CN108777831B - 一种共形驱动四边形弯张换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种共形驱动四边型弯张换能器，其特征在于：包括四边形驱动壳体和设置在四边形驱动壳体四个角上的驱动元件，所述四边形驱动壳体上的四个角上设置有凹槽，所述驱动元件设置在凹槽中，凹槽对应的四段驱动壳体为薄凸壳、其余四段为厚凹壳或厚凸壳。或所述四边形壳体包括与四个驱动元件交替连接的四段厚凸壳、设置在四段厚凸壳和驱动元件外表面的环氧玻璃丝层。本发明的换能器兼具深海工作、宽带、低频、重量轻等特点，可应用于深海水声通信、深海对抗、海洋环境监测、海底地质地貌探测等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种水声换能器，尤其涉及一种共形驱动四边形弯张换能器。
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播的能量载体。作为能够发射声波的水声换能器，无论是在民用领域，如海洋地质地貌探测、海底资源开发等，还是在军事领域，如潜艇探测、水声通信等，都具有十分重要的应用价值。
低频声波主要是指频率范围在100Hz-3kHz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。
低频水声换能器有很多种，常见的有电动式换能器、弯曲振动式换能器以及弯张换能器等。
电动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。弯曲振动式换能器最常见的是弯曲圆盘换能器，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、小尺寸、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。
本发明提供一种共形驱动四边形弯张换能器，对所述的驱动元件施加交流载荷时，使辐射壳体发生弯曲振动，从而实现低频声辐射。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种共形驱动四边形弯张换能器。
本发明的目的是这样实现的：包括四边形辐射壳体和设置在四边形辐射壳体四个角上的驱动元件。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述四边形辐射壳体上的四个角上设置有凹槽，所述驱动元件设置在凹槽中，凹槽对应的四段辐射壳体为薄凸壳、其余四段为厚凹壳或厚凸壳。
2.所述四边形壳体包括与四个驱动元件交替连接的四段厚凸壳、设置在四段厚凸壳和驱动元件外表面的环氧玻璃丝层。
3.所述四段厚凸壳或厚凹壳的长度相等。
4.所述四段厚凸壳或厚凹壳的长度均是两两相等，且长度相等的两段厚凸壳或厚凹壳相邻设置或相对设置。
5.所述四段厚凸壳的长度相等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的共形驱动四边形弯张换能器具有低频、宽带特性。驱动元件加交流负载工作时，使厚壳弯曲，从而在低频产生声辐射；换能器的整体结构上含有液腔，可以实现宽带发射；不同的厚壳可以形成多个谐振频率，可实现多种声辐射模态工作。因此本发明的低频水声换能器具有小尺寸、低频、宽带和深水特性。可用于水声探测、测量及海洋资源勘探等领域。
附图说明
图1是本发明的厚壳为凹形时共形驱动四边形弯张换能器的俯视图；
图2是本发明的厚凹壳有两种，且相同的厚壳相对放置时共形驱动四边形弯张换能器的俯视图；
图3是本发明的厚凹壳有两种，且相同的厚壳相邻放置时共形驱动四边形弯张换能器的俯视图；
图4是本发明的厚凹壳有三种，且相同的厚壳相对放置时共形驱动四边形弯张换能器的俯视图；
图5是本发明的厚壳为凸形时共形驱动四边形弯张换能器的俯视图；
图6是本发明的厚凸壳有两种，且相同的厚壳相对放置时共形驱动四边形弯张换能器的俯视图；
图7是本发明的厚壳为凸形，且环氧玻璃丝层取代薄壳时共形驱动四边形弯张换能器的俯视图；
图8是图7中厚壳有两种，且相同的厚壳相对放置时共形驱动四边形弯张换能器的俯视图。
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8，本发明是一种共形驱动四边形弯张换能器，包括辐射壳体和驱动元件；所述辐射壳体由四段相同的薄凸壳和四段相同的厚凹壳交替连接而成或由四段相同的薄凸壳和四段相同的厚凸壳交替连接而成；薄凸壳主要用于提供预应力；驱动元件共有四组，由N片压电陶瓷条和铜电极用环氧树脂胶拼接而成，其中N为≥2的偶数，楔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，驱动元件的外壁弧长大于薄凸壳的内壁弧长；整体结构含有一个液腔，实现溢流结构形式，从而达到深海工作。所述的辐射壳体由四段相同的薄凸壳和四段相同的厚凹壳交替连接而成。所述的辐射壳体中四段厚凹壳不完全相同。厚凸壳有两种，两段长厚凸壳、两段短厚凸壳，壳体连接时相邻的两段厚凸壳相同，相同的两段厚凸壳相邻或相对放置；有多重厚凸壳产生多个谐振频率，增加换能器的带宽。所述的辐射壳体由四段相同的薄凸壳和四段相同的厚凸壳交替连接而成，厚凹壳有两种：两段长厚凹壳、两段短厚凹壳，壳体连接时相对的两段厚凹壳相同。
所述的辐射壳体中四段厚凸壳分为两种，两段长厚凸壳、两段短厚凸壳，壳体连接时相对的两段厚凸壳相同，相同的厚凸壳相对放置，产生两个谐振频率，增加换能器的带宽。
所述的驱动元件装配于对应的薄壳(两段厚壳之间)位置并与对应的厚壳刚性连接：预先对厚壳施加一个由内向外的推力使薄壳的内壁弧长增加，将驱动元件放入，并在驱动元件与厚壳接触面涂上环氧树脂，利用辐射壳体恢复产生的力使驱动元件固定于两段厚壳之间，并刚性连接。也即预先使壳体变形，通过壳体的收缩使驱动元件与厚壳刚性连接。
所述的辐射壳体中薄壳可以由环氧玻璃丝层取代。所述的换能器是将驱动元件与厚凸壳用环氧树脂粘好之后，在外表面缠绕涂了环氧的玻璃丝，最后环氧树脂高温固化而成的，实现了驱动元件与厚凸壳之间的刚性连接。
驱动元件与薄壳的接触位置需要作绝缘处理。
驱动元件与厚壳之间作绝缘处理时，楔形陶瓷条的数量可以为奇数。
换能器的内外面面都需要作防水处理。换能器还可以放在充油的橡胶囊中，液腔工作。
下面结合附图对本发明进行分类说明：附图中个符号的含义为：1-驱动元件、2-厚凹壳、3-薄凸壳、4-厚凸壳、5-环氧玻璃丝层、6-环氧玻璃丝层取代薄壳后的厚凸壳。
实施例1
图1到图4所示均为实施例1的可行方案。本实施例中换能器的辐射壳体由四段薄凸壳3和四段厚凹壳2交替连接而成。
图1所示换能器的辐射壳体由四段相同的薄凸壳3和四段相同的厚凹壳2交替连接而成。
图2所示换能器的辐射壳体由四段薄凸壳3和四段厚凹壳2交替连接而成，厚凹壳2有两种：两段长厚凹壳2、两段短厚凹壳2，壳体连接时相对的两段厚凹壳2相同，两种厚凹壳2产生两个谐振频率。
相比于图2，图3中换能器的辐射壳体连接时相邻的两段厚凹壳2相同，同样可以产生两个谐振频率。
图4中所示换能器的辐射壳体由四段薄凸壳3和四段厚凹壳2交替连接而成，厚凹壳2有三种：一段长厚凹壳2、一段短厚凹壳2和两端相同的厚凹壳2，壳体连接时两段相同的厚凹壳2相对放置，三种厚凹壳2产生三个谐振频率。
本实施例中驱动元件1由N片压电陶瓷条和铜电极用环氧树脂胶拼接而成，其中N为≥2的偶数，楔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，与厚壳之间也要布放电极片。制作成的驱动元件1的外壁弧长大于薄壳3的内壁弧长。在装配驱动元件1时，通过对厚凹壳2施加由内向外的推力，增加薄壳3的内壁弧长使之大于驱动元件1的外壁弧长，将四个驱动元件1分别放置于对应的薄壳3(两段厚凹壳2之间)位置并释放压力，此时辐射壳体收缩，将驱动元件1固定在两段厚凹壳2之间，并刚性连接。
换能器工作时，对驱动元件1施加交流载荷，由于压电陶瓷具有压电效应，使得压电陶瓷的厚度发生变化，通过驱动元件1与厚凹壳2之间的刚性连接，使厚凹壳2产生弯曲振动，激励液腔振动，由于弯曲的低频特性，最终产生低频、宽带声辐射。
本实施例中辐射壳体有四段薄凸壳3和四段厚凹壳2，除了采用铝合金以外，还可以采用碳纤维、玻璃纤维等非金属材料，减轻重量。
本实施例中辐射壳体采用金属材料时，驱动元件1的外壁与薄凸壳3的内壁需要作绝缘处理。
本实施例中辐射壳体采用非金属材料时，构成驱动元件1的楔形压电陶瓷条的数量N可为奇数。
实施例2
图5和图6所示为本实施例的可行方案。本实施例中换能器的辐射壳体由四段薄凸壳3和四段厚凸壳4交替连接而成。
图5所示换能器的辐射壳体由四段相同的薄凸壳3和四段相同的厚凸壳4交替连接而成。
图6所示换能器的辐射壳体由四段薄凸壳3和四段厚凸壳4交替连接而成，厚凸壳4有两种：两段长厚凸壳4、两段短厚凸壳4，壳体连接时相对的两段厚凸壳4相同，两种厚凸壳4产生两个谐振频率。
本实施例的其他部分与实施例1完全相同。
实施例3
图7和图8所示为本实施例的可行方案。本实施例中换能器由驱动元件1、环氧玻璃丝层5和环氧玻璃丝层取代薄壳后的厚凸壳6(简称：厚凸壳6)。也即所述的换能器包括驱动元件，厚凸壳和环氧玻璃丝层；四段相同的厚凸壳与驱动元件交替连接构成辐射面；环氧玻璃丝层用于施加预应力。
图7所示换能器有四段相同的厚凸壳6。
图8所示换能器厚凸壳6有两种：两段长厚凸壳6、两段短厚凸壳6，壳体连接时相对的两段厚凸壳6相同，两种厚凸壳6产生两个谐振频率。
本实施例中，驱动元件1与厚凸壳6之间是刚性连接的，通过环氧玻璃丝层5来施加预应力，具体实施过程为：将驱动元件1与厚凸壳6的接触面上涂上环氧树脂，依次连接拼成环形，在环形的外表面涂上环氧树脂并用玻璃丝缠绕，在缠绕的过程中不间断的涂环氧树脂，且玻璃丝一直处于绷紧的状态，缠好之后高温固化，冷却之后就实现了驱动元件1与厚凸壳6之间的刚性连接，表面形成环氧玻璃丝层5。
本实施例中换能器的辐射机理与实施例1相同。
综上，本发明涉及一种共形驱动四边形弯张换能器，属于水声换能器技术领域。该换能器包括辐射壳体和驱动元件；所述辐射壳体为对称四边形壳体，由四段薄凸壳和四段厚凹壳交替连接而成；薄凸壳主要用于提供预应力；驱动元件共有四组，由N片楔形压电陶瓷条和铜电极用环氧树脂胶拼接而成，其中N为≥2的偶数，楔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，驱动元件的外壁弧长大于薄凸壳的内壁弧长。该换能器的整体结构含有一个液腔，实现溢流结构形式，从而达到深海工作。其特点为重量轻，制作简单，工艺可靠，并由液腔谐振与整体结构的径向谐振耦合形成宽带发射效果。本专利换能器兼具深海工作、宽带、低频、重量轻等特点，可应用于深海水声通信、深海对抗、海洋环境监测、海底地质地貌探测等领域。
Claims (4)
1.一种共形驱动四边形弯张换能器，其特征在于：所述共形驱动四边形弯张换能器包括四边形辐射壳体和四个驱动元件，所述四边形辐射壳体上的四个角设置有凹槽，所述驱动元件设置在凹槽中，与四个凹槽对应的四段辐射壳体为薄凸壳，其余四段为厚凹壳或厚凸壳，所述驱动元件由N片压电陶瓷片和铜电极片通过环氧树脂胶拼接而成，其中N为≥2的偶数，所述压电陶瓷片为楔形，沿厚度方向极化，每两个压电陶瓷片之间布放一个铜电极片，驱动元件的外壁弧长大于薄凸壳的内壁弧长，所述驱动元件与厚凹壳或厚凸壳的接触面涂有环氧树脂，所述四边形辐射壳体的外表面设置有环氧玻璃丝层。
2.根据权利要求1所述的一种共形驱动四边形弯张换能器，其特征在于：所述四段厚凸壳或厚凹壳的长度相等。
3.根据权利要求1所述的一种共形驱动四边形弯张换能器，其特征在于：所述四段厚凸壳或厚凹壳的长度均是两两相等，且长度相等的两段厚凸壳或厚凹壳相邻设置或相对设置。
4.根据权利要求1所述的一种共形驱动四边形弯张换能器，其特征在于：所述四段厚凸壳的长度相等。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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