CN109935223A - 一种超小尺寸低频发射换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超小尺寸低频发射换能器，属于声纳技术领域。所述换能器由若干条形振动单元排布构成阵列，用聚氨酯灌注形成，在所述阵列两端分别设有与其铰接的金属端盖夹紧固定；一个条形振动单元由若干振动模块从上向下依次固定在金属背板上构成；每个振动模块由两块压电陶瓷和夹在二者之间的金属电极片构成，两个振动模块之间夹有金属弹簧片，金属弹簧片固定在金属背板上，相邻两片金属弹簧片之间为两块极化方向相反的压电陶瓷。所述换能器采用新的结构振动方式，极大降低条形振动单元劲度系数，从而减小了低频发射换能器的体积和质量，具有较高发射声源级，能满足小平台低频远程水声通信的需求。

Description

一种超小尺寸低频发射换能器
技术领域
本发明涉及一种超小尺寸低频发射换能器，具体地说，涉及一种超小尺寸、可以发射低频水声信号的换能器，属于声纳技术领域。
背景技术
目前国内的低频换能器主要包括圆环形换能器、弯张换能器、纵向振动换能器和电动式换能器。由于物体的谐振频率的平方和劲度系数成正比，和质量成反比，因此水声通信使用的低频发射换能器大多体积大、质量大、，在潜浮标平台低频应用困难。在低频水声通信海上试验中，也由于其庞大的体积和重量，增加了试验难度。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种超小尺寸低频发射换能器，所述换能器采用新的结构振动方式，极大的降低了条形振动单元的劲度系数，从而减小了低频发射换能器的体积，减轻了质量，并且具有较好的发射声源级，能满足小平台低频远程水声通信的需求。
为实现本发明的目的，提供以下技术方案。
一种超小尺寸低频发射换能器，所述换能器的主要工作单元为条形振动单元，将若干相同的条形振动单元排布构成阵列，采用聚氨酯灌注形成一体结构，在条形振动单元形成的阵列两端分别设有与其铰链连接的上、下两个金属端盖，用于夹紧固定条形振动单元。所述阵列形状可以根据具体需求设计，例如：圆环阵、扇形阵、平面阵等。当所述换能器为圆环形结构时，若干条形振动单元排布形成圆环形阵列，所述金属端盖也为与条形振动单元形成的阵列端部相配合圆环形结构。
一个条形振动单元主要由若干个振动模块从上向下依次固定排布在金属背板上构成。每个振动模块由两块形状尺寸相同的压电陶瓷和夹在两块压电陶瓷之间的一片金属电极片构成，两个振动模块之间夹有一片金属弹簧片，金属弹簧片固定在金属背板上，相邻的两片金属弹簧片之间为两块极化方向相反的压电陶瓷；压电陶瓷、金属电极片和金属弹簧片之间用环氧树脂粘接固定；采用紧配合的方式，用金属箍将相邻两片金属弹簧片之间的压电陶瓷勒紧，起到施加预应力的作用；金属背板接出导线作为正极，所有的金属电极片用导线连接作为负极。
本发明所述一种超小尺寸低频发射换能器的工作方式及实现的有益效果如下：
所述换能器工作时，每个条形振动单元均以弯曲振动的模态工作，由于弯曲振动的谐振频率与长度的平方成反比，同时金属弹簧片的设计结构降低了条形振动单元的劲度系数，因此该换能器可以在较小的尺寸下达到较低的谐振频率；所述换能器的谐振频率为500Hz，发射声源级大于185dB，其质量可以做到小于10kg。
附图说明
图1为实施例1中一种超小尺寸低频发射换能器的结构示意图。
图2为实施例1所述换能器中一个条形振动单元的结构示意图。
图3为实施例1所述换能器中一个条形振动单元的局部结构示意图。
图4为实施例1所述换能器中一个条振动形单元的弯曲振动模态仿真图。
其中，1—条形振动单元，2—金属端盖，3—压电陶瓷，4—金属电极片，5—金属弹簧片，6—金属背板，7—金属箍
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种超小尺寸低频发射换能器，所述换能器的主要工作单元为条形振动单元1，将18个相同的条形振动单元1排布构成圆环形阵列，采用聚氨酯灌注形成一体结构，在条形振动单元1形成的阵列两端分别设有与其铰链连接的上、下两个金属端盖2，用于夹紧固定条形振动单元1；所述换能器为圆环形结构，所述金属端盖2为与条形振动单元1阵列端部相配合圆环形结构。
一个条形振动单元1主要由11个振动模块从上向下依次固定排布在金属背板6上构成，如图2所示。每个振动模块由两块形状尺寸相同的压电陶瓷3和夹在两块压电陶瓷3之间的一片金属电极片4构成，两个振动模块之间夹有一片金属弹簧片5，金属弹簧片5用螺钉固定在金属背板6上，相邻的两片金属弹簧片5之间为两块极化方向相反的压电陶瓷3；压电陶瓷3、金属电极片4和金属弹簧片5之间用环氧树脂粘接固定；采用紧配合的方式，用金属箍7将相邻两片金属弹簧片5之间的压电陶瓷3勒紧，起到施加预应力的作用，如图3所示；金属背板6接出导线作为正极，所有的金属电极片4用导线连接作为负极。
其中，22块压电陶瓷3为尺寸20×20×8mm的长方体，11片金属弹簧片5为尺寸20×20×8mm，11片金属电极片4为20×20×0.2mm，组成长度为266mm的一个条形振动单元1。
本实施例所述超小尺寸低频发射换能器工作时，每个条形振动单元1均以弯曲振动的模态工作，由于弯曲振动的谐振频率与长度的平方成反比，同时金属弹簧片5的设计结构降低了条形振动单元1的劲度系数，因此该换能器可以在较小的尺寸下达到较低的谐振频率。采用ANSYS仿真软件对其中一个条形振动单元1的仿真结果如图4所示，当采用PZT4压电陶瓷3，金属弹簧片5和金属背板6采用铜做材料时，所述换能器可以达到500Hz左右的谐振频率。

Claims (2)

1.一种超小尺寸低频发射换能器，其特征在于：所述换能器的主要工作单元为条形振动单元(1)，将若干相同的条形振动单元(1)排布构成阵列，采用聚氨酯灌注形成一体结构，在条形振动单元(1)形成的阵列两端分别设有与其铰链连接的上、下两个金属端盖(2)，用于夹紧固定条形振动单元(1)；
一个条形振动单元(1)主要由若干个振动模块从上向下依次固定排布在金属背板(6)上构成；每个振动模块由两块形状尺寸相同的压电陶瓷(3)和夹在两块压电陶瓷(3)之间的一片金属电极片(4)构成，两个振动模块之间夹有一片金属弹簧片(5)，金属弹簧片(5)固定在金属背板(6)上，相邻的两片金属弹簧片(5)之间为两块极化方向相反的压电陶瓷(3)；压电陶瓷(3)、金属电极片(4)和金属弹簧片(5)之间用环氧树脂粘接固定；采用紧配合的方式，用金属箍(7)将相邻两片金属弹簧片(5)之间的压电陶瓷(3)勒紧；金属背板(6)接出导线作为正极，所有的金属电极片(4)用导线连接作为负极。
2.根据权利要求1所述的一种超小尺寸低频发射换能器，其特征在于：若干条形振动单元(1)排布形成圆环形阵列结构形成圆环形换能器，金属端盖(2)为与条形振动单元(1)形成的阵列端部相配合圆环形结构。
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