CN107727746B - 双壳体开缝圆管水声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双壳体开缝圆管水声换能器，包括双层金属壳体、设置在双层金属壳体内表面的镶拼压电陶瓷圆管，所述双层金属壳体包括双层段、与双层段圆滑连接的单层段，双层段由内壳体和外壳体构成，且内壳体与外壳体之间形成月牙形空腔，单层段的厚度是渐变的，在单层段厚度最小处设置有一纵向全开缝，所述镶拼压电陶瓷圆管由n片PZT‑4压电陶瓷条与铜电极片粘接而成，压电陶瓷条沿切向极化，每相邻的两片压电陶瓷条的极化方向相反，且相邻两片压电陶瓷条之间设置有电极片。本发明的水声换能器具有小尺寸、超低频、大功率、结构简单等特点，可应用于远程主动声呐系统、超低频水声实验、海底资源探测及海洋捕捞等。

Description

双壳体开缝圆管水声换能器

技术领域

本发明涉及一种双壳体开缝圆管水声换能器，属于水声换能器技术领域。

背景技术

声波是人类迄今为止已知的唯一能在海水中远距离传输的能量载体。无论是军事作战，还是海洋开发，均都采用声波作为运载信息的媒介。而水声换能器作为水下产生声音的通用设备，需根据时代需求进行相关应用技术改进。

近年来，随着对于海洋环境调查、海洋资源勘探的不断深入，对于探测距离更远的主动声学探测装备的需求日益迫切，而现有的装备由于发射的声波频率高，海水的吸收损失大，声波作用距离近，难于满足远距离探测装备的需求。低频大功率发射换能器是远距离主动探测装备的关键技术之一，只有解决低频大功率声发射换能器技术才能够大幅度提高声探测装备的作用距离。然而，低频、大功率并具有较小尺寸的声发射换能器的研制受到多方面的限制。

低频发射换能器种类有很多，比较常用的有Janus-Helmholtz换能器、弯张换能器、弯曲圆盘换能器、弯曲板换能器等。这些常用换能器工作频率设计在1kHz以下时，换能器的体积、质量都比较大，给实际使用带来了一定的困难，而且制作成本较高。然而，开缝圆管换能器在满足低频发射的基础上，可以有效地解决现有低频换能器体积大、质量重的问题。

在国外，开缝圆管换能器经过了长时间的发展。开缝圆环换能器最早出自于美国人W.T. Harris(1956年)的发明专利，之后一直相对处于沉寂，直到H.Kompanak(1987年)对其做了些了改进并将其用于石油勘探和开采中。

开缝圆管换能器是一种超低频、小尺寸声源，在圆环结构上纵向开缝，使得圆管刚度大大降低，弯曲振动模态取代了圆管的径向振动模态。因此，大大降低了换能器的工作频率，同时拥有较小的尺寸，可以满足水下机器人以及其他水下设备对小尺寸、低频的需求。

专利(US006148954A)为内部冲液(气)单层壳体，驱动器根据电信号增大或减小壳体内液体或气体的压强，通过液体或气体的体积变化驱动单层壳体向外辐射声信号，是采用液压驱动方式的换能器。

专利(US007719926B2)为在非等厚的金属壳体内壁附加一月牙形背板，使压电陶瓷圆环厚度均匀，达到简化工艺的目的。

本发明与上述两个专利的不同之处在于，本发明的金属壳体是由外层壳体与内层壳体组成的，中间含有月牙形空气腔，而在第一个发明中两层壳体中间为液体媒质，第二个发明只有单层壳体，月牙形背板使得压电陶瓷圆环得以保持厚度均匀。其次，本发明利用压电陶瓷环的压电效应来驱动内层壳体振动，再由内层壳体振动位移最大处驱动外层壳体振动，而在第一个发明中，发声原理是由驱动器改变单层壳体内腔中液体压力变化导致的换能器膨胀或收缩，从而振动发声，壳体之间并没有位移的传递，在第二个发明中，只利用了本发明中压电陶瓷圆环驱动内层壳体的原理。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种双壳体开缝圆管水声换能器，传统的等截面开缝圆管换能器工作频率虽然低，但其发送电压响应也比较低，不能满足实际工程应用中声波大功率发射的要求。本发明双壳体开缝圆管换能器解决了这一技术问题，使得开缝圆管换能器不但具有小尺寸、低频等特点，同时还兼具大功率发射的特点。。

本发明的目的是这样实现的：包括双层金属壳体、设置在双层金属壳体内表面的镶拼压电陶瓷圆管，所述双层金属壳体包括双层段、与双层段圆滑连接的单层段，双层段由内壳体和外壳体构成，且内壳体与外壳体之间形成月牙形空腔，单层段的厚度是渐变的，在单层段厚度最小处设置有一纵向全开缝，所述镶拼压电陶瓷圆管由n片PZT-4压电陶瓷条与铜电极片粘接而成，压电陶瓷条沿切向极化，每相邻的两片压电陶瓷条的极化方向相反，且相邻两片压电陶瓷条之间设置有铜电极片。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.铜电极片上设置有导线孔，铜电极片上还设置有均匀分布的小圆孔，相邻两片的铜电极片的导线孔呈交错排布，外层的导线孔连接镶拼压电陶瓷圆管正极导线，内层的导线孔连接镶拼压电陶瓷圆管负极导线。

2.所述内壳体和外壳体的厚度相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的双壳体开缝圆管水声换能器，采用了一种新型双壳体外壳结构。开缝圆管换能器主要是利用其第一阶弯曲振动，双壳体外壳设计充分考虑开缝圆管振动的特点，不仅能够有效提高换能器的结构强度，也可以避免等效刚度增加，引起换能器工作频率的提高。这种双壳体其有益效果是，外层壳体受内层壳体位移最大处驱动，其整体位移相对于传统变截面壳体位移大；外层壳体的加入，使得换能器的等效质量和等效刚度都会增加，但等效质量的增加是主要因素，因此换能器的工作频率会降低；外层壳体振动不存在节点，即不存在位移的反相区，辐射面始终往同一方向振动，其辐射效率相比于传统的变截面壳体大。所以，本发明换能器结构形式更有利于实现小尺寸、超低频、大功率辐射。

也即本发明的水声换能器具有小尺寸、超低频、大功率、结构简单等特点，可应用于远程主动声呐系统、超低频水声实验、海底资源探测及海洋捕捞等。

附图说明

图1是本发明换能器结构示意图；

图2是本发明换能器结构的剖面示意图；

图3是本发明换能器结构的局部示意图；

图4是本发明电极片结构示意图；

图5是本发明换能器壳体振动形式示意图。

附图标识：1双层金属壳体、2镶拼陶瓷圆管、3压电陶瓷条、4铜电极片、5纵向全开缝、6空气腔、7导线孔、8电极片孔。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图5，本发明的双壳体开缝圆管换能器，主要包括双层金属壳体1、镶拼陶瓷圆管2、铜电极片4等结构。其镶拼压电陶瓷圆管由铜电极片4与压电陶瓷条3构成。金属壳体为双壳体开缝结构，双壳体分为内层壳和外层壳，内层壳和外层壳的厚度均匀相等，双层壳体的对侧为一开缝(纵向狭缝)，开缝方式为纵向全开缝式；镶拼陶瓷圆管由切向极化的压电陶瓷条与铜电极片在圆周方向通过环氧树脂拼接而成，

如图1所示，本发明的双层金属壳体1是由硬铝金属材料经加工而成，其为拉伸体结构，由内外双层壳体构成，外层壳体外表面与内层壳体内表面轮廓均为圆形结构形式，外层壳体与内层壳体之间为一月牙形的空气腔6，壳体厚度最小处有一纵向全开缝5，相比较其它开缝方式，纵向全开缝式的工作频率最低。也即含空腔的双层金属壳体1由双壳体部分与非双壳体部分构成；双壳体部分由等厚的外层壳体与等厚的内层壳体构成，非双壳体部分为内外壳体相交处到圆管开缝5两侧的壳体，该部分壳体为变截面壳体。

如图2所示，本发明的镶拼陶瓷圆管2由n(n由内壳体内径和陶瓷条3尺寸决定)片PZT-4压电陶瓷条3与铜电极片4粘接而成，压电陶瓷条3粘接成一含狭缝圆管，导线通过铜电极片4上的导线孔7使扇面形压电陶瓷条3在电路上形成并联结构，压电陶瓷条3沿切向极化，每相邻的两片压电陶瓷条3的极化方向相反，且相邻两片压电陶瓷条3之间设置有电极片4，电极的导线孔7位于镶拼压电陶瓷圆管2的上平面，陶瓷在电路上采用并联结构，构成含有开缝镶拼陶瓷圆管2。

如图4所示，铜电极片4具有导线孔7，且电极片上带有均匀分布的小圆孔(也即电极片表面线性等间距排列若干通孔8)，相邻两片电极的导线孔呈交错排布，外层导线孔连接镶拼压电陶瓷圆管正极导线，内层导线孔连接镶拼压电陶瓷圆管负极导线。

所述的双壳体开缝圆管水声换能器的基本制作方法为：将压电陶瓷条3与电极片4交替排列并进行粘接；在保证所有压电陶瓷条3同轴的条件下，最终形成含有狭缝的镶拼压电陶瓷开缝圆管2。施加外力将金属壳体拉伸，使壳体向外扩张变大，再将拼装好的压电陶瓷圆管放入内层壳体中，放置时，注意上下以及与开缝处对称放置，撤去外力，使壳体收缩夹紧。拼装完成后从处于同一平面的电极导线孔7中穿入导线，采用焊接方式使导线与铜电极片4 连接。所述导线的连接方式：导线处于镶拼压电陶瓷开缝圆管2的上平面，将经过计算好长度的导线穿过铜电极片4的导线孔7，在导线孔7的两侧分别采用焊锡融化固定导线。

如图5所示，箭头指向表示振动方向，箭头长短表示振动位移大小，外层壳体受内层壳体位移最大处驱动，其整体位移相对于传统变截面壳体位移大；并且外层壳体振动不存在节点，即不存在位移的反相区，辐射面始终往同一方向振动，其辐射效率相比于传统的变截面壳体大。在镶拼陶瓷圆管和金属壳体的共同作用下，实现小尺寸、超低频、大功率辐射的目的，所述金属壳体分为内外两层，壳体与壳体之间为一月牙形的空气腔，内外壳体等高，内层壳体与外层壳体各有一定厚度，开缝有一定的宽度，在开缝处采用变截面的形状。所述镶拼陶瓷圆管是由n(n由内壳体内径和陶瓷条3尺寸决定)片PZT-4压电陶瓷条粘接成一含狭缝圆管，压电陶瓷条沿切向极化，每相邻的两片压电陶瓷条的极化方向相反，且相邻两片压电陶瓷之间设置有铜电极片，陶瓷在电路上采用并联结构，构成含有狭缝的镶拼陶瓷圆管。相邻两片铜电极片的导线连接孔位置不同，且铜电极片上带有均匀分布的小圆孔。

本发明双壳体开缝圆管水声换能器的具体装配过程如下：

1、将压电陶瓷条与铜电极片在圆周方向通过环氧树脂拼接成压电陶瓷圆管。粘接完成后从处于同一侧的电极导线孔中穿入导线，采用焊接方式使导线与铜电极片连接。

2、施加外力将金属壳体拉伸，使壳体向外扩张变大，再将拼装好的压电陶瓷圆管放入内层壳体中，放置时，注意上下以及与开缝处对称放置(压电陶瓷圆管外半径与金属内层壳内半径相同)，撤去外力，使壳体收缩夹紧。

本发明的换能器在水中工作时，对镶拼陶瓷圆管2施加交变电场，，在交变电场的激励下，镶拼陶瓷圆管产生径向的往复振动，从而激励出金属壳体1的弯曲振动，其第一阶弯曲模态下开缝处附近是位移最大的位置，采用变截面壳体，减少此处壳体的厚度能有效提高换能器的体积位移(排开水的体积)，从而提高声辐射功率。

同时，由于换能器金属外壳具有内外两层，内层壳体直接受驱动元件驱动；外层壳体的加入，使得换能器的等效质量的增加，换能器的工作频率会降低；外层壳体受内层壳体位移最大处驱动，整体位移也会变大；外层壳体振动不存在节点，即不存在位移的反相区，辐射面始终往同一方向振动，其辐射效率增大。双壳体变截面外壳形式为开缝圆管换能器在满足小尺寸、超低频特点的同时，也可以大功率辐射提供了新的方法。

综上，本发明涉及到一种开缝圆管水声换能器，属于水声换能器技术领域。该换能器包括金属壳体与镶拼陶瓷开缝圆管。金属壳体分为等厚的内外两层，壳体之间为一月牙形空气腔，在开缝处采用变截面的形状。镶拼陶瓷开缝圆管由切向极化的压电陶瓷与铜电极片用环氧树脂粘接而成。该发明利用镶拼陶瓷开缝圆管径向振动驱动内层壳体弯曲振动，再由内层壳体位移最大处驱动外层壳体振动，达到辐射声波的目的。该水声换能器具有小尺寸、超低频、大功率、结构简单等特点。

Claims (3)

1.双壳体开缝圆管水声换能器，其特征在于：包括双层金属壳体、设置在双层金属壳体内表面的镶拼压电陶瓷圆管，所述双层金属壳体包括双层段、与双层段圆滑连接的单层段，双层段由内壳体和外壳体构成，且内壳体与外壳体之间形成月牙形空腔，单层段的厚度是渐变的，在单层段厚度最小处设置有一纵向全开缝，所述镶拼压电陶瓷圆管由n片PZT-4压电陶瓷条与铜电极片粘接而成，压电陶瓷条沿切向极化，每相邻的两片压电陶瓷条的极化方向相反，且相邻两片压电陶瓷条之间设置有铜电极片。

2.根据权利要求1所述的双壳体开缝圆管水声换能器，其特征在于：铜电极片上设置有导线孔，铜电极片上还设置有均匀分布的小圆孔，相邻两片的铜电极片的导线孔呈交错排布，外层的导线孔连接镶拼压电陶瓷圆管正极导线，内层的导线孔连接镶拼压电陶瓷圆管负极导线。

3.根据权利要求1或2所述的双壳体开缝圆管水声换能器，其特征在于：所述内壳体和外壳体的厚度相等。