CN110124972B - 球柱组合型换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种球柱组合型换能器，其特征在于，包括水密胶封层(1)、球冠型压电元件(2)、圆柱型压电元件(3)、去耦结构(4)以及底座(5)；所述水密胶封层(1)和底座(5)合围形成第一空间；所述圆柱型压电元件(3)一端设置由球冠型压电元件(2)，另一端设置有去耦结构(4)；相连设置的球冠型压电元件(2)、圆柱型压电元件(3)以及去耦结构(4)整体设置在第一空间内；所述去耦结构(4)使用去耦材料制成。本发明通过球型陶瓷元件与圆柱型压电陶瓷组合的方法，使得宽频同时工作时，形成复合多模振动，从而使得换能器工作频带内的响应带宽达到一个倍频程。工艺结构简单易操作，工程应用性较强。
Description
技术领域
本发明涉及水声换能器设计领域，具体地，涉及一种球柱组合型换能器，尤其涉及一种球柱组合型宽带换能器。
背景技术
在水声领域中，随着现代军事和武器装配技术的发展，以及现代信号处理技术、电子技术、通信技术和计算机技术的日新月异，迫切需求宽带换能器，它能够提供更多的信息量进行处理，以提高图像识别的质量以及鱼雷自导的精度等。应用多频自导鱼雷技术，可在多个频率点进行收发，通过信号处理并采用逻辑判断，可大大提高鱼雷的抗干扰能力，更使命中率大幅度增加。在水声对抗与反对抗领域，为了能更逼真的模拟潜艇噪声，声诱饵和干扰器需要具有比鱼雷制导声基阵具有更宽的工作频带，才能引导鱼雷偏离本艇。在通讯声纳技术中，需要有宽带信号来支持对信号的编码，这就更促使宽带技术的发展和应用。用宽带合成孔径声纳，可以提高测绘速率，在一定程度上可减小运动误差带来的影响。B超成像技术和油田井底成像技术，则是通过对高频宽带信号进行成像处理，以提高图像的精度。宽频带换能器在水声领域中是探测通讯的关键器件，它的性能好坏直接关系着信号的传输，因此对军事和民用技术的发展都有重要意义。
通常在换能器发送电压响应曲线上，低于最大响应3dB的两个频率差定义为换能器的频带宽度。这个频带宽度△f主要由水听器的机械振动系统的品质因数Qm来确定，Qm＝f0/△f，它与换能器的材料、结构尺寸、机械损耗及辐射阻抗有关。目前仅利用单一振动模态的换能器很难做到机械品质因数Qm＜2(Qm为频率与带宽的比值)，即无法获得较宽的带宽。通常要想获得更宽的频带只有采用多模态耦合振动才能实现。
在水声换能器设计当中，通常利用圆柱或者球型换能器水平无指向性的特点制作水下发射声源。球型换能器不但可以实现较宽的垂直指向性，它还具有坚固的结构，可以承受的工作深度是相同直径和壁厚圆柱换能器的2倍，且波束宽度随频率变化不大，是一种较稳定的发射换能器。但球型换能器的响应带宽有限，在即需要垂直大开角指向性又需要宽带工作的情况下，现有的单一模态振动的球型换能器无法满足需求，需要将球型换能器半空间开角大的优点与宽带换能器的优点相结合，研制宽带的球型换能器。
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球柱组合型换能器。
根据本发明提供的一种球柱组合型换能器，包括水密胶封层、球冠型压电元件、圆柱型压电元件、去耦结构以及底座；
所述水密胶封层和底座合围形成第一空间；
所述圆柱型压电元件一端设置由球冠型压电元件，另一端设置有去耦结构；相连设置的球冠型压电元件、圆柱型压电元件以及去耦结构整体设置在第一空间内；
所述去耦结构使用去耦材料制成。
优选地，所述水密胶封层采用防水透声材料制成；所述水密胶封层厚度为5mm～10mm。
优选地，所述球冠型压电元件包括压电陶瓷和/或压电单晶；所述圆柱型压电元件包括压电陶瓷和/或压电单晶。
优选地，所述球冠型压电元件和/或圆柱型压电元件上设置有电极层；所述电极层设置在内壁和/或外壁；所述电极层包括金电极层、银电极层以及导电胶电极层中的任一种或任多种组合；所述球冠型压电元件和圆柱型压电元件这两者的电极并联连接，且两者
-一体铸模成型；或者
-粘接成型。
优选地，所述球冠型压电元件底圆的外径和圆柱型压电元件的外径相等，为20mm～100mm；所述球冠型压电元件的壁厚范围和圆柱型压电元件的壁厚范围均为1mm～10mm；所述球冠型压电元件的圆心角范围为160°～240°。
优选地，所述球冠型压电元件的球面顶部设置有第一通孔，所述第一通孔直径范围为3mm～10mm；所述第一通孔
-内部设置有去耦材料，所述去耦材料能够封堵第一通孔；或者
-内部空置，且外部的水密胶封层不能通过第一通孔进入球冠型压电元件内部。
优选地，所述去耦材料为硬质泡沫。
优选地，所述去耦结构上设置有定位槽；去耦结构能够通过定位槽实现与圆柱型压电元件和底座的定位；所述去耦结构和底座通过固定件固定连接；所述底座的材质为金属。
优选地，所述球柱组合型换能器还包括并联引线和输出电缆；所述去耦结构和底座上设置有穿线结构；所述穿线结构的尺寸不小于并联引线的外径；所述底座主要由导电材料制成；
所述并联引线一端与球冠型压电元件和/或圆柱型压电元件相连，另一端穿过穿线结构与输出电缆相连；所述输出电缆一端连接并联引线，另一端延伸至水密胶封层之外。
优选地，所述硬质泡沫密度范围为0.2×103kg/m3～0.8×103kg/m3；所述底座的材料为密度大于硬铝的金属材料。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的球柱组合型换能器，具有工艺结构简单、操作容易、工程应用性较强的优点；
2、本发明提供的球柱组合型换能器，通过球型陶瓷元件与圆柱型压电陶瓷组合的方法，使得两种压电陶瓷的谐振频率相互靠近并耦合，在较宽的频率范围内同时工作时，形成复合多模振动，从而使得换能器工作频带内的响应带宽达到一个倍频程。
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为本发明提供的球柱组合型换能器的结构示意图；
图2为本发明提供的球柱组合型换能器和传统球形换能器的电导对比曲线示意图；
图3为本发明提供的球柱组合型换能器和传统球形换能器的发送电压响应对比曲线示意图。
图中示出：
水密胶封层1
球冠型压电元件2
圆柱型压电元件3
去耦结构4
底座5
固定件6
输出电缆7
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。
根据本发明提供的一种球柱组合型换能器，包括水密胶封层1、球冠型压电元件2、圆柱型压电元件3、去耦结构4以及底座5；所述水密胶封层1和底座5合围形成第一空间；所述圆柱型压电元件3一端设置由球冠型压电元件2，另一端设置有去耦结构4；相连设置的球冠型压电元件2、圆柱型压电元件3以及去耦结构4整体设置在第一空间内；所述去耦结构4使用去耦材料制成。
具体地，所述水密胶封层1采用防水透声材料制成；所述水密胶封层1厚度为5mm～10mm。所述球冠型压电元件2包括压电陶瓷和/或压电单晶；所述圆柱型压电元件3包括压电陶瓷和/或压电单晶。所述球冠型压电元件2和/或圆柱型压电元件3上设置有电极层；所述电极层设置在内壁和/或外壁；所述电极层包括金电极层、银电极层以及导电胶电极层中的任一种或任多种组合；所述球冠型压电元件2和圆柱型压电元件3这两者的电极并联连接，且两者
-一体铸模成型；或者
-粘接成型。
所述球冠型压电元件2底圆的外径和圆柱型压电元件3的外径相等，为20mm～100mm；所述球冠型压电元件2的壁厚范围和圆柱型压电元件3的壁厚范围均为1mm～10mm；所述球冠型压电元件2的圆心角范围为160°～240°。所述球冠型压电元件2的球面顶部设置有第一通孔，所述第一通孔直径范围为3mm～10mm；所述第一通孔
-内部设置有去耦材料，所述去耦材料能够封堵第一通孔；或者
-内部空置，且外部的水密胶封层1不能通过第一通孔进入球冠型压电元件2内部。
更具体地，所述去耦材料为硬质泡沫。所述去耦结构4上设置有定位槽；去耦结构4能够通过定位槽实现与圆柱型压电元件3和底座5的定位；所述去耦结构4和底座5通过固定件6固定连接；所述底座5的材质为金属。所述球柱组合型换能器还包括并联引线和输出电缆7；所述去耦结构4和底座5上设置有穿线结构；所述穿线结构的尺寸不小于并联引线的外径；所述底座5主要由导电材料制成；所述并联引线一端与球冠型压电元件2和/或圆柱型压电元件3相连，另一端穿过穿线结构与输出电缆7相连；所述输出电缆7一端连接并联引线，另一端延伸至水密胶封层1之外。所述硬质泡沫密度范围为0.2×103kg/m3～0.8×103kg/m3；所述底座5的材料为密度大于硬铝的金属材料。
进一步地，本发明的优选例通过合理设计和选择球冠型压电元件2底圆的外径和圆心角，圆柱型压电元件3的外径，使压电元件的谐振频率相互靠近并耦合，在较宽的频率范围内同时工作，形成复合多模振动，有效的拓展换能器的工作带宽，可使得换能器工作频带内的响应带宽达到一个倍频程。工艺结构简单易操作，工程应用性较强。本发明优选例中，水密胶封层1的防水透声材料，选用聚氨酯或橡胶，其厚度为5mm～10mm；去耦结构4上设置的定位槽用于定位圆柱型压电元件3和底座5。
更进一步地，图1是本发明优选球柱组合型宽带换能器结构示意图，该球柱组合型宽带换能器包括水密胶封层1，球冠型压电元件2，圆柱型压电元件3，去耦结构4，底座5，固定件6，输出电缆7；水密胶封层1采用聚氨酯材料，厚度为5mm。球冠型压电元件2和圆柱型压电元件3为压电陶瓷P-4材质。其中，球冠型压电元件2的外径为42mm，厚度2.8mm，球冠型圆心角为180°，圆弧顶部开有直径5mm的圆型小口，小口处用直径5mm，厚度4mm的圆柱型硬质泡沫进行封堵，以免防水封胶层进入球冠内部。圆柱型压电元件4的外径为42mm，厚度2.8mm，高度为20mm。两种压电陶瓷元件通过环氧618粘接而成，放入80℃烘箱，4小时固化。两种压电陶瓷均为径向极化，内外壁均被银，电极之间并联。去耦结构4上设置定位槽，用于定位圆柱型压电元件3和底座5；去耦结构4和底座5通过固定件6固定连接。两种压电陶瓷元件的内壁电极并联引线，通过底部去耦结构4和底座5的穿线孔引出与输出电缆7的芯线正极连接，两种压电陶瓷元件的外壁电极并联引线，通过穿线孔引出与输出电缆7的芯线负极连接。输出电缆7的另一端伸出水密胶封层外。去耦材料4的材质为密度0.4×103kg/m3的硬质泡沫；底座5采用不锈钢材料。
图2为本发明优选球柱组合型宽带换能器与球形换能器的电导对比曲线，由图可知，球型换能器的谐振频率为23.5kHz，本发明球柱组合型宽带换能器实现的多模态耦合振动组合，频率为25kHz和38.5kHz，成功呈现了多模态振动效果。图3为本发明优选球柱组合型宽带换能器与球形换能器的发送电压响应对比曲线，采用本发明后，球冠型换能器的带宽由原来的50％拓展到80％，较好的实现了宽带效果。本发明既保证了球冠型换能器水平全向，垂直大开角的特点，又拓展了球型换能器的发送响应带宽，具有工程意义。
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 (10)
1.一种球柱组合型换能器，其特征在于，包括水密胶封层(1)、球冠型压电元件(2)、圆柱型压电元件(3)、去耦结构(4)以及底座(5)；
所述水密胶封层(1)和底座(5)合围形成第一空间；
所述圆柱型压电元件(3)一端设置有球冠型压电元件(2)，另一端设置有去耦结构(4)；相连设置的球冠型压电元件(2)、圆柱型压电元件(3)以及去耦结构(4)整体设置在第一空间内；
所述去耦结构(4)使用去耦材料制成。
2.根据权利要求1所述的球柱组合型换能器，其特征在于，所述水密胶封层(1)采用防水透声材料制成；所述水密胶封层(1)厚度为5mm～10mm。
3.根据权利要求1所述的球柱组合型换能器，其特征在于，所述球冠型压电元件(2)包括压电陶瓷和/或压电单晶；所述圆柱型压电元件(3)包括压电陶瓷和/或压电单晶。
4.根据权利要求3所述的球柱组合型换能器，其特征在于，所述球冠型压电元件(2)和/或圆柱型压电元件(3)上设置有电极层；所述电极层设置在压电陶瓷的内壁和/或外壁；所述电极层包括金电极层、银电极层以及导电胶电极层中的任一种或任多种组合；所述球冠型压电元件(2)和圆柱型压电元件(3)这两者的电极并联连接，且两者
-一体铸模成型；或者
-粘接成型。
5.根据权利要求1所述的球柱组合型换能器，其特征在于，所述球冠型压电元件(2)底圆的外径和圆柱型压电元件(3)的外径相等，为20mm～100mm；所述球冠型压电元件(2)的壁厚范围和圆柱型压电元件(3)的壁厚范围均为1mm～10mm；所述球冠型压电元件(2)的圆心角范围为160°～240°。
6.根据权利要求1所述的球柱组合型换能器，其特征在于，所述球冠型压电元件(2)的球面顶部设置有第一通孔，所述第一通孔直径范围为3mm～10mm；所述第一通孔
-内部设置有去耦材料，所述去耦材料能够封堵第一通孔；或者
-内部空置，且外部的水密胶封层(1)不能通过第一通孔进入球冠型压电元件(2)内部。
7.根据权利要求1或6所述的球柱组合型换能器，其特征在于，所述去耦材料为硬质泡沫。
8.根据权利要求1所述的球柱组合型换能器，其特征在于，所述去耦结构(4)上设置有定位槽；去耦结构(4)能够通过定位槽实现与圆柱型压电元件(3)和底座(5)的定位；所述去耦结构(4)和底座(5)通过固定件(6)固定连接；所述底座(5)的材质为金属。
9.根据权利要求1或4所述的球柱组合型换能器，其特征在于，所述球柱组合型换能器还包括并联引线和输出电缆(7)；所述去耦结构(4)和底座(5)上设置有穿线结构；所述穿线结构的尺寸不小于并联引线的外径；所述底座(5)主要由导电材料制成；
所述并联引线一端与球冠型压电元件(2)和/或圆柱型压电元件(3)相连，另一端穿过穿线结构与输出电缆(7)相连；所述输出电缆(7)一端连接并联引线，另一端延伸至水密胶封层(1)之外。
10.根据权利要求7所述的球柱组合型换能器，其特征在于，所述硬质泡沫密度范围为0.2×103kg/m3～0.8×103kg/m3；所述底座(5)的材料为密度大于硬铝的金属材料。
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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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