CN110010113A - 径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种径向辐射的杰纳斯‑亥姆霍兹水声换能器。包括中间质量块、两个晶堆、两支预应力螺栓、两个喇叭形辐射盖板以及腔体，中间质量块、晶堆和喇叭形辐射盖板按次序粘接在一起，并通过预应力螺栓压紧对晶堆施加预应力，腔体通过金属杆与中间质量块刚性连接，还包括两个金属圆盘，两个金属圆盘分别固定在两个喇叭形辐射盖板前端。本发明能够降低混响、减少多途、提高声能利用率、拓宽频带的径向辐射。本发明可以应用于远程水声通信、低频水声实验、海洋声层析等技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种水声换能器，具体地说是一种Janus-Helmholtz水声换能器。
背景技术
声波是唯一能在海水中远距离传输的能量载体。因此能够在海水中发射声波的水声换能器在认识海洋、探索海洋的人类活动中角色至关重要。水声通信换能器是水下信息交互网络重要节点。在水声通信领域，针对远距离通信目标如无人自主水下航行器、长航时水下滑翔机等方位不确定的特点，通常要求水声通信换能器在径向(水平方向)不呈现指向性而在水平方向的辐射越小越好，即指向性图呈现∞字形状。
目前常见的水声通信换能器是溢流式圆环换能器。这种换能器结构简单，容易设计，制作工艺相对成熟，并且功率容量大、频带宽、能够深水工作。众多优势使其广泛应用于各种水声通信机、声纳浮标、潜标以及水下自主无人航行器(AUV)等平台上。然而溢流式圆环换能器也有很多不足之处，其溢流结构导致其内外辐射面均向外辐射声能，在声场中声压反相抵消，导致辐射效率较低。
另一种大功率水声通信换能器是Janus-Helmholtz换能器，例如：低频大功率Janus-Helmholtz换能器的设计(《陕西师范大学学报(自然科学版)》2013年11月第41卷第6期)、(Janus-Helmholtz水声换能器理论问题研究-《哈尔滨工程大学学报》2015年7月第36卷第7期)中公开的换能器等。这种换能器通过Janus换能器的纵向谐振和Helmholtz谐振实现低频、宽带辐射，并且这两种模态拥有很高的功率容量，能够大功率辐射声能。但是，如图3可知，通过传统Janus换能器驱动的通信换能器，其辐射模式类似于纵向四极子，声能更集中于轴向方向(90°)，在应用中存在海底海面混响、多途干扰严重的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够降低混响、减少多途、提高声能利用率、拓宽频带的径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器。
本发明的目的是这样实现的：包括中间质量块、两个晶堆、两支预应力螺栓、两个喇叭形辐射盖板以及腔体，中间质量块、晶堆和喇叭形辐射盖板按次序粘接在一起，并通过预应力螺栓压紧对晶堆施加预应力，腔体通过金属杆与中间质量块刚性连接，还包括两个金属圆盘，两个金属圆盘分别固定在两个喇叭形辐射盖板前端。
本发明还可以包括：
1.金属圆盘通过粘接固定在喇叭形辐射盖板前端。
2.金属圆盘的周边通过螺丝固定在喇叭形辐射盖板前端。
3.腔体为圆柱壳腔体，圆柱壳腔体的两端与两个喇叭形辐射盖板有间隔，形成两个辐射口。
本发明包括一只Janus换能器，还包括一个圆柱壳腔体、以及连接弯曲式Janus换能器与腔体的支撑结构。本发明的两个金属圆盘分别固定在Janus换能器的两个喇叭形辐射盖板前端，构成弯曲式Janus换能器。
本发明的弯曲式Janus水声换能器，包括一个中间质量块、两个晶堆、两支预应力螺栓、两个喇叭形辐射盖板以及两个金属圆盘，中间质量块、晶堆和喇叭形辐射盖板按次序粘接在一起，通过预应力螺栓压紧起到对晶堆施加预应力的作用，最后将两个金属圆盘固定在辐射盖板前端，通过Janus换能器驱动金属圆盘做弯曲振动，实现低频、径向发射。
所述的晶堆可以由压电陶瓷圆片粘接而成，也可以由稀土超磁致伸缩材料粘接而成。
所述的圆柱壳腔体嵌套在整个弯曲式Janus换能器的几何中心位置，换能器入水后腔体构成两端开口的圆柱形Helmholtz共振腔，相比较于弯曲圆盘的谐振频率，共振腔谐振处在高频，用于拓宽工作频带。
所述的圆柱壳腔体通过若干金属杆与中间质量块刚性连接，圆柱壳腔体与其他部件无刚性接触。
本发明的目的是通过在Janus换能器的喇叭形辐射盖板前端设置弯曲金属圆盘，使Janus换能器辐射的声能集中于径向方向，使它在降低混响、减少多途、提高声能利用率等方面拥有更强的优势，同时利用液腔的谐振达到拓宽频带的作用。
本发明的低频宽带水声通信换能器，由于弯曲振动模式本身具有低频辐射的特性，利用Janus换能器的纵向振动驱动弯曲圆盘作弯曲振动，从而实现更低的工作频率。
本发明克服了传统Janus换能器径向辐射能力弱的缺点，如图3a-至图3c所示，传统形式Janus换能器辐射模式类似纵向四极子系统，从图3c可以看出，其辐射声能集中于轴向，而径向方向声能微弱；本发明利用体积速度更大的弯曲谐振模态，形成Janus换能器辐射盖板前后两端的源强度差，如图4a至图4c所示，本发明将传统Janus换能器的纵向四极子辐射模式变为不等幅四元阵辐射模式，改变了换能器的垂直方向声场指向性，使声能量更集中于径向方向，有利于抑制传播过程中的多途干扰问题。
本发明克服了传统的Janus换能器无法实现宽带发射的缺点，利用弯曲振动的一阶弯曲模态、二阶弯曲模态和Helmholtz腔共振模态形成多模耦合宽带发射特性，如图5所示为换能器的发送电压响应曲线，可以实现多模态谐振耦合宽带发射。
本发明可以应用于远程水声通信、低频水声实验、海洋声层析等技术领域。
附图说明
图1是本发明的弯曲式Janus-Helmholtz换能器的剖视图。
图2是本发明的弯曲式Janus-Helmholtz换能器的立体图。
图3a是传统Janus换能器结构示意图，图3b是纵向四极子辐射模式，图3c是传统Janus换能器指向性。
图4a是径向辐射的Janus换能器结构示意图，图4b是不等幅四元阵辐射模式，图4c是径向辐射的Janus换能器指向性。
图5是本发明的弯曲式Janus-Helmholtz换能器的发送电压响应曲线示意图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
参考图1，本发明中的弯曲式Janus换能器由一个中间质量块1、两个晶堆2、两个喇叭形辐射盖板3、两只聚四氟乙烯圆筒4、两只预应力螺栓5及两个金属圆盘6组成。中间质量块1、晶堆2和辐射盖板3之间用导电环氧胶粘接；晶堆2内部穿入聚四氟乙烯圆筒4用于定位，防止晶堆中的压电陶瓷片之间产生偏移；再穿入预应力螺栓5压紧并粘接，对晶堆2施加预应力；最后在喇叭形辐射盖板3前端盖上金属圆盘6，通过螺丝紧固，同时用环氧胶粘接牢靠。
参考图1，中间质量块1周向设置有指向圆心的螺纹孔，以方便安装连接Janus换能器与圆柱壳腔体10的支撑杆9。
参考图1，晶堆2由偶数片压电陶瓷圆片使用环氧树脂粘接而成，相邻的两片压电陶瓷圆片极化方向相反。压电陶瓷圆片之间设置薄电极片，压电陶瓷圆片在电路上并联连接。晶堆2一端粘接中间质量块1、另一端粘接喇叭形辐射盖板3。
参考图1，晶堆2外围包覆硫化橡胶层7，用于密封；硫化橡胶层也可用环氧树脂、聚氨酯等其他密封材料代替。
参考图1，中间质量块1和喇叭形辐射盖板3与晶堆2的连接端环侧设有若干条灌封凹槽，优化密封效果。
参考图1，电缆8从硫化橡胶层7中引出，连接晶堆2中的正负电极；也可在中间质量块1中打孔穿线，安装水密连接插座，通过水密连接装置实现电缆8与晶堆2的连接。
参考图1，喇叭形辐射盖板3和金属圆盘6可以由轻质金属如铝合金、钛合金制成，二者端面使用环氧胶粘接，并设置一圈螺丝进行紧固，在实现密封的同时使力的传递效果更佳；为了优化密封效果，也可以设置密封槽，安装密封圈。
参考图2，圆柱壳腔体10设置在整个换能器的几何中心位置，通过支撑杆9直接刚性连接至中间质量块1，入水后圆柱壳腔体10之间形成Helmholtz共振腔。
换能器工作时，晶堆2上施加交变电压，压电陶瓷圆片在交变电场的激励下产生厚度方向的伸缩振动，体现在整个晶堆2即是纵向的伸缩振动，激励喇叭形辐射盖板3做活塞式振动；辐射盖板3的前端将力传递到金属圆盘6上，激励金属圆盘做弯曲振动，向水中辐射声能；同时，辐射盖板3背端也向水中辐射声能，并激励Helmholtz共振腔振动。
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。尽管参照实施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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器，包括中间质量块、两个晶堆、两支预应力螺栓、两个喇叭形辐射盖板以及腔体，中间质量块、晶堆和喇叭形辐射盖板按次序粘接在一起，并通过预应力螺栓压紧对晶堆施加预应力，腔体通过金属杆与中间质量块刚性连接，其特征是：还包括两个金属圆盘，两个金属圆盘分别固定在两个喇叭形辐射盖板前端。
2.根据权利要求1所述的径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器，其特征是：金属圆盘通过粘接固定在喇叭形辐射盖板前端。
3.根据权利要求1或2所述的径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器，其特征是：金属圆盘的周边通过螺丝固定在喇叭形辐射盖板前端。
4.根据权利要求1或2所述的径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器，其特征是：腔体为圆柱壳腔体，圆柱壳腔体的两端与两个喇叭形辐射盖板有间隔，形成两个辐射口。
5.根据权利要求3所述的径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器，其特征是：腔体为圆柱壳腔体，圆柱壳腔体的两端与两个喇叭形辐射盖板有间隔，形成两个辐射口。
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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 | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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