CN108962208A - 一种共形驱动三瓣形弯张换能器 - Google Patents

Abstract

本发明属于水声通信领域，具体涉及一种共形驱动三瓣形弯张换能器，包括三瓣形弯张壳体、扇环形陶瓷堆、橡胶垫、上下盖板、连接螺杆、水密电缆头；三瓣形弯张壳体为开有三个圆弧形镶嵌口的拉伸结构，其圆弧形镶嵌口与扇环形陶瓷堆连接，三瓣形弯张壳体上下端面与橡胶垫连接，上下盖板之间通过连接螺杆连接，水密电缆头通过电连接孔与三个陶瓷圆弧堆连接；本发明采用扇环形有源驱动与三瓣形弯张壳体结构实现共形的驱动方式，利用共形驱动弯张换能器具有更低的弯曲振动频率特性，而使换能器实现较低谐振频率工作；同时，可调节三个扇环形陶瓷堆的电驱动相位，以激励出三瓣形弯张换能器的不同阶振动模态，实现全指向性、类“8”字形指向性等辐射。

Description

一种共形驱动三瓣形弯张换能器

技术领域

本发明属于水声通信领域，具体涉及一种共形驱动三瓣形弯张换能器。

背景技术

近年来，先进的安静型潜艇广泛应用主被动降噪技术，目标强度和辐射噪声大大地降低，使得被动声呐作用距离急剧减小，为了实现对潜艇的远距离探测，因此，需要使用更低频率的主动声呐来完成，低频水声发射换能器作为主动声呐的核心部件，开展换能器的低频、大功率研究，是实现低频主动探测的关键技术。而换能器频率越低，辐射阻越小，就使得换能器尺寸重量越大。水中小目标平台对低频发射换能器的尺寸有着严格的要求，开展低频发射换能器实现小尺寸、大功率、具有指向性性能的研究对于小平台的应用更加重要。

航空吊放声呐是现代反潜的一个最有效方法。由于反潜直升机自身空间及载重限制，现无法适装较大尺寸重量的低频声呐，所以开展低频小尺寸换能器的研究，也是吊放声呐实现远距离探潜的核心待解决问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作频率低、尺寸小、功率大的共形驱动三瓣形弯张换能器。

一种共形驱动三瓣形弯张换能器，包括三瓣形弯张壳体、扇环形陶瓷堆、橡胶垫、上下盖板、连接上下盖板的螺杆、螺帽以及水密电缆头；所述三瓣形弯张壳体为开有三个圆弧形镶嵌口的拉伸结构，其圆弧形镶嵌口与扇环形陶瓷堆连接，通过壳体对陶瓷施加预应力，三瓣形弯张壳体上下端面与橡胶垫连接，同时，橡胶垫上下表面与上下盖板紧密接触，并对橡胶垫施加压力实现水密特性，上下盖板之间通过连接螺杆连接，上盖板设置有电连接孔，水密电缆头通过电连接孔用导线与三个陶瓷圆弧堆进行电连接。

所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，三瓣形弯张壳体材料为铝合金或钛合金，三瓣形弯张壳体为开有三个圆弧形镶嵌口的拉伸结构，外表面轮廓结构为外凸三瓣形，每瓣外结构为圆弧形，三瓣沿环向均布，相邻瓣之间由反向圆弧连接，其镶嵌口开在外凸三瓣圆形的内侧，并镶嵌口结构为圆弧形。

所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，三瓣形弯张壳体圆弧镶嵌口边缘面与扇环形陶瓷堆外边缘面曲率半径一致，能够实现两者紧密连接，同时，陶瓷圆弧堆开角大于圆弧镶嵌口开角，保证壳体可以为陶瓷施加足够预应力及实现振动位移连续。

所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，连接螺杆是由不锈钢或钛合金金属材料加工而成，螺杆两侧分别带有具有限位功能的台阶，在装配上下盖板过程中，通过螺帽旋紧压缩橡胶垫使盖板到两个限位台阶位置处；设定了盖板压缩橡胶垫的最大行程，使得橡胶垫在弹性范围内，并能实现水密密封功能，同时也在一定程度上保证换能器的整体强度以及工作最大水深。

所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，上盖板和下盖板是由铝合金或钛合金金属材料加工而成，其外结构轮廓为外凸三瓣形，每瓣外结构为圆形，三瓣沿环向均布，相邻瓣之间由反向圆弧连接，上下盖板外结构尺寸相同，在相邻瓣之间边缘处分布有三个通孔，连接螺杆。

所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，橡胶垫是由具有一定硬度、耐渗水的硅橡胶或氟橡胶制作而成，其外结构轮廓与三瓣形弯张壳体外结构相同，上下表面平整光滑，与壳体上下端面及盖板表面足够接触，在起到水密作用之外，也在高度方向上实现一定程度的振动去耦作用。

所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，扇环形陶瓷堆为径向极化的扇环形陶瓷堆或扇环形镶拼陶瓷堆，陶瓷堆的高度可变，最大高度为壳体的高度，陶瓷堆居于壳体高度中心位置。

所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，扇环形陶瓷堆为径向极化的扇环形陶瓷堆时，陶瓷圆弧径向极化，内外覆盖电极并引电，环向两端粘接楔形结构的氧化硅陶瓷条，整体径向外表面贴覆环氧玻璃丝层，保证整体的结构强度，并实现独立电绝缘。

所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，扇环形陶瓷堆为扇环形镶拼陶瓷堆时，扇环形镶拼陶瓷堆是由n片楔形PZT-4压电陶瓷条和2片楔形氧化硅陶瓷条拼接成一扇环形圆弧，n为偶数，压电陶瓷条沿厚度方向极化，采用并联连接，每相邻的两片压电陶瓷条极化方向相反，且相邻两陶瓷条之间设置电极片，氧化硅陶瓷条设置在环向两端，整体径向外表面贴覆环氧玻璃丝，增加强度的同时起到电绝缘的效果。

本发明的有益效果在于：

本发明克服了传统长梁驱动的三瓣形弯张换能器谐振频率高的问题，通过采用三瓣共形驱动形式，实现了同等外结构尺寸下，进一步降低工作频率的特性；本发明还克服了传统长梁驱动的三瓣形弯张换能器无法实现指向性特性的问题，采用三个电独立的压电驱动圆弧堆，通过调节三个驱动堆的电相位以激励出具有指向性辐射的模态，实现指向性性能。同时，本发明兼具低频、小尺寸、指向性发射等特点，可单独或者纵向密排组阵应用于各种小平台的主动探测声呐、水声通信等领域。

附图说明

图1为本发明换能器结构示意图；

图2为本发明换能器结构的剖面示意图；

图3为本发明换能器上盖板结构示意图；

图4为本发明换能器弯张壳体的俯视图；

图5为本发明陶瓷圆弧堆结构示意图；

图6为本发明换能器实现不同指向性发射的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图2和图3，本发明的共形驱动三瓣形弯张换能器，主要包括三瓣形弯张壳体1、三个扇环形陶瓷堆2、两个橡胶垫3、上盖板4、下盖板5、三个连接螺杆6、六个螺帽7、六芯水密电缆头8。所述三瓣形弯张壳体1开有三个圆弧形镶嵌口11，分别与三个扇环形陶瓷堆2配合连接实现共形，弯张壳体1上下表面分别与橡胶垫3连接，橡胶垫其余两面与上盖板4和下盖板5连接，上下盖板上各分布有三个通孔9，连接螺杆6通过通孔9配合连接上下盖板，用螺帽7旋紧，形成换能器整体外结构，并盖板对橡胶垫施加预紧力实现水密。上盖板4上有与水密电缆头8配合连接的电连接孔10，并通过O型圈保证水密，六芯电缆头通过导线与三个陶瓷圆弧堆进行电连接。

如图4所示，本发明的三瓣形弯张壳体1是由铝合金(或者钛合金)金属材料经线切割加工而成，其为拉伸体结构，外表面轮廓结构为外凸三瓣形，每瓣外结构为圆形，三瓣沿环向均布，相邻瓣之间由反向圆弧连接，壳体内表面开有三个镶嵌口11，其镶嵌口开在外凸三瓣圆形的内侧，并镶嵌口结构为一定角度的圆弧形；

如图5所示，本发明的扇环形陶瓷堆可以为径向极化的扇环形陶瓷堆，也可以是扇环形镶拼陶瓷堆。陶瓷堆的高度可变，最大高度为壳体1的高度，陶瓷堆居于壳体高度中心位置。其径向极化的扇环形陶瓷堆如图5(a)所示，扇环形陶瓷圆弧12内外覆盖电极并引电，环向两端粘接楔形结构的氧化硅陶瓷条13，整体径向外表面贴覆环氧玻璃丝层14，保证整体的结构强度，并实现电绝缘；其扇环形镶拼陶瓷堆如图5(b)所示，是由n片楔形PZT-4压电陶瓷条和2片楔形氧化硅陶瓷条拼接成一定角度的扇环形圆弧堆，压电陶瓷条沿环向厚度方向极化，每相邻的两片压电陶瓷条极化方向相反，陶瓷条之间设置电极片，在电路上采用并联连接，环向最边缘有两片氧化硅陶瓷条13，起到绝缘作用，并保证与壳体装配时具有足够的强度，方便装配。并在整体径向外表面贴覆粘有环氧树脂胶的玻璃丝层14，用于实现在与壳体接触时的电绝缘和增加陶瓷堆的结构强度。

如图6所示，三瓣形共形驱动弯张换能器具有如图6(a)和6(b)形式的振动模态，其可通过调节三个扇环形陶瓷堆间的电驱动相位，以激励出两种模态，实现不同指向性能。当如图6(c)三个陶瓷堆电驱动电相位相同时就可激励出如图6(a)的振动模态，其三瓣同相振动，向外辐射声能量，就可实现全向辐射的指向性，如图6(d)所示。当图6(c)陶瓷堆I和II同相激励，而陶瓷堆III与I(II)反相激励，就会激励出谐振频率更低的如图5(b)所示振动模态，此时可实现类“8”字形辐射的指向性，如图6(e)所示。

结合图2、图4和图5，扇环形陶瓷堆2的外表面和三瓣形弯张壳体内部镶嵌口11的表面曲率半径相同，扇环形陶瓷堆2的开角角度大于内部镶嵌口11的开角角度，在径向实现紧密配合的同时，在环向由壳体对扇环形陶瓷堆2施加足够预应力，以实现大功率工作。

橡胶垫3是由具有一定硬度、耐渗水的硅橡胶或者氟橡胶制作而成，其外结构轮廓与三瓣形弯张壳体1外结构相同，上下表面平整光滑，与壳体上下端面及盖板表面足够接触，在起到水密作用之外，也在高度方向上实现一定程度的振动去耦作用；

上盖板4和下盖板5是由铝合金(或者钛合金)金属材料加工而成，其外结构轮廓为外凸三瓣形，每瓣外结构为圆形，三瓣沿环向均布，相邻瓣之间由反向圆弧连接，上下盖板外结构尺寸相同，在相邻瓣之间边缘处分布有三个通孔，与螺杆6配合连接，并上盖板处开有电连接孔10，用于安装电连接的水密电缆头8；

连接螺杆6是由不锈钢(或者钛合金)金属材料加工而成，螺杆两侧分别带有限位功能的台阶，在装配上下盖板过程中，通过螺帽7旋紧压缩橡胶垫使盖板到两个限位台阶位置处。设定了盖板压缩橡胶垫的最大行程，使得橡胶垫在弹性范围内，并能实现水密密封功能，同时也在一定程度上保证换能器的整体强度以及工作最大水深。

本发明的换能器在水中工作时，对三个扇环形陶瓷堆2独立电驱动，在交变电场的激励下陶瓷圆弧产生环向的往复振动，当三个同相驱动时，激励出弯张壳体1的同相呼吸振动模态，实现声音的全向辐射；当其中两个陶瓷堆2同相，另一个与其它两个反相激励时，就会激励出类偶极子的振动模态，此时可实现类“8”字形辐射的指向性，在可实现指向性辐射的同时，本发明因为采用陶瓷圆弧与弯张壳体共形的结构形式，所以使得弯张壳体的结构刚度变化较小，实现了换能器的更低频率辐射特性。

最后应说明的是，以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明权利要求的保护情况，作出本发明的其他实施方式，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种共形驱动三瓣形弯张换能器，包括三瓣形弯张壳体、扇环形陶瓷堆、橡胶垫、上下盖板、连接螺杆、螺帽以及水密电缆头；其特征在于：所述三瓣形弯张壳体为开有三个圆弧形镶嵌口的拉伸结构，其圆弧形镶嵌口与扇环形陶瓷堆连接，三瓣形弯张壳体上下端面与橡胶垫连接，同时，橡胶垫上下表面与上下盖板紧密接触，上下盖板之间通过连接螺杆连接，上盖板设置有电连接孔，水密电缆头通过电连接孔用导线与三个陶瓷圆弧堆进行电连接。

2.根据权利要求1所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，其特征在于：所述三瓣形弯张壳体材料为铝合金或钛合金，其外表面轮廓结构为外凸三瓣形，每瓣外结构为圆弧形，三瓣沿环向均布，相邻瓣之间由反向圆弧连接，其镶嵌口开在外凸三瓣圆形的内侧，镶嵌口结构为圆弧形。

3.根据权利要求1所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，其特征在于：所述三瓣形弯张壳体圆弧镶嵌口边缘面与扇环形陶瓷堆外边缘面曲率半径一致，陶瓷圆弧堆开角大于圆弧镶嵌口开角。

4.根据权利要求1所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，其特征在于：所述连接螺杆材料为不锈钢或钛合金，螺杆两侧分别带有具有限位功能的台阶，通过螺帽旋紧压缩橡胶垫使盖板到两个限位台阶位置处。

5.根据权利要求1所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，其特征在于：所述上盖板和下盖板材料为铝合金或钛合金，其外结构轮廓为外凸三瓣形，每瓣外结构为圆形，三瓣沿环向均布，相邻瓣之间由反向圆弧连接，上下盖板外结构尺寸相同，在相邻瓣之间边缘处分布有三个通孔，连接螺杆。

6.根据权利要求1所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，其特征在于：所述橡胶垫材料为硅橡胶或氟橡胶，其外结构轮廓与三瓣形弯张壳体外结构相同，上下表面平整光滑，与壳体上下端面及盖板表面接触。

7.根据权利要求1所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，其特征在于：所述扇环形陶瓷堆为径向极化的扇环形陶瓷堆或扇环形镶拼陶瓷堆，陶瓷堆的高度可变，最大高度为壳体的高度，陶瓷堆居于壳体高度中心位置。

8.根据权利要求1所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，其特征在于：扇环形陶瓷堆为径向极化的扇环形陶瓷堆时，陶瓷圆弧径向极化，内外覆盖电极并引电，环向两端粘接楔形结构的氧化硅陶瓷条，整体径向外表面贴覆环氧玻璃丝层。

9.根据权利要求1所述一种共形驱动三瓣形弯张换能器，其特征在于：扇环形陶瓷堆为扇环形镶拼陶瓷堆时，扇环形镶拼陶瓷堆是由n片楔形PZT-4压电陶瓷条和2片楔形氧化硅陶瓷条拼接成一扇环形圆弧，n为偶数，压电陶瓷条沿厚度方向极化，采用并联连接，每相邻的两片压电陶瓷条极化方向相反，且相邻两陶瓷条之间设置电极片，氧化硅陶瓷条设置在环向两端，整体径向外表面贴覆环氧玻璃丝。