CN109482455B - 一种超磁致伸缩换能器连续可调预应力装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超磁致伸缩换能器连续可调预应力装置及方法,适用水声换能器领域。所述预应力装置由预应力施加杆、第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块、手柄、第一配合块、第二配合块组成,其中第一配合块与第二配合块均具有凹、凸两种构形。第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块内开两段相反方向螺纹与预应力施加杆配合,第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块外侧斜面的一字形凸起和第一配合块、第二配合块内侧斜面的一字形凹槽连接,预应力施加杆上的十字形凹槽和手柄上的十字形凸起连接。所述超磁致伸缩换能器连续可调预应力方法,可运用所述装置实现超磁致伸缩材料连续、可调且大小足够的预应力施加,并能拓展适用于多种构型的水声换能器。
Description
技术领域
本发明涉及一种超磁致伸缩换能器连续可调预应力装置及方法,属水声换能器领域。
背景技术
换能器是一种能量转换装置,水声换能器可在水下将电磁能转换为机械能(发射器),或将机械能转化为电磁能(水听器),由于声波在水中能实现信息有效且远距离传递,水声换能器多用于水声环境监测、水域资源开发、反潜战及水声通信等领域。
超磁致伸缩材料相比其他材料具有磁致伸缩系数大、响应时间短、能量密度高、抗压强度高和承载能力大的优点,是低频、大功率水声换能器制作的理想材料,在水声换能器领域应用广泛。而实际应用中,超磁致伸缩材料的振动性能与材料的状态密切相关,即在不同的机械预应力下有不同的输出性能。预应力过小时,超磁致伸缩材料不能达到最优输出性能,预应力过大时,将降低在一定交变磁场幅度下,超磁致伸缩棒的伸缩系数,因此,在实际应用过程中,需要给超磁致伸缩棒加上合适的预应力,使其能够在定幅值的交变磁场作用下达到更大的输出,由于超磁致伸缩棒受压强度比受拉强度高,施加一定的预应力还可保护超磁致伸缩材料不受损坏。
研制超磁致伸缩换能器过程中,给换能器中的超磁致伸缩棒施加连续、可调的合适大小的预应力是技术难点。调试过程中,需要根据具体材料及应用的情况施加合适大小的预应力,通过传感器读数或振动测试验证换能器输出已达到最佳范围。根据王博文等人的研究,使用钢带通过螺栓对超磁致伸缩棒施加预应力时,会影响整个换能器的附加刚度,且影响到整个磁路结构的稳定性。使用碟簧等对换能器施加预应力时,刚度降低,可增加温度变化时的预应力稳定性,但对于多棒的磁路则难以保持预应力的一致性。而对于预应力块施加预应力的方式,则存在装配过程中容易一次性损坏内部超磁致伸缩材料的问题。
发明内容
本发明技术解决问题:克服现有技术的不足,提供一种超磁致伸缩换能器连续可调预应力装置及方法,用于对超磁致伸缩换能器施加连续、可调的预应力,解决以上问题,经过尺寸及形状调整可用于不同形状各种大小的换能器的预应力施加。
本发明预应力装置由以下部分组成:预应力施加杆、第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块、手柄、第一配合块、第二配合块。
其中,第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块的通孔的孔径在4mm-8mm,具体应用时根据强度条件校核。第一配合块、第二配合块的材料是60Si2MnA弹簧钢。配合块为凹形或凸形的钢块,配合块的尺寸根据实际应用时根据换能器的尺寸改变。
第一种实施形式中:预应力施加杆与第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块以螺纹方式连接,其中,第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块通孔中的两段螺纹方向相反。第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块与第一凹形配合块、第二凹形配合块之间通过第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块外侧斜面的一字形凸起和第一凹形配合块、第二凹形配合块内侧斜面的一字形凹槽连接,手柄与预应力施加杆通过预应力施加杆上的十字形凹槽和手柄上的十字形凸起连接。
手柄旋动预应力施加杆,带动两端与其连接的第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块向外滑动。固定第二凹形配合块位置,而第一凹形配合块和第二凹形配合块之间的距离变大,与超磁致伸缩材料紧密接触的第一凹形配合块将向超磁致伸缩材料传递对应大小的预应力。
第二种实施形式中:预应力施加杆与第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块以螺纹方式连接,其中,第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块通孔中的两段螺纹方向相反。第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块与第一凸形配合块、第二凸形配合块之间通过第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块外侧斜面的一字形凸起和第一凸形配合块、第二凸形配合块内侧斜面的一字形凹槽连接,手柄与预应力施加杆通过预应力施加杆上的十字形凹槽和手柄上的十字形凸起连接。
手柄旋动预应力施加杆,带动两端与其连接的第一开通孔梯形块、第二开通孔梯形块向内滑动。固定第二凸形配合块位置,而第一凸形配合块和第二凸形配合块之间的距离变大,与超磁致伸缩材料紧密接触的第一凸形配合块将向超磁致伸缩材料传递对应大小的预应力。
预应力装置给换能器施加一定的预应力后,取下手柄,则可继续完成换能器后面的密封措施。
本发明的有益效果在于:本发明预应力装置通过预应力施加杆与两块梯形块中通孔的螺纹之间的相互配合来对换能器超磁致伸缩材料施加预应力。有效的解决了使用碟簧、预应力块等来施加预应力的方法在对换能器施加一定的预应力后即无法反复调整预应力大小,且易在预应力施加过程中损坏超磁致伸缩材料的问题。使用该种形式的预应力装置,可对换能器的超磁致伸缩材料施加连续、可调且大小足够的预应力,且通过改变形状和尺寸,此种预应力装置可以适合其他不同形式换能器的预应力的施加。
附图说明
图1是超磁致伸缩换能器整体示意图;
图2是本发明第一种实施方式的预应力装置加预应力前示意图;
图3是本发明第一种实施方式的预应力装置加预应力后示意图;
图4是本发明第二种实施方式的预应力装置示意图;
图5是本发明中手柄处十字形凸起示意图;
图6是本发明中配合块和梯形块中的一字形凹槽和凸起示意图。
其中:1-弯张辐射外壳、2-超磁致伸缩棒、3-线圈、4-永磁块、5-刚性过渡块、6-电工纯铁外壳。
7-预应力施加杆、8-第一开通孔梯形块、9-第二开通孔梯形块、10-手柄、11-第一凹形配合块、12-第二凹形配合块。
13-第一凸形配合块、14-第二凸形配合块、15-线圈骨架。
具体实施形式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示,超磁致伸缩换能器由以下部分组成:弯张辐射外壳1、预应力装置、刚性过渡块5、驱动元件。
预应力装置位于驱动元件与刚性过渡块5之间,刚性过渡块5通过预应力装置向驱动元件中的超磁致伸缩棒2施加足够大小的预应力后,驱动元件中的各段超磁致伸缩棒2在线圈3产生的交变磁场作用下,做纵向伸缩运动,带动与其连接的弯张辐射外壳1向四周水域辐射声波。
驱动元件包括:超磁致伸缩棒2、永磁块4、线圈3、线圈骨架15。
永磁块4分别位于超磁致伸缩棒2的两头和四周,为超磁致伸缩棒2提供均匀的偏置磁场,线圈骨架15环绕超磁致伸缩棒2,为缠绕在线圈骨架15上的线圈3提供支撑,提供均匀的交变磁场以驱动超磁致伸缩棒2,整个驱动元件封闭在电工纯铁外壳6中,形成闭合磁路。
预应力装置由以下部分组成:预应力施加杆7、第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9、手柄10、第一凹形配合块11、第二凹形配合块12。
预应力施加杆7与第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9以螺纹方式连接,其中,第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9通孔中的两段螺纹方向相反,第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9与第一凹形配合块11、第二凹形配合块12之间通过第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9外侧斜面的一字形凸起和第一凹形配合块11、第二凹形配合块12内侧斜面的一字形凹槽连接,手柄10与预应力施加杆7通过预应力施加杆7上的十字形凹槽和手柄10上的十字形凸起连接。
如图2、3所示,预应力装置由以下部分组成:预应力施加杆7、第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9、手柄10、第一凹形配合块11、第二凹形配合块12。
预应力施加杆7与第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9以螺纹方式连接,其中,第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块通孔中的两段螺纹方向相反,第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9与第一凹形配合块11、第二凹形配合块12之间通过第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9外侧斜面的一字形凸起和第一凹形配合块11、第二凹形配合块12内侧斜面的一字形凹槽连接,手柄10与预应力施加杆7通过预应力施加杆7上的十字形凹槽和手柄10上的十字形凸起连接。
施加预应力前各部件的状态如图2所示。手柄10旋动预应力施加杆7,带动两端与其连接的第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9向外滑动,使与梯形块紧密配合的第一凹形配合块11和第二凹形配合块12之间的距离变大,固定第二凹形配合块12位置,与超磁致伸缩材料紧密接触的第一凹形配合块11将直接向超磁致伸缩材料施加对应大小的预应力。预应力装置给超磁致伸缩换能器施加一定的预应力后,取下手柄10,手柄10与预应力施加杆7分离,则可继续完成超磁致伸缩换能器后面的密封措施。预应力施加后各部件的相对位置如图3所示。
如图4所示,为第二种实施方式的预应力装置示意图。预应力装置由以下部分组成:预应力施加杆7、第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9、手柄10、第一凸形配合块13、第二凸形配合块14。
预应力施加杆7与第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9以螺纹方式连接,其中,第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9通孔中的两段螺纹方向相反,第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9与第一凸形配合块13、第二凸形配合块14之间通过第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9外侧斜面的一字形凸起和第一凸形配合块13、第二凸形配合块14内侧斜面的一字形凹槽连接,手柄10与预应力施加杆7通过预应力施加杆7上的十字形凹槽和手柄10上的十字形凸起连接。
手柄10旋动预应力施加杆7,带动两端与其连接的第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9向内滑动,使与梯形块紧密配合的第一凸形配合块13和第二凸形配合块14之间的距离变大,固定第二凸形配合块14位置,与超磁致伸缩材料紧密接触的第一凸形配合块13将直接向超磁致伸缩材料施加对应大小的预应力。
如图5所示,为本发明中手柄10处十字形凸起示意图。手柄10与预应力施加杆7通过预应力施加杆7上的十字形凹槽和手柄10上的十字形凸起连接。预应力装置给超磁致伸缩换能器施加一定的预应力后,取下手柄10,手柄10与预应力施加杆7分离,则可继续完成超磁致伸缩换能器后面的密封措施。
如图6所示,是本发明中配合块和梯形块中的一字形凹槽和凸起示意图。第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9与第一凹形配合块11、第二凹形配合块12之间通过第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9外侧斜面的一字形凸起和第一凹形配合块11、第二凹形配合块12内侧斜面的一字形凹槽连接。手柄10旋动预应力施加杆7,带动两端与其连接的第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9向外滑动,而第一凹形配合块11和第二凹形配合块12之间的距离变大。固定第二凹形配合块12位置,与超磁致伸缩材料紧密接触的第一凹形配合块11将直接向超磁致伸缩材料施加对应大小的预应力。
1.手柄10旋动预应力施加杆7,带动两端与其连接的第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9向外滑动,使与梯形块紧密配合的第一凹形配合块11、第二凹形配合块12之间的距离变大,固定第二凹形配合块12位置,与超磁致伸缩材料紧密接触的第一凹形配合块11将直接向超磁致伸缩材料施加对应大小的预应力。
预应力装置给换能器施加一定的预应力后,取下手柄10,手柄10与预应力施加杆7分离,则可继续完成换能器后面的密封措施。
2.手柄10旋动预应力施加杆7,带动两端与其连接的第一开通孔梯形块8、第二开通孔梯形块9向内滑动,使与梯形块紧密配合的第一凸形配合块13、第二凸形配合块14之间的距离变大,固定第二凸形配合块14位置,与超磁致伸缩材料紧密接触的第一凸形配合块13将直接向超磁致伸缩材料施加对应大小的预应力。
预应力装置给换能器施加到合适的预应力后,取下手柄10,手柄10与预应力施加杆7分离,则可继续完成换能器后面的密封措施。
预应力装置向超磁致伸缩材料施加足够大小的预应力后,超磁致伸缩材料在交变磁场作用下,做纵向伸缩运动,并向四周水域辐射声波。
总之,本发明可对换能器的超磁致伸缩材料施加连续、可调且大小足够的预应力,且通过改变各部件的形状和整体预应力装置的尺寸,此种预应力装置可以适合其他不同形式换能器的预应力的施加,适用于水声换能器领域。
Claims (6)
1.一种超磁致伸缩换能器连续可调预应力装置,其特征在于:包括预应力施加杆(7)、第一开通孔梯形块(8)、第二开通孔梯形块(9)、手柄(10)、第一凹形配合块(11)、第二凹形配合块(12);预应力施加杆(7)与第一开通孔梯形块(8)、第二开通孔梯形块(9)以螺纹方式连接,其中,第一开通孔梯形块(8)、第二开通孔梯形块(9)中的两段螺纹方向相反,第一开通孔梯形块(8)、第二开通孔梯形块(9)与第一凹形配合块(11)、第二凹形配合块(12)之间通过第一开通孔梯形块(8)、第二开通孔梯形块(9)外侧斜面的一字形凸起和第一凹形配合块(11)、第二凹形配合块(12)内侧斜面的一字形凹槽连接,手柄(10)与预应力施加杆(7)通过预应力施加杆(7)上的十字形凹槽和手柄(10)上的十字形凸起连接。
2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩换能器连续可调预应力装置,其特征在于:所述第一开通孔梯形块(8)、第二开通孔梯形块(9)的通孔的孔径在4mm-8mm,具体应用时根据强度条件校核。
3.根据权利要求1所述的超磁致伸缩换能器连续可调预应力装置,其特征在于:第一凹形配合块、第二凹形配合块的材料是60Si2MnA弹簧钢。
4.一种如权利要求1所述的超磁致伸缩换能器连续可调预应力装置的操作方法,其特征在于,步骤如下:
(1)手柄(10)旋动预应力施加杆(7),带动两端与其连接的第一开通孔梯形块(8)、第二开通孔梯形块(9)向外滑动,使与梯形块紧密配合的第一凹形配合块(11)和第二凹形配合块(12)之间的距离变大;
(2)固定第二凹形配合块(12)位置,由于第一凹形配合块(11)和第二凹形配合块(12)之间的距离变大,与超磁致伸缩材料紧密接触的第一凹形配合块(11)将向超磁致伸缩材料传递对应大小的预应力;
(3)预应力装置给超磁致伸缩材料施加一定的预应力后,取下手柄(10),则可继续完成换能器后面的密封措施。
5.一种超磁致伸缩换能器连续可调预应力装置,其特征在于:包括预应力施加杆(7)、第一开通孔梯形块(8)、第二开通孔梯形块(9)、手柄(10)、第一凸形配合块(13)、第二凸形配合块(14);预应力施加杆(7)与第一开通孔梯形块(8)、第二开通孔梯形块(9)以螺纹方式连接,其中,第一开通孔梯形块(8)、第二开通孔梯形块(9)通孔中的两段螺纹方向相反,第一开通孔梯形块(8)、第二开通孔梯形块(9)与第一凸形配合块(13)、第二凸形配合块(14)之间通过第一开通孔梯形块(8)、第二开通孔梯形块(9)外侧斜面的一字形凸起和第一凸形配合块(13)、第二凸形配合块(14)内侧斜面的一字形凹槽连接,手柄(10)与预应力施加杆(7)通过预应力施加杆(7)上的十字形凹槽和手柄(10)上的十字形凸起连接。
6.一种如权利要求5所述的超磁致伸缩换能器连续可调预应力装置的操作方法,其特征在于,步骤如下:
(1)手柄(10)旋动预应力施加杆(7),带动两端与其连接的第一开通孔梯形块(8)、第二开通孔梯形块(9)向内滑动,使与梯形块紧密配合的第一凸形配合块(13)和第二凸形配合块(14)之间的距离变大;
(2)固定第二凸形配合块(14)位置,由于第一凸形配合块(13)和第二凸形配合块(14)之间的距离变大,与超磁致伸缩材料紧密接触的第一凸形配合块(13)将向超磁致伸缩材料传递对应大小的预应力;
(3)预应力装置给超磁致伸缩材料施加一定的预应力后,取下手柄(10),则可继续完成换能器后面的密封措施。
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