CN107589416A - 一种可主动降噪的低频纵向振动换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可主动降噪的低频纵向振动换能器。可主动降噪的低频纵向振动换能器包括壳体、前弹性元件、换能器组件和后弹性组件。后弹性组件设置在所述壳体的内腔中，后弹性组件的前部与所述换能器组件的后部接触连接，后弹性组件的后部与壳体的后端壳壁接触连接。后弹性组件包括多个弹簧元件，多个弹簧元件依次串联，后弹性组件提供前后方向的弹性力，弹性力用于阻止换能器组件向壳体后端靠近。通过后弹性组件的设置给换能器组件提供了弹性支撑力，阻断可主动降噪的低频纵向振动换能器中换能器组件与外界的刚性碰撞接触；多种劲度系数能够应对不同水深的压力变化，保证了可主动降噪的低频纵向振动换能器中换能器组件具有良好的空气背衬。

Description

一种可主动降噪的低频纵向振动换能器

技术领域

本发明属于声纳制造使用领域，具体涉及一种可主动降噪的低频纵向振动换能器。

背景技术

在声纳领域，主被动变深拖曳声纳声基阵由于其功率大、平台噪音低、作用距离远，且体积小相比被动拖曳阵、便于收放等优点，是探潜声纳中不可或缺的方法之一。

随着安静型隐身目标的出现，声纳主动探测不但已成为水下探测的重要方式，且有频率逐步下降的趋势。该类型声纳一般采用纵向振动换能器成阵，纵向振动换能器的设计需要综合考虑以下因素：

1、由于声纳发出的声波朝前辐射，这就需求换能器的背衬越轻越好，换能器尾部的支撑结构件弹性要好，声阻抗越低越好，纵向振动换能器在不同水深中工作时，需要保证纵向振动换能器的核心有源器件始终被弹性支撑，防止刚性碰撞；

2、同时，由于声纳发出的声波的频率降低，换能器的长度和重量相应增加，力臂加长，换能器悬挂和支撑要求支撑结构件刚性越大越好，这样才能减少纵向振动换能器的核心有源器件工作时来回移动的位移，降低核心有源器件振动幅度和释放的额外噪音。

目前，传统的做法是依靠化工高分子材料支撑，通过增加高分子材料厚度或长度可以增加支撑强度，但在尺寸限制情况下，长期连续的大位移会使高分子材料出现开裂或脱胶，进而造成换能器漏水、渗水，可靠性及寿命降低；而单一的金属弹簧支撑不能解决全工作水深变化换能器内部压力释放材料和压力释放机构发出的噪音，会增加声纳平台噪音，进而降低声纳作用距离。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种既能能保持核心有源器件在有限的空间内被弹性支撑还能主动降噪以及减震去耦的可主动降噪的低频纵向振动换能器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案是：一种可主动降噪的低频纵向振动换能器，包括：

壳体，所述壳体具有中空的内腔，所述壳体的前端开口后端封闭；

前弹性元件，所述前弹性元件固定安装在壳体的前端开口处并将所述前端开口封闭；

换能器组件，所述换能器组件设置在所述壳体的内腔中，所述换能器组件的前部与所述前弹性元件的后部接触连接；

后弹性组件，所述后弹性组件设置在所述壳体的内腔中，所述后弹性组件的前部与所述换能器组件的后部接触连接，所述后弹性组件的后部与所述壳体的后端壳壁接触连接；

所述后弹性组件包括多个弹簧元件，每个弹簧元件对应一种劲度系数，所述的多个弹簧元件依次串联，所述后弹性组件提供前后方向的弹性力，所述弹性力用于阻止换能器组件向壳体后端靠近。

具体的，所述的多个弹簧元件从前向后劲度系数依次减小。

优选的，所述后弹性组件为由弹性金属材料制成的薄壁圆管，所述薄壁圆管的轴线沿前后方向延伸，所述薄壁圆管上开设有多个通槽，所述的多个通槽按前后方向的槽宽大小分为多级通槽组，所述的多级通槽组沿前后方向依次分布在薄壁圆管上。

进一步的，所述通槽的槽宽从前向后按级依次减小。

进一步的，每级通槽组具有多个槽宽相同的通槽，所述的通槽沿前后方向分布呈多层结构，每层中具有多个通槽，每级通槽组中的通槽沿薄壁圆管的周向均布，相邻层间的通槽在薄壁圆管的周向上交错分布，在前后方相间设置。

进一步的，所述通槽为沿薄壁圆管的周向延伸的矩形槽，所述矩形槽在薄壁圆管周向上的延伸弧度为90°。

具体的，所述换能器组件包括从前向后依次固定连接的前盖板、晶堆和后盖板，所述前盖板与所述前弹性元件连接，所述后盖板与所述后弹性组件连接。

具体的，所述前弹性元件为高分子材料制成的弹性元件块，所述前弹性元件的后部开设有安装槽，所述前盖板部分嵌入在所述安装槽内。

进一步的，所述可主动降噪的低频纵向振动换能器还包括径向弹性元件，所述径向弹性元件位于所述后盖板和所述壳体的周向内壁之间，并与所述后盖板和壳体内壁相抵接触，所述径向弹性元件提供沿后盖板径向的弹性力，所述弹性力用于托住后盖板以阻止后盖板向壳体内壁靠近。

具体的，所述壳体为金属壳体，所述后盖板和壳体后端内壁上均设有与所述后弹性组件配合的定位槽。

以上所涉及到的前后左右上下等方位词，是在所述可主动降噪的低频纵向振动换能器的正常使用时的方位作定义的。

本发明的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：通过后弹性组件的设置给换能器组件提供了沿前后方向的弹性支撑力，阻断可主动降噪的低频纵向振动换能器中换能器组件与外界的刚性碰撞接触以及外界振动的传入；后弹性组件形成的多级串联的弹簧系统中多种劲度系数能够应对不同水深的压力变化，保证了可主动降噪的低频纵向振动换能器中换能器组件具有良好的空气背衬。本发明能够在保证可主动降噪的低频纵向振动换能器电声性能的前提下，降低由于水深变化引起的噪声，提高声纳作用距离和声基阵可靠性。

附图说明

图1为本发明可主动降噪的低频纵向振动换能器的剖视图；

图2为后弹性组件的立体结构示意图；

图3为后弹性组件的主视图；

其中：1、壳体；2、前弹性元件；3、换能器组件；4、后弹性组件；5、径向弹性元件；11、内腔；31、前盖板；32、晶堆；33、后盖板；41、第一通槽；42、第二通槽；43、第三通槽。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明所述的一种可主动降噪的低频纵向振动换能器，包括：壳体1、前弹性元件2、换能器组件3、后弹性组件4和径向弹性元件5。

所述壳体1具有中空的内腔11，所述壳体1的前端开口后端封闭。如图1所示，本实施里中的壳体1是金属壳体，壳体1呈阶梯圆筒形结构，壳体1的侧壁与后端壁密封连接。

所述前弹性元件2粘接固定在壳体1的前端开口处并将所述前端开口封闭。所述前弹性元件2为高分子材料制成的弹性元件块。所述前弹性元件2的后部开设有安装槽（图未示）。本实施例中，所述前弹性元件2为由橡胶制成的弹性元件块。

所述换能器组件3设置在所述壳体1的内腔11中，所述换能器组件3的前部与所述前弹性元件2的后部接触连接，所述换能器组件3的后部与所述后弹性组件4的前部接触连接。所述换能器组件3包括从前向后依次固定连接的前盖板31、晶堆32和后盖板33。所述前盖板31部分嵌入在所述前弹性元件2的安装槽内。所述前盖板31与所述前弹性元件2弹性相抵接触。所述后盖板33与所述后弹性组件4连接。换能器组件3为可主动降噪的低频纵向振动换能器的核心有源器件。

所述径向弹性元件5位于所述后盖板33和所述壳体1的周向内壁之间，并与所述后盖板33和壳体1内壁相抵接触。所述径向弹性元件5提供沿后盖板33径向的弹性力，所述弹性力用于托住后盖板33以阻止后盖板33向壳体1内壁靠近。本实施例中，所述径向弹性元件5为具有一定弹性的弹簧圈，该弹簧圈套设在后盖板33上。

前弹性元件2和径向弹性元件5将换能器组件3托起，悬置在壳体1的内腔11中，前弹性元件2和径向弹性元件5能够使换能器组件3在周向上得到弹性支撑。

所述后盖板33和壳体1后端内壁上均设有与所述后弹性组件4配合的定位槽（图未示）。

如图2和图3所示，所述后弹性组件4设置在所述壳体1的内腔11中。所述后弹性组件4的后部与所述壳体1的后端壳壁接触连接。所述后弹性组件4包括多个弹簧元件，每个弹簧元件对应一种劲度系数，所述的多个弹簧元件依次串联，所述后弹性组件4提供前后方向的弹性力，所述弹性力用于阻止换能器组件3向壳体1后端靠近。所述的多个弹簧元件从前向后劲度系数依次减小。

本实施例中，所述后弹性组件4为由弹性金属材料制成的薄壁圆管。所述薄壁圆管的轴线沿前后方向延伸，所述薄壁圆管上开设有多个通槽，所述的多个通槽按前后方向的槽宽大小分为多级通槽组，所述的多级通槽组沿前后方向依次分布在薄壁圆管上。所述通槽的槽宽从前向后按级依次减小。每级通槽组具有多个槽宽相同的通槽，每级通槽组中的通槽沿前后方向分布呈多层结构，每层中具有多个通槽，每层中的通槽沿薄壁圆管的周向均布，相邻层间的通槽在薄壁圆管的周向上交错分布，在前后方相间设置。

下面以一具体的薄壁圆管说明后弹性组件4的结构。如图2所示，薄壁圆管由65锰钢制成。该薄壁圆管直径为40mm。从薄壁圆管前端至后端方向依次开设有三种槽宽的通槽，分别为第一通槽41、第二通槽42和第三通槽43。所述第一通槽41的槽宽为3.2mm，所述第二通槽42的槽宽为2.1mm，所述第三通槽43的槽宽为0.9mm。每种槽宽的通槽均具有多个，每种槽宽的通槽沿薄壁圆管轴向分为三层排布。每层中均具有三个沿薄壁圆管周向均布的通槽，每个通槽均为沿薄壁圆管的周向延伸的矩形槽，所述矩形槽在薄壁圆管周向上的延伸弧度为90°。层与层之间的通槽在薄壁圆管周向上相互错开90°排布。层与层之间的通槽在薄壁圆管轴向上间隔距离为1mm。三层通槽构成一级，即第一通槽组成第一级，第二通槽组成第二级，第三通槽组成第三极。第一级与第二级间隔距离为1mm，第二级与第三级间隔距离为2mm。每级通槽组构成一种劲度系数的弹簧元件。

本发明所述的薄壁圆管的工作原理如下：

65锰钢制成的薄壁圆管在径向具有一定弹性，垂直高度方向并没有弹性，但是在轴向上加工若干通槽之后，垂直高度方向即成为具有一定劲度系数的弹簧，且该弹簧的劲度系数是由通槽高度和间隔高度决定的。通槽高度越大，相对的可形变量就越大，通过理论计算和仿真可以设置所需的劲度系数。可见，后弹性组件4就形成一串联的三级的弹簧系统。由于串联的弹簧系统的劲度系数相比每个独立弹簧的劲度系数要小。第一通槽段的薄壁圆管构成第一级弹簧，其弹簧劲度系数为k1；第二通槽段的薄壁圆管构成第二级弹簧，其弹簧劲度系数为k2；第三通槽段的薄壁圆管构成第三级弹簧，其弹簧劲度系数为k3。k1＜k2＜k3。当水深较小时，整个弹簧系统的受力也小，形变量是三级的弹簧系统的形变量之和，结合前弹性元件2的可形变量，可以基本保持可主动降噪的低频纵向振动换能器保持原有状态。当水深在逐渐增大时，前盖板31所受静水压力变大，静水压力逐渐将第一级弹簧压缩至不可形变，但又不超出其弹性范围，此时三级的弹簧系统变为二级的弹性系统。二级的弹性系统的综合劲度系数由于减少一级弹簧后会相应增加，此时其可承受的力就更大，就可以继续保持可主动降噪的低频纵向振动换能器在较小的位移范围内振动。同理，当水深继续增大时，前盖板31所受静水压力继续变大，静水压力逐渐将第二级弹簧也压缩至不可形变，但又不超出其弹性范围，此时二级的弹簧系统变为一级的弹性系统。一级的弹性系统的综合劲度系数由于又减少一级弹簧后会相应增加，此时其可承受的力就更大，就可以继续保持可主动降噪的低频纵向振动换能器在较小的位移范围内振动。

可见，整个可主动降噪的低频纵向振动换能器的应力释放会由于多级的弹簧系统的存在而得到缓冲，不会产生额外的应力释放噪声，保持声纳平台的自噪声量级。由于后弹性组件4与换能器组件3以及壳体1直接相连形成金属导热通路，可主动降噪的低频纵向振动换能器在长时间连续大功率工作时所产生的热量会通过该金属导热通路直接传导至周围的水环境中，有利于可主动降噪的低频纵向振动换能器的散热，避免了换能器组件由于温升而导致的压电性能变化和可主动降噪的低频纵向振动换能器以及声基阵性能发生变化，保证了声纳长时间工作的稳定性和可靠性。

本发明中，在制作该支撑和减振的后弹性组件4时，可根据可主动降噪的低频纵向振动换能器的实际尺寸和使用变化深度，改变薄壁圆管的壁厚，通槽开槽的角度大小槽宽、层间间距来调节弹簧劲度系数，在有效空间内实现弹性支撑，并起到减振去耦的效果。

本发明通过在可主动降噪的低频纵向振动换能器的尾部增加一个三级劲度系数的后弹性组件4，后弹性组件4直接安装在换能器组件3和壳体1之间。前弹性元件2、径向弹性元件5和后弹性组件4能够形成对换能器组件3周向两级弹性支撑和轴向三级支撑，确保换能器组件3处于自由状态，且换能器组件3尾部背衬以空气为主。通过多级三维立体的弹性悬挂和支撑，阻断换能器组件3与外界的刚性连接和振动传入。本发明能够在保证可主动降噪的低频纵向振动换能器电声性能的前提下，降低由于水深变化引起的噪声，提高声纳作用距离和声基阵可靠性。

如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施。

Claims (10)

1.一种可主动降噪的低频纵向振动换能器，其特征在于，包括：

壳体（1），所述壳体（1）具有中空的内腔（11），所述壳体（1）的前端开口后端封闭；

前弹性元件（2），所述前弹性元件（2）固定安装在壳体（1）的前端开口处并将所述前端开口封闭；

换能器组件（3），所述换能器组件（3）设置在所述壳体（1）的内腔（11）中，所述换能器组件（3）的前部与所述前弹性元件（2）的后部接触连接；

后弹性组件（4），所述后弹性组件（4）设置在所述壳体（1）的内腔（11）中，所述后弹性组件（4）的前部与所述换能器组件（3）的后部接触连接，所述后弹性组件（4）的后部与所述壳体（1）的后端壳壁接触连接；

所述后弹性组件（4）包括多个弹簧元件，每个弹簧元件对应一种劲度系数，所述的多个弹簧元件依次串联，所述后弹性组件（4）提供前后方向的弹性力，所述弹性力用于阻止换能器组件（3）向壳体（1）后端靠近。

2.根据权利要求1所述的一种可主动降噪的低频纵向振动换能器，其特征在于：所述的多个弹簧元件从前向后劲度系数依次减小。

3.根据权利要求1所述的一种可主动降噪的低频纵向振动换能器，其特征在于：所述后弹性组件（4）为由弹性金属材料制成的薄壁圆管，所述薄壁圆管的轴线沿前后方向延伸，所述薄壁圆管上开设有多个通槽，所述的多个通槽按前后方向的槽宽大小分为多级通槽组，所述的多级通槽组沿前后方向依次分布在薄壁圆管上。

4.根据权利要求3所述的一种可主动降噪的低频纵向振动换能器，其特征在于：所述通槽的槽宽从前向后按级依次减小。

5.根据权利要求3所述的一种可主动降噪的低频纵向振动换能器，其特征在于：每级通槽组具有多个槽宽相同的通槽，每级通槽组中的通槽沿前后方向分布呈多层结构，每层中具有多个通槽，每层中的通槽沿薄壁圆管的周向均布，相邻层间的通槽在薄壁圆管的周向上交错分布，在前后方相间设置。

6.根据权利要求3所述的一种可主动降噪的低频纵向振动换能器，其特征在于：所述通槽为沿薄壁圆管的周向延伸的矩形槽，所述矩形槽在薄壁圆管周向上的延伸弧度为90°。

7.根据权利要求1所述的一种可主动降噪的低频纵向振动换能器，其特征在于：所述换能器组件（3）包括从前向后依次固定连接的前盖板（31）、晶堆（32）和后盖板（33），所述前盖板（31）与所述前弹性元件（2）连接，所述后盖板（33）与所述后弹性组件（4）连接。

8.根据权利要求7所述的一种可主动降噪的低频纵向振动换能器，其特征在于：所述前弹性元件（2）为高分子材料制成的弹性元件块，所述前弹性元件（2）的后部开设有安装槽，所述前盖板（31）部分嵌入在所述安装槽内。

9.根据权利要求7所述的一种可主动降噪的低频纵向振动换能器，其特征在于：所述可主动降噪的低频纵向振动换能器还包括径向弹性元件（5），所述径向弹性元件（5）位于所述后盖板（33）和所述壳体（1）的周向内壁之间，并与所述后盖板（33）和壳体（1）内壁相抵接触，所述径向弹性元件（5）提供沿后盖板（33）径向的弹性力，所述弹性力用于托住后盖板（33）以阻止后盖板（33）向壳体（1）内壁靠近。

10.根据权利要求9所述的一种可主动降噪的低频纵向振动换能器，其特征在于：所述壳体（1）为金属壳体，所述后盖板（33）和壳体（1）后端内壁上均设有与所述后弹性组件（4）配合的定位槽。