CN107995576B - 深度自适应伸缩声学换能器 - Google Patents
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- H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
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Abstract
一种深度自适应伸缩声学换能器，包括潜水器，潜水器上挖有凹槽，凹槽内安装有缸体，缸体的截面成凸字形结构，缸体内通过O型圈安装有活塞杆，活塞杆的截面同样成凸字形结构，活塞杆底部凸出部分与缸体底部的内壁面之间形成有气体压缩腔，位于缸体内壁面台阶处的底面设置有凹坑，凹坑与气体压缩腔连通；活塞杆的底部一端开有充放气孔，位于缸体的最底端通过螺栓固定有挡圈；活塞杆的中部开有连通孔，连通孔中部穿过水密电缆，并在连通孔的底部安装水密插座，顶部安装压电陶瓷模块。通过对缸体和活塞杆巧妙的设计，在活塞与缸体之间形成气体压缩腔，通过内外压力差作用实现活塞的运动，方便的实现潜水器的换能工作。
Description
技术领域
本发明涉及水下工程技术领域，尤其是一种深度自适应伸缩声学换能器。
背景技术
潜水器和水下机器人等水下运动平台在水中机动航行，执行探测或采样等作业任务。由于无线电信号在水中会迅速衰减，而声波在水中可以传播很远的距离，因此利用声波传输信号的水声设备自然成为水下平台进行探测和传输信号的选择。我国自主研制的“蛟龙号”载人潜水器和4500米载人潜水器都设有独立的声学系统，搭载了各种测距、成像和通讯的水声设备。
水声设备是一个进行“声信号-电信号-声信号”双向转换过程的设备，其主要组成部分就是主机和换能器。主机和换能器有一体式结构和分体式结构两种形式。分体式水声设备换能器以通讯和定位等用途居多，其要求换能器安装时周围没有遮挡物，且大部分发射方向是上下方向，以实现母船和潜水器之间的通讯和定位。因此，换能器多安装在潜水器顶部，换能器的发射范围是一个锥形区域。潜水器的工况是以母船为平台，在工作时从母船吊放入水，完成工作后回收至母船。如图1所示，由于海上风浪和海流影响，在布放和回收时，需要拖曳缆辅助稳定潜水器，起到稳定和止荡作用。如果声学设备换能器在潜水器顶部安装位置太高，在拖曳缆拉拽或主吊缆脱挂钩时很容易挂住或碰撞换能器，轻则碰坏换能器发射面，重则直接将换能器挂断，掉入水中；如果换能器安装位置太低，在实际工作中，声波传播容易受潜水器本体的反射或遮挡等影响，造成通讯距离缩短，或信号无法解析等情况，从而严重影响通讯效果。在“蛟龙号”载人潜水器海试过程中，曾多次发生换能器被拖曳缆挂断，掉入海中，也发生过换能器发射面受损，无法正常工作的情况。这些都直接导致试验进程受阻，造成时间和金钱损失。在4500米载人潜水器设计之初就考虑了声学换能器的安装问题，吸取了“蛟龙号”载人潜水器的经验，将换能器安装位置调低了很多，希望避免拖曳缆和主吊缆的影响。在海试操作过程中，已经非常注意对换能器的保护，即便如此，拖曳缆也多次挂到换能器，换能器发射面一定程度受损。
由于潜水器声学设备只在水下一定深度以后才开始工作，到达水面以后，可以通过无线电或卫星等方式进行通讯和定位，因此，如果声学换能器能够实现自动伸缩，在水面附近时换能器收进潜水器，达到工作深度后，换能器伸出潜水器外，这样既保证了在布放和回收时不会对换能器造成伤害，同时又保证了换能器可靠工作时所需的安装高度。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的深度自适应伸缩声学换能器，从而使其工作灵活，工作可靠性好。
本发明所采用的技术方案如下：
一种深度自适应伸缩声学换能器，包括潜水器，所述所述潜水器上挖有凹槽，所述凹槽内安装有缸体，所述缸体的截面成凸字形结构，所述缸体内通过O型圈安装有活塞杆，所述活塞杆的截面同样成凸字形结构，所述活塞杆底部凸出部分与缸体底部的内壁面之间形成有气体压缩腔，位于缸体内壁面台阶处的底面设置有凹坑，所述凹坑与气体压缩腔连通；所述活塞杆的底部一端开有充放气孔，位于缸体的最底端通过螺栓固定有挡圈；所述活塞杆的中部开有连通孔，所述连通孔中部穿过水密电缆，并在连通孔的底部安装水密插座，顶部安装压电陶瓷模块。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述压电陶瓷模块通过紧固件安装在活塞杆的顶部。
所述充放气孔的出口与气体压缩腔连通。
所述挡圈的外圈间隔开有多个螺栓孔。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过对缸体和活塞杆巧妙的设计，在活塞与缸体之间形成气体压缩腔，通过内外压力差作用实现活塞的运动，方便的实现潜水器的换能工作。
本发明所述的活塞杆的设计十分巧妙，活塞杆与缸体完全贴合，通过O型圈密封，本身起到密封的同时，还增强了缸体的耐压能力；
本发明所述的活塞杆中轴位置开有通孔，不仅可供水密插座尾线穿线通道，还与压电陶瓷模块连通，内部充油，保证了压电陶瓷模块电气部分不受运动影响；
本发明中，活塞与缸体之间形成气体留存腔，在气体留存腔内预充一定压力空气，活塞完全在内外压力差作用下上下运动，不需要任何动力装置辅助，结构简单，工作安全可靠；
本发明中，根据需要，只需调整气体留存腔内预充空气的压力，即可实现声学换能器需要在何种深度开始伸出进行工作；
本发明所述的声学换能器能够有效解决传统换能器的安装只能有固定的高度，高度太高时，换能器容易被缆绳等异物挂坏，或在吊放时被碰撞损坏；高度太低时，潜水器本体会对声波产生干扰，影响声学设备工作效果等矛盾；
本发明具有一定的推广价值，各种水下运动平台声学换能器都可以按本专利进行设计，不需要任何辅助手段即可实现换能器根据深度自动伸缩，既保证安全性又保证工作可靠性。
本发明应用于载人潜水器、有缆遥控水下机器人、无缆自治水下机器人以及各种水下搭载平台，主要应用于深海载人潜水器水声通讯设备的换能器，实现水声设备换能器的安全工作，避免在布放和回收过程中换能器由于碰撞或剐蹭等造成损坏，同时又解决了换能器因安装高度低而受潜水器本体影响工作效果的问题。
附图说明
图1为本发明实际应用图。
图2为本发明的结构示意图(深度小时)。
图3为本发明的结构示意图(深度大时)。
其中：1、O型圈；2、活塞杆；3、压电陶瓷模块；4、缸体；5、螺栓孔；6、充放气孔；7、气体压缩腔；8、水密插座；9、挡圈；10、潜水器；11、换能器；12、水密电缆；13、主机；14、吊放系统；15、母船。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2和图3所示，本实施例的深度自适应伸缩声学换能器，包括潜水器10，潜水器10上挖有凹槽，凹槽内安装有缸体4，缸体4的截面成凸字形结构，缸体4内通过O型圈1安装有活塞杆2，活塞杆2的截面同样成凸字形结构，活塞杆2底部凸出部分与缸体4底部的内壁面之间形成有气体压缩腔7，位于缸体4内壁面台阶处的底面设置有凹坑，凹坑与气体压缩腔7连通；活塞杆2的底部一端开有充放气孔6，位于缸体4的最底端通过螺栓固定有挡圈9；活塞杆2的中部开有连通孔，连通孔中部穿过水密电缆12，并在连通孔的底部安装水密插座8，顶部安装压电陶瓷模块3。
压电陶瓷模块3通过紧固件安装在活塞杆2的顶部。
充放气孔6的出口与气体压缩腔7连通。
挡圈9的外圈间隔开有多个螺栓孔5。
实际应用过程中，如图1所示，包括母船15，母船15与潜水器10之间安装吊放系统14，潜水器10内安装有主机13，主机13通过水密电缆12与换能器11连接。
本发明所述的压电陶瓷模块3通过螺栓安装在活塞杆2顶部，可拆卸，且内部与活塞杆2中轴通孔连通，内部充油，随着活塞杆2伸缩而伸缩。当活塞杆2缩进时，压电陶瓷模块3缩进缸体4，缸体4可以保护压电陶瓷模块3不受碰撞。在活塞杆2与缸体4之间形成一个气体留存腔，随着活塞运动，气体留存腔内压力增大或缩小。在活塞杆2中轴位置留有圆柱形圆孔，可将水密插座8尾线从中穿过，与压电陶瓷模块3接线。挡圈9通过螺栓与缸体4连接固定，起到限位作用。通过充放气孔6往气体留存腔内充入一定压力的空气，形成压力P1。当潜水器10在设定深度(由预充空气压力决定)以浅时，气体留存腔内压力P1大于海水压力P2，活塞在压力差作用下向下运动，压电陶瓷模块3缩进缸体4内部，从而保护了压电陶瓷模块3不受碰撞。在活塞底部有挡圈9限位，避免活塞较宽部位脱离缸体4。
当潜水器10下潜深度达到设定深度(由预充空气压力决定)时，外界海水压力P4大于气腔内压力P3，活塞在压力差作用下向上运动，压电陶瓷模块3伸出缸体4，凸出潜水器10一定高度，在水下完成声波的发射和接收。活塞向上运动时，缸体4凸出部分将活塞限制在极限位置。同时，气体留存腔内气体被压缩，压力增大，一部分压力与外部海水压力平衡。
本发明所述深度自适应伸缩声学换能器11通过在气体留存腔内预先充入一定压力的气体，当潜水器10在设定深度(由预充空气压力决定)以浅时，气体留存腔内压力大于外界压力，压电陶瓷模块3随着活塞向下运动，起到保护作用；当潜水器10下潜到设定深度以深时，气体留存腔内压力小于外界压力，压电陶瓷模块3随着活塞向上运动，伸出缸体4，便于正常工作。很好的解决了声学换能器11安装高度和工作可靠性之间的矛盾。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
Claims (4)
1.一种深度自适应伸缩声学换能器，其特征在于：包括潜水器(10)，所述潜水器(10)上挖有凹槽，所述凹槽内安装有缸体(4)，所述缸体(4)的截面成凸字形结构，所述缸体(4)内通过O型圈(1)安装有活塞杆(2)，所述活塞杆(2)的截面同样成凸字形结构，所述活塞杆(2)底部凸出部分与缸体(4)底部的内壁面之间形成有气体压缩腔(7)，位于缸体(4)内壁面台阶处的底面设置有凹坑，所述凹坑与气体压缩腔(7)连通；所述活塞杆(2)的底部一端开有充放气孔(6)，位于缸体(4)的最底端通过螺栓固定有挡圈(9)；所述活塞杆(2)的中部开有连通孔，所述连通孔中部穿过水密电缆(12)，并在连通孔的底部安装水密插座(8)，顶部安装压电陶瓷模块(3)。
2.如权利要求1所述的深度自适应伸缩声学换能器，其特征在于：所述压电陶瓷模块(3)通过紧固件安装在活塞杆(2)的顶部。
3.如权利要求1所述的深度自适应伸缩声学换能器，其特征在于：所述充放气孔(6)的出口与气体压缩腔(7)连通。
4.如权利要求1所述的深度自适应伸缩声学换能器，其特征在于：所述挡圈(9)的外圈间隔开有多个螺栓孔(5)。
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