CN109982200B - 抑制圆柱换能器低频轴向声辐射的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种抑制圆柱换能器低频轴向声辐射的结构，包括金属上端盖，硬质去耦层，软质去耦层，压电陶瓷圆管，间隔去耦层，中轴支撑螺杆，金属下端盖，水密包覆层，输出电缆。金属上下端盖分别位于圆柱换能器两端，支撑圆柱换能器的端面；硬质去耦层和软质去耦层由外向内依次放置在金属盖板与陶瓷圆管接触面之间，用于消除振动的轴向传播，从而抑制低频时轴向声辐射；间隔去耦层位于多个压电陶瓷圆管之间，用于消除陶瓷管之间的相互影响；中轴支撑螺杆为双头螺纹中空螺杆，其与金属上下盖板用螺纹旋紧的方式紧固，以保证整体换能器的结构强度；水密包覆层包覆整个圆柱面，确保换能器的水下绝缘性能；电缆与金属下端盖通过橡胶硫化方式连接。

Description

抑制圆柱换能器低频轴向声辐射的结构
技术领域
本发明涉及水声换能器设计领域，具体地，涉及抑制圆柱换能器低频轴向声辐射的结构，是水声对抗器材边发边收技术应用的重要部件。
背景技术
在水声领域，圆柱换能器是较为常见的一种换能器类型，作为发射器具有功率容量大、电声效率高，结构简单的优点；作为水听器具有性能稳定、声压接收灵敏度高等优点，因此得到了广泛的应用，已成为许多声纳系统声基阵的基本基元。
对于圆柱压电陶瓷水声换能器，在水平方向上声能分布比较均匀，为全方向性；但随陶瓷圆管的径高比不同，换能器的垂直方向声能变化较为复杂，对于圆柱换能器垂直方向性的计算已经较为成熟。通常圆柱换能器的研究方法是通过短圆柱的理论公式选择符合要求的陶瓷圆环进行设计制作，忽略结构上的去耦材料和盖板的影响，仅对压电陶瓷环进行模态和谐响应分析后，对圆柱换能器按技术指标要求进行设计。然而当换能器的垂直开角满足要求，需要在低频抑制轴向声辐射，即在低频需要满足较大的垂直波束径轴比时，要考虑无源材料的结构和尺寸对换能器的影响。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种抑制圆柱换能器低频轴向声辐射的结构。
根据本发明提供的一种抑制圆柱换能器低频轴向声辐射的结构，包括：金属上端盖1、硬质去耦层2、软质去耦层3、压电陶瓷圆管4、间隔去耦层5、中轴支撑螺杆6、金属下端盖7、水密包覆层8、输出电缆9；
金属上端盖1、金属下端盖7之间连接有水密包覆层8；
压电陶瓷圆管4位于水密包覆层8内部；在轴向上，金属上端盖1与相邻的压电陶瓷圆管4之间，金属下端盖7与相邻的压电陶瓷圆管4之间，均由外向内依次放置有硬质去耦层2、软质去耦层3，以消除振动的轴向传播，抑制低频时轴向声辐射；
所述间隔去耦层5位于多个压电陶瓷圆管4之间，以消除压电陶瓷圆管之间的相互影响；
所述中轴支撑螺杆6为双头螺纹中空螺杆，与金属上端盖1、金属下端盖7分别用螺纹旋紧的方式紧固；
所述输出电缆9与金属下端盖7连接。
优选地，两至四个相同直径的压电陶瓷圆管4在结构上串联叠加，压电陶瓷圆管4外径48mm～58mm，高度15mm～20mm，压电陶瓷圆管4与压电陶瓷圆管4之间由间隔去耦层5隔断去耦，间隔去耦层5厚度2mm～4mm。
优选地，硬质去耦层2的材料为密度为0.4×103kg/m3的硬质泡沫；软质去耦层3的材料为密度为0.2×103kg/m3软木橡胶材料；硬质去耦层2的轴向厚度是软质去耦层3轴向厚度的两倍。
优选地，金属上端盖1、金属下端盖7采用的材质的密度大于硬铝的密度。
优选地，抑制轴向声辐射的工作频率为14kHz，最佳径轴比：声压径向/轴向≥6dB。
优选地，压电陶瓷圆管4均为径向极化，极化方向为内正外负。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)将厚度相差2倍的硬质去耦层和软质去耦层叠放在一起，放置在金属端盖与压电陶瓷圆管之间，有效的提高了换能器垂直波束中的径轴比，提高了声系统的隔离度，相比未采取该结构的换能器垂直方向性更好的实现了对轴向声压的抑制作用。
(2)由于这种改善的结构方式未改变换能器的有效声学元件的设计，所以除了对换能器垂直波束的径轴比改善以外，对换能器的其他声学性能没有造成影响，工程应用性显著增强。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例中圆柱换能器的结构示意图。
图2是采用本发明，改进结构前后的圆柱换能器垂直波束径轴比对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明在保证圆柱换能器基本声性能，在不改变陶瓷圆环尺寸的基础上，为了获得更高的圆柱换能器垂直波束径轴比，对无源材料的结构和尺寸,以及圆柱换能器中无源材料在低频的去耦和吸声作用进行研究，探索出一种对圆柱换能器轴向声辐射抑制较好的结构方式，可以有效提高圆柱换能器的垂直波束径轴比，从而提高系统的隔离度，更好的实现声学换能器边发边收的功能。
图1是所述抑制圆柱换能器低频轴向声辐射的结构，包括：金属上端盖1、硬质去耦层2、软质去耦层3、压电陶瓷圆管4、间隔去耦层5、中轴固定螺杆6、金属下端盖7、水密包覆层8、输出电缆9。其中本发明的金属上端盖1，其外径为50mm，中间轴心处有一个直径为10mm的圆台形突起，突起部分的高度为6mm，圆台的圆周外围攻有螺纹，以便安装中轴支撑螺杆。硬质去耦层2和软质去耦层3均为圆环形结构，其外径为50mm与金属外径相同，其内径为12mm与中轴固定螺杆外径相同，硬质去耦层2的厚度是4mm，软质去耦层3的厚度是2mm，主要用于消除陶瓷圆管的轴向振动和对外的轴向声辐射。实物换能器的有效压电器件由3个高度为20mm，外径50mm，壁厚2mm的压电陶瓷圆管4组成，压电陶瓷圆管均为径向极化，极化方向为内正外负。每个陶瓷圆管之间由间隔去耦层5隔开，用于消除陶瓷圆管之间振动的相互影响。压电陶瓷圆管的内壁电极并联引线，引线通过中轴支撑螺杆6侧壁上约为3mm直径的小孔与电缆9芯线的正极连接；圆管的外壁电极并联引线，与电缆9芯线的负极连接。中轴支撑螺杆为双头螺纹中空螺杆，外径24mm，内径20mm，与金属上下盖板用螺纹旋紧的方式紧固，以保证整体换能器的结构强度；金属下端盖7的圆柱轴心有直径8.5mm的通孔，以便电缆9的芯线可以穿过通孔与压电陶瓷的正负极引线连接；金属下端盖7与金属上端盖1有相同的圆台结构，突起部分的高度为6mm，圆台的圆周外围攻有螺纹，以便与中轴支撑螺杆进行螺纹配合；金属下端盖7的另外一端留有直径10mm的电缆头硫化接口；水密包覆层8覆盖整个圆柱面，水密层厚度为3mm；输出电缆9为直径8mm的两芯带屏蔽橡胶电缆，电缆与金属下端盖的电缆头通过橡胶硫化方式连接。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种抑制圆柱换能器低频轴向声辐射的结构，其特征在于，包括：金属上端盖(1)、硬质去耦层(2)、软质去耦层(3)、压电陶瓷圆管(4)、间隔去耦层(5)、中轴支撑螺杆(6)、金属下端盖(7)、水密包覆层(8)、输出电缆(9)；
金属上端盖(1)、金属下端盖(7)之间连接有水密包覆层(8)；
压电陶瓷圆管(4)位于水密包覆层(8)内部；在轴向上，金属上端盖(1)与相邻的压电陶瓷圆管(4)之间，金属下端盖(7)与相邻的压电陶瓷圆管(4)之间，均由外向内依次放置有硬质去耦层(2)、软质去耦层(3)，以消除振动的轴向传播，抑制低频时轴向声辐射；
所述间隔去耦层(5)位于多个压电陶瓷圆管(4)之间，以消除压电陶瓷圆管之间的相互影响；
所述中轴支撑螺杆(6)为双头螺纹中空螺杆，与金属上端盖(1)、金属下端盖(7)分别用螺纹旋紧的方式紧固；
所述输出电缆(9)与金属下端盖(7)连接；
硬质去耦层(2)的轴向厚度是软质去耦层(3)轴向厚度的两倍。
2.根据权利要求1所述的抑制圆柱换能器低频轴向声辐射的结构，其特征在于，两至四个相同直径的压电陶瓷圆管(4)在结构上串联叠加，压电陶瓷圆管(4)外径48mm～58mm，高度15mm～20mm，压电陶瓷圆管(4)与压电陶瓷圆管(4)之间由间隔去耦层(5)隔断去耦，间隔去耦层(5)厚度2mm～4mm。
3.根据权利要求1所述的抑制圆柱换能器低频轴向声辐射的结构，其特征在于，硬质去耦层(2)的材料为密度为0.4×103kg/m3的硬质泡沫；软质去耦层(3)的材料为密度为0.2×103kg/m3软木橡胶材料。
4.根据权利要求1所述的抑制圆柱换能器低频轴向声辐射的结构，其特征在于，金属上端盖(1)、金属下端盖(7)采用的材质的密度大于硬铝的密度。
5.根据权利要求1所述的抑制圆柱换能器低频轴向声辐射的结构，其特征在于，抑制轴向声辐射的工作频率为14kHz，最佳径轴比：声压径向/轴向≥6dB。
6.根据权利要求1所述的抑制圆柱换能器低频轴向声辐射的结构，其特征在于，压电陶瓷圆管(4)均为径向极化，极化方向为内正外负。
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