希望水声换能器体积小重量轻，并且能低频、大功率、宽带工作，这就为水声换能器设计技术提出了挑战。低频声波主要是指频率在3kHz以下的声波，其在海洋研究、资源开发等领域都具有十分重要的应用价值。因此对于低频水声换能器的研制显得尤为重要。目前，低频水声换能器有很多种，常见的有动圈式换能器、弯曲振动式换能器以及弯张换能器等。
动圈式换能器是实现低频声辐射的较好声源，其驱动力由恒定的磁场和位于恒定磁场中通过一定交变电流的线圈之间的相互作用而产生。比较有代表型的动圈式换能器是英国G.W公司研制的UW600型动圈式超低频换能器。该换能器工作频段为4Hz-1kHz，最大声源级188dB，重量1070kg，内部采用空气压缩系统进行压力补偿，工作深度可达200m。
最常见的弯曲振动式换能器是弯曲圆盘换能器，弯曲圆盘换能器包含双叠片结构和三叠片结构，这种换能器具有低频、大功率、体积小、结构简单、便于生产等特点。
弯张换能器是一种理想的低频、大功率声源，它的工作原理是：利用有源材料的纵向振动激励壳体做弯曲振动。常见的弯张换能器可分为七种类别，应用最为广泛的是Ⅳ型弯张换能器。Ⅳ型弯张换能器的原型最早诞生于美国华盛顿特区海军研究实验室(NRL)。1936年，其声学部主任Harvey C Hayes发表了自己的专利，在专利中首次提出了弯曲伸张换能器的结构形式。Ⅳ型弯张换能器以椭圆壳体为辐射壳体，利用杠杆原理，实现振幅放大效应，可以辐射出较大的声功率。其中作纵向振动的有源材料通常选用压电陶瓷片或稀土超磁致伸缩棒。
本发明提出了一种低频框架驱动式四边型弯张换能器，利用放大效应设计的一种框架式驱动的四边型弯张换能器，对所述驱动元件施加交流载荷，使其产生纵向伸缩振动，通过T形端帽结构传递给对应弧形辐射面，实现弧形辐射面的弯曲振动，并利用四边型壳体的杠杆效应在壳体辐射面产生较大位移；利用四边型壳体的框架式驱动，每个驱动单元单独控制其对应内凹弧形辐射面的振动，对四个相对独立的驱动单元施加不同激励，可实现多种声辐射模态工作，同时换能器同时兼具了尺寸小，频率低，功率大等特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尺寸小，频率低，功率大、可实现多种声辐射模态等特点的一种低频框架驱动式四边型弯张换能器。
本发明的目的是这样实现的：
一种低频框架驱动式四边型弯张换能器，包括辐射壳体、驱动元件、过渡块(5)；所述辐射壳体由四个T型端帽(1)和四个内凹弧形辐射面(2)构成；所述驱动元件共有四组，分别置于四个内凹弧形辐射面(2)外部，通过过渡块(5)与对应内凹弧形辐射面(2)两端的两个T型端帽(1)内壁刚性连接，且长度大于两个T型端帽(1)内壁之间的距离；所述驱动元件和其两侧的两个过渡块(5)组成振子装配体。
所述辐射壳体采用对称式四边型壳体时，其包括的四个T型端帽(1)和四个内凹弧形辐射面(4)都各自相同。
所述辐射壳体采用非对称式四边型壳体时，由两两相同的四个T型端帽(1)，两个内凹弧形长辐射面(3)、两个内凹弧形短辐射面(4)交替连接而成。
所述驱动元件由稀土超磁致伸缩棒(10)构成时；所述稀土超磁致伸缩棒(10)外面套有线圈骨架(8)，所述稀土超磁致伸缩棒(10)两端各安放一片永磁片(7)；
所述的稀土超磁致伸缩棒为稀土超磁致伸缩材料制成的圆棒，圆棒外围缠绕一组激励线圈(9)，激励线圈(9)封闭在高磁导率材料制成的闭合磁路里。
所述驱动元件由两组长压电晶堆和两组短压电晶堆组成时；所述压电晶堆(6)由N片矩形压电陶瓷片粘接而成，其中N为≥2的偶数，矩形压电陶瓷厚度方向极化，每两个压电陶瓷片之间布放一个电极片。
所述振子装配体置于辐射壳体外部并与对应的两个T型端帽(1)内壁刚性连接。
本发明的有益效果在于：
本发明一种低频框架驱动式四边型弯张换能器具有放大效应，利用四边型壳体的杠杆效应在壳体辐射面对激励位移的放大效应，提高换能器声辐射能力；通过框架驱动四边型壳体，四个驱动单元相互独立，可单独控制，实现换能器多种模态工作；通过四组驱动单元在壳体框架外驱动的形式，相比于传统弯张换能器增加了有源材料的体积，提高了换能器的功率容量，有利于实现换能器的大功率发射。这种驱动方式也降低了换能器整体的刚度，相比于同尺寸的传统弯张换能器进一步的降低了换能器的谐振频率。本发明一种低频框架驱动式四边型弯张换能器具有小尺寸，大功率，低频，指向性等优点，可应用于水声探测、测量以及海洋资源勘探等领域。
附图说明
图1是本实施例采用压电陶瓷做驱动元件的对称式低频框架驱动四边型弯张换能器示意图；
图2是本实施例采用稀土超磁致伸缩棒做驱动元件的对称式低频框架驱动四边型弯张换能器示意图；
图3是实施例采用压电陶瓷做驱动元件的非对称式低频框架驱动四边型弯张换能器示意图；
图4是实施例采用稀土超磁致伸缩棒做驱动元件的非对称式低频框架驱动四边型弯张换能器示意图。
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。
本发明涉及的是一种水声领域的换能装置，具体地说是一种低频框架驱动式四边型弯张换能器。本发明的目的在于提供一种尺寸小，频率低，功率大、可实现多种声辐射模态等特点的一种低频框架驱动式四边型弯张换能器。
本发明的工作原理是：
本发明一种低频框架驱动式四边型弯张换能器是利用放大效应设计的一种框架式驱动的四边型弯张换能器，对所述驱动元件施加交流载荷，使其产生纵向伸缩振动，通过T形端帽结构传递给对应弧形辐射面，实现弧形辐射面的弯曲振动，并利用四边型壳体的杠杆效应在壳体辐射面产生较大位移；利用四边型壳体的框架式驱动，每个驱动单元单独控制其对应内凹弧形辐射面的振动，对四个相对独立的驱动单元施加不同激励，可实现多种声辐射模态工作。
实施例1
结合图1所示，本实施例中的辐射壳体为对称式四边型壳体，由四个T型端帽1结构和四个内凹弧形辐射面2交替连接而成。本实施例的驱动元件为压电陶瓷晶堆6，所述压电陶瓷晶堆6由N片矩形压电陶瓷片粘接而成，其中N为≥2的偶数，矩形压电陶瓷厚度方向极化，每两个压电陶瓷片之间布放一个电极片；所述驱动元件和其两侧的两个过渡块5组成振子装配体，振子装配体的长度要大于对应两个T型端帽1内壁之间的距离。在装配驱动单元时，通过对内凹弧形辐射面2施加从内向外的推力，增大内凹弧形辐射面2两端的两个T型端帽1内壁之间的距离使之大于振子装配体的长度方向尺寸，将四个装配体分别置于其对应两个T型端帽1内壁之间并释放压力，此时通过预应力将振子装配体固定在两个T型端帽1内壁之间，并与之刚性连接。
换能器工作时，对压电陶瓷晶堆6施加交流载荷，由于压电陶瓷具有压电效应，使得压电晶堆产生纵向伸缩振动，通过T型端帽1结构与四边型壳体机械耦合，使内凹弧形辐射面2产生弯曲振动，并利用四边型壳体的位移放大效应使凹弧形辐射面2产生较大位移，提高换能器的辐射能力。
本实施例中的辐射壳体采用对称式四边型壳体，其包括的四个T型端帽1和四个内凹弧形辐射面2都各自相同。其中T型端帽1、内凹弧形辐射面2、过渡块5除了采用铝合金材料制作以外，还可以采用不锈钢、钢、钛合金、玻璃纤维或者碳纤维制作。
本实施例一种低频框架驱动式四边型弯张换能器采用的是对称式框架驱动的溢流结构。
实施例2
结合图2所示，与实施例1对比不同的是本实施例中的驱动元件采用稀土超磁致伸缩棒10，外面套有线圈骨架8，线圈骨架8上绕有激励线圈9，在稀土超磁致伸缩棒10两端各安放一片永磁片7。稀土超磁致伸缩棒10、永磁片7和过渡块5构成振子装配体。本实施例的换能器装配过程与实施例1相同。
换能器工作时，稀土超磁致伸缩棒10在永磁片7提供的静态偏置磁场和线圈8通电后产生的动态驱动磁场的联合作用下产生磁致伸缩振动，通过T型端帽1结构与四边型壳体机械耦合，使内凹弧形辐射面2产生弯曲振动，本实施例其余部分与实施例1相同。
实施例3
结合图3所示，与实施例1和实施例2对比不同的是本实施例中的辐射壳体采用非对称式四边型壳体，由四个相同的T型端帽1，两个内凹弧形长辐射面3、两个内凹弧形短辐射面4交替连接而成。
本实施例的其他部分与实施例1完全相同
实施例4
结合图4所示，与实施例3对比不同的是本实施例中的驱动元件采用稀土超磁致伸缩棒10。
换能器工作时，稀土超磁致伸缩棒10在永磁片7提供的静态偏置磁场和线圈8通电后产生的动态驱动磁场的联合作用下产生磁致伸缩振动，通过驱动元件与四边型壳体的机械耦合，激励壳体产生位移，利用非对称式四边型壳体的杠杆效应对内凹弧形长辐射面3的位移进行放大，使非对称壳体的内凹弧形长辐射面3产生更大的体积位移，从而提高换能器的声辐射能力和指向性。
本实施例的振子装配过程与实施例2相同，本实施例的辐射壳体与实施例3相同，本实施例的换能器装配过程与实施例1相同。
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 (5)

1.一种低频框架驱动式四边型弯张换能器，其特征在于：包括辐射壳体、驱动元件、过渡块(5)；所述辐射壳体由四个T型端帽(1)和四个内凹弧形辐射面(2)构成；所述驱动元件共有四组，分别置于四个所述内凹弧形辐射面(2)外部，通过所述过渡块(5)与对应所述内凹弧形辐射面(2)两端的两个所述T型端帽(1)内壁刚性连接，且长度大于两个所述T型端帽(1)内壁之间的距离；所述驱动元件和其两侧的两个所述过渡块(5)组成振子装配体，所述辐射壳体为非对称式四边型壳体，由两两相同的四个所述T型端帽(1)，两个内凹弧形长辐射面(3)、两个内凹弧形短辐射面(4)交替连接而成。
2.根据权利要求1所述的一种低频框架驱动式四边型弯张换能器，其特征在于：所述驱动元件由稀土超磁致伸缩棒(10)构成时；所述稀土超磁致伸缩棒(10)外面套有线圈骨架(8)，所述稀土超磁致伸缩棒(10)两端各安放一片永磁片(7)。
3.根据权利要求2所述的一种低频框架驱动式四边型弯张换能器，其特征在于：所述的稀土超磁致伸缩棒为稀土超磁致伸缩材料制成的圆棒，圆棒外围缠绕一组激励线圈(9)，激励线圈(9)封闭在高磁导率材料制成的闭合磁路里。
4.根据权利要求1所述的一种低频框架驱动式四边型弯张换能器，其特征在于：所述驱动元件由两组长压电晶堆和两组短压电晶堆组成时；所述压电晶堆(6)由N片矩形压电陶瓷片粘接而成，其中N为≥2的偶数，矩形压电陶瓷厚度方向极化，每两个压电陶瓷片之间布放一个电极片。
5.根据权利要求1所述的一种低频框架驱动式四边型弯张换能器，其特征在于：所述振子装配体置于辐射壳体外部并与对应的两个T型端帽(1)内壁刚性连接。
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