CN107465982A - 一种大功率深水宽带换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率深水宽带换能器，属于水声换能器技术领域。所述换能器中：中间质量块中间设有螺孔，两端带螺纹的螺杆穿过螺孔，将喇叭头、压电陶瓷晶堆和中间质量块连接；中间质量块位于螺杆中部，左右两侧均衡对称分布偶数个压电陶瓷圆片，两个喇叭头对称分布在压电陶瓷晶堆的左右两侧，位于螺杆两端，喇叭头尾部与螺杆端部螺纹连接，口部向外；电缆从中间质量块处连出；分别在每个喇叭头处嵌套一个压电陶瓷圆环换能器，通过连接件与喇叭头、压电陶瓷晶堆和中间质量块固定连接。所述换能器在增大发射功率的同时，拓宽换能器的工作带宽，实现深水大功率宽带发射。
Description
技术领域
本发明涉及一种大功率深水宽带换能器，具体地说，涉及一种能在大深度水域使用的宽带大功率换能器，属于水声换能器技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展和人类社会的变迁，海洋的战略意义日益增强。并且陆地上的资源有限，海洋中还蕴藏着丰富的资源。在海水中，声波的传播衰减比电磁波的传播衰减小得多。因此对海洋的探测与开发离不开水声设备的利用。水声换能器是发射和接收声波的器件，是水声设备的基本组成部分。低频声波的衰减系数比较小，声波的远距离传播往往需要低频、宽带、大功率换能器，此类换能器通常工作在大深度海域。
并且随着人们对深海资源的开发和利用，深水换能器的需求也提上日程。纵向振动换能器是一种安全可靠的换能器，但是工作带宽相对较窄，实现低频工作时尺寸也往往较大。亥姆霍兹换能器是一种腔体和短管组合的换能器，腔体内流体发生振动，通过短管辐射出去，可以实现低频发射，由于是溢流结构，是一种可以在大深度海域工作的换能器，但是短管的颈口辐射面积小，会产生较高的Q值，工作带宽也比较窄。对于水声通信等，宽带可以提高通信速率及降低误码率；低频和大功率可以取得较远的传播距离，因此急需一种能在大深度水域使用的宽带大功率换能器。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种大功率深水宽带换能器，所述换能器在增大发射功率的同时，拓宽换能器的工作带宽，实现深水大功率宽带发射。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种大功率深水宽带换能器，所述换能器包括喇叭头、压电陶瓷晶堆、中间质量块、螺杆、压电陶瓷圆环换能器、连接件和电缆。
压电陶瓷晶堆由多个中间具有通孔的压电陶瓷圆片并联组成，压电陶瓷圆环换能器为径向极化的整体陶瓷圆环、由切向极化的陶瓷条镶拼而成的圆环或由切向极化的陶瓷条与金属条或非金属条镶拼而成的圆环。
中间质量块中间设有螺孔，两端带螺纹的螺杆穿过压电陶瓷圆片的通孔和中间质量块的螺孔，将喇叭头、压电陶瓷晶堆和中间质量块连接起来。其中，中间质量块位于螺杆中部，左右两侧均衡对称分布偶数个压电陶瓷圆片，两个喇叭头对称分布在压电陶瓷晶堆的左右两侧，位于螺杆两端，喇叭头的尾部与螺杆端部螺纹连接，口部向外；电缆从中间质量块处连出；分别在每个喇叭头处外套一个压电陶瓷圆环换能器，通过连接件与喇叭头、压电陶瓷晶堆和中间质量块固定连接。
喇叭头、中间质量块，螺杆和连接件均为金属材料，优选喇叭头材质为铝，中间质量块和连接件的材质为不锈钢，优选压电陶瓷晶堆和压电陶瓷圆环换能器的材料为发射型PZT-4或PZT-8型号压电陶瓷材料。由于相邻两个陶瓷圆片的连接处极性相同，中间质量块两边的压电陶瓷晶堆的陶瓷圆片数量都要取偶数。
本发明所述的一种大功率深水宽带换能器的工作原理及工作方式如下：
通过螺杆将喇叭头、压电陶瓷晶堆和中间质量块连接起来可以形成双面纵向振动换能器结构，工作时，在电缆两端施加上一定幅度的信号，压电陶瓷晶堆产生纵向谐振，通过两端喇叭头的振动将能量辐射出去；压电陶瓷圆环换能器产生径向谐振，嵌套在压电陶瓷晶堆左、右两侧的喇叭头外侧可形成亥姆霍兹液腔结构，当振动频率到达所述液腔的谐振频率时，便形成很强的亥姆霍兹腔谐振；所述纵向振动、径向振动和液腔的谐振三个振动相耦合，形成很宽的工作带宽。
有益效果
1.本发明提供了一种大功率深水宽带换能器，所述换能器与普通的换能器相比，增加了功能元件，提高了换能器的发射电压响应值，由原来的136dB提高到140dB以上。换能器的功率容量也增加了，能够实现大功率发射，声源级可以由原来的197dB提高到203dB，克服了现有技术中换能器功率容量有限，不容易实现大功率发射信号的缺陷；
2.本发明提供了一种大功率深水宽带换能器，所述换能器结构中压电陶瓷圆环换能器本身存在一个径向谐振，提供合理设计纵振动谐振、亥姆霍兹腔谐振及径向谐振的频率位置及响应，能够大大拓宽换能器的工作带宽；
3.本发明提供了一种大功率深水宽带换能器，所述换能器组成部分皆为刚性元件，并且是溢流结构，因此可以耐高静水压力，在大深度环境下工作，由于低频端利用了亥姆霍兹腔，可以实现低频小尺寸、大深度水域工作，具有深水大功率低频宽带工作的优点；可以应用在水声通信、水声对抗、水声探测等领域。
附图说明
图1为实施例中一种大功率深水宽带换能器主视图的剖面图。
图2为实施例中所述换能器中双面纵向振动换能器结构的示意图。
图3为实施例中所述换能器中压电陶瓷晶堆的结构示意图。
图4为本发明所述换能器中压电陶瓷圆环换能器的结构示意图，其中，(a) 为径向极化的整体陶瓷圆环，(b)为由切向极化的陶瓷条镶拼而成的圆环，或由切向极化的陶瓷条与金属条/非金属条镶拼而成的圆环。
图5为实施例1所述换能器的发射电压响应实际测试结果。
图6为实施例2所述换能器的发射电压响应仿真结果。
其中，1—喇叭头，2—压电陶瓷晶堆，3—中间质量块，4—螺杆，5—压电陶瓷圆环换能器，6—连接件，7—电缆
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施方式做详细说明，
实施例1
一种大功率深水宽带换能器，所述换能器包括喇叭头1、压电陶瓷晶堆2、中间质量块3、螺杆4、压电陶瓷圆环换能器5、连接件6和电缆7，如图1所示。
其中，两个喇叭头1相同，材质为铝，尺寸为Φ196mm，60片Φ60mm大小中间带通孔的PZT-4发射型压电陶瓷圆片并联构成压电陶瓷晶堆2，如图3所示；圆柱形中间质量块3材质为不锈钢，尺寸为Φ60mm，压电陶瓷圆环换能器5是采用切向极化的陶瓷条镶拼而成的圆环，如图4(b)所示，陶瓷条为PZT-4 发射型压电陶瓷材料，尺寸为Φ260mm。
中间质量块3中间设有螺孔，两端带螺纹的不锈钢螺杆4穿过压电陶瓷圆片的通孔和中间质量块3的螺孔，将喇叭头1、压电陶瓷晶堆2和中间质量块3 连接起来。其中，中间质量块3位于螺杆4中部，左右两侧均衡对称分布30片压电陶瓷圆片，两个喇叭头1对称分布在压电陶瓷晶堆2的左右两侧，位于螺杆4两端，尾部与螺杆4端部螺纹连接，喇叭头1口部向外；电缆7从中间质量块3处引出；分别在每个喇叭头1处嵌套一个压电陶瓷圆环换能器5，通过不锈钢连接件6与喇叭头1、压电陶瓷晶堆2和中间质量块3固定连接。
根据GB/T 7965-2002声学水声换能器测量10.2发射电压响应【级】的比较法对对本实施例所述换能器性能进行发射电压响应测试。测试结果见图5，可知换能器的工作带宽为2kHz～14kHz，接近三个倍频程，最大发射电压响应为 140dB；比喇叭头1处嵌套非压电陶瓷圆环换能器的同结构换能器频带宽将近两倍左右，发射电压响应高4dB左右，有益效果显著。
实施例2
一种大功率深水宽带换能器，其中，两个喇叭头1相同，材质为铝，尺寸为Φ360mm，80片Φ70mm大小中间带通孔的PZT-4发射型压电陶瓷圆片并联构成压电陶瓷晶堆2，如图3所示；圆柱形中间质量块3材质为不锈钢，尺寸为Φ196mm，压电陶瓷圆环换能器5为由切向极化的陶瓷条与金属条镶拼而成的圆环，如图4(b)所示，其中，陶瓷条采用PZT-4型发射压电陶瓷材料，金属条材料采用铝，尺寸为Φ380mm。
其余结构与实施例1中所述换能器相同。
建立水中有限元模型，施加无限吸收边界条件，采用有限元软件对本实施例所述换能器的性能进行仿真，仿真结果如图6所示，可知所述换能器的工作带宽可达1.2kHz～6kHz，最大发射电压响应为140dB，比喇叭头1处嵌套非压电陶瓷圆环换能器的同结构换能器高5dB左右，工作带宽宽一倍左右，有益效果显著。
Claims (3)
1.一种大功率深水宽带换能器，其特征在于：所述换能器包括喇叭头(1)、压电陶瓷晶堆(2)、中间质量块(3)、螺杆(4)、压电陶瓷圆环换能器(5)、连接件(6)和电缆(7)；
压电陶瓷晶堆(2)由多个中间具有通孔的压电陶瓷圆片并联组成，压电陶瓷圆环换能器(5)为径向极化的整体陶瓷圆环，或由切向极化的陶瓷条镶拼而成的圆环，或由切向极化的陶瓷条与金属条或非金属条镶拼而成的圆环；
中间质量块(3)中间设有螺孔，两端带螺纹的螺杆(4)穿过压电陶瓷圆片的通孔和中间质量块(3)的螺孔，将喇叭头(1)、压电陶瓷晶堆(2)和中间质量块(3)连接起来；中间质量块(3)位于螺杆(4)中部，左右两侧均衡对称分布偶数个压电陶瓷圆片，两个喇叭头(1)对称分布在压电陶瓷晶堆(2)的左右两侧，位于螺杆(4)两端，喇叭头(1)的尾部与螺杆(4)端部螺纹连接，口部向外；电缆(7)从中间质量块(3)处连出；分别在每个喇叭头(1)处嵌套一个压电陶瓷圆环换能器(5)，通过连接件(6)与喇叭头(1)、压电陶瓷晶堆(2)和中间质量块(3)固定连接；
喇叭头(1)、中间质量块(3)、螺杆(4)和连接件(6)均为金属材料。
2.根据权利要求1所述的一种大功率深水宽带换能器，其特征在于：喇叭头(1)材质为铝，中间质量块(3)和连接件(6)的材质为不锈钢。
3.根据权利要求1或2所述的一种大功率深水宽带换能器，其特征在于：压电陶瓷晶堆(2)和压电陶瓷圆环换能器(5)的材料为发射型PZT-4或PZT-8型号压电陶瓷材料。
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