CN110285880A - 一种基于液腔结构的低频宽带高灵敏度水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液腔结构的低频宽带高灵敏度水听器，主要包括压电陶瓷圆管等，圆桶与径向极化的压电陶瓷圆管之间通过去耦垫片去耦，压电陶瓷圆管置于圆桶的底部，压电陶瓷圆管内侧壁接收声压信号，水听器内腔采用溢流结构设计，压电陶瓷圆管与圆桶之间采用空气背衬的形式以避免工作于静水压模式，压电陶瓷圆管顶端与圆桶之间通过安装端盖密封，压电陶瓷圆管内外壁的合适位置焊接正负极引线。本发明主要由压电陶瓷圆管配合适当的无源材料构成，通过两个共振频率不同的液腔模态和二者之间的压电陶瓷圆管径向振动模态耦合工作来提高接收灵敏度和工作带宽；结构简单，工艺过程简单可控，易于工程实现。
Description
技术领域
本发明涉及水声换能器的领域，具体涉及一种基于液腔结构的低频宽带高灵敏度水听器。
背景技术
水声换能器是用于发射和接收声波的器件，按照功能可分为发射换能器、接收换能器和收发合置换能器。其中，接收换能器在水声学中通常称为水听器。低频宽带高灵敏度水听器的研制是增加声纳作用距离，提高声纳系统可靠性的技术关键，在水声避碰、水声通讯、水声遥控、鱼雷自导、水声应答、水雷声引信、声诱饵等很多军用和民用方向都有迫切的应用需求。
水声技术的快速发展，对换能器的性能指标提出越来越高的要求。对水听器而言，最重要的指标莫过于接收灵敏度。更高的灵敏度意味着更远的工作距离、更低的检测阈值。为提高水听器灵敏度，水声学者提出多种增敏结构，如带有空气背衬的复合棒水听器、罐式水听器、钹式水听器等。这些增敏结构大多借鉴于类似结构的发射换能器结构，因此也继承了它们的特点。
大部分水声应用对换能器都有带宽要求，因为较宽带宽能带来很多好处。首先，宽带换能器的工作频率覆盖较宽的频率范围，避免了不同频段需要不同换能器工作的问题，大大降低系统的复杂性、降低成本。无论是水声探测还是水声通信，都基于一定带宽的声波信号，信号的频段越宽所能携带的信息量也就越多。宽带发射或接收的换能器，能支持多通道调频编码，单位时间所发射或者接收的信息量大，传递效率高。同时，调频信号也使水声遥控指令可加靠性更高且不易被破解。而在目标识别、多频自导、声诱饵等应用中，换能器的工作带宽越宽，越能准确地捕捉或者模拟目标的声学特性。总之，拓展换能器的工作带宽对多种水声应用都甚有裨益，因此一直是换能器设计的一个重点研究方向。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于液腔结构的低频宽带高灵敏度水听器。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种基于液腔结构的低频宽带高灵敏度水听器，主要包括圆桶、端盖、去耦垫片、电缆硫化接口、压电陶瓷圆管、空气背衬、正负极引线，圆桶与径向极化的压电陶瓷圆管之间通过去耦垫片去耦，压电陶瓷圆管置于圆桶的底部并且压电陶瓷圆管上下端面和外侧壁被金属壳体屏蔽，压电陶瓷圆管内侧壁接收声压信号，水听器内腔采用溢流结构设计，压电陶瓷圆管与圆桶之间采用空气背衬的形式以避免工作于静水压模式，压电陶瓷圆管顶端与圆桶之间通过安装端盖密封，压电陶瓷圆管内外壁的合适位置焊接正负极引线，正负极引线的自由端穿过电缆硫化接口并连接水密电缆。
所述压电陶瓷圆管表面做相应的水密处理。
水听器处于流体声场中时，整个圆桶内的液柱将被激发出一个频率较低的液腔模态A，而被压电陶瓷圆管包围的流体所形成的液柱则产生一个频率较高的液腔模态B。
所述液腔模态A和液腔模态B所在两个液腔并联连接，又同时与压电陶瓷圆管串联，调整圆桶的结构尺寸能控制这两个液腔中模态出现的频率，使其与压电陶瓷圆管的径向谐振较好地衔接起来，形成有效的工作模态耦合。
所述圆桶底部设有底部圆孔。
所述圆桶的半径具有均匀、分段均匀和渐变的不同设计形式,其底部和桶壁设计有开孔、开缝以调节各个模态的频率和强度，其材料为不锈钢、钛合金等金属材料和纤维、玻璃纤维等高强度非金属材料。
所述压电陶瓷圆管的直径、高度、壁厚类尺寸、材料类型和数量设计为可变的，压电陶瓷圆管在圆桶中的位置也设计为可以根据需求进行调节。
所述端盖、去耦垫片、压电陶瓷圆管的外露表面采用聚氨酯水密橡胶灌封。
本发明的有益效果为：本发明是一种压电陶瓷圆管和液腔结构耦合工作的低频宽带高灵敏度水听器，主要由压电陶瓷圆管配合适当的无源材料构成，通过两个共振频率不同的液腔模态和二者之间的压电陶瓷圆管径向振动模态耦合工作来提高接收灵敏度和工作带宽；利用液腔结构实现在低频段的高灵敏度接收，并通过多模态耦合方式实现宽带工作；水听器样机实现了1.5kHz-12kHz三个倍频程以上的低频宽带高灵敏度接收；结构简单，工艺过程简单可控，易于工程实现；可用于水声通讯、水声遥控、水声应答、声引信、鱼雷自导、声诱饵等多种军事、民用应用。
附图说明
图1为本发明的声学结构示意图。
图2为本发明的机械结构剖面图。
图3为本发明与同尺寸陶瓷圆管水听器灵敏度曲线仿真对比图。
图4为本发明的灵敏度实测曲线图。
附图标记说明：圆桶1、端盖2、去耦垫片3、电缆硫化接口4、压电陶瓷圆管5、空气背衬6、底部圆孔7、液腔模态A8、液腔模态B9、正负极引线10。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例：如附图所示，这种基于液腔结构的低频宽带高灵敏度水听器，主要包括圆桶1、端盖2、去耦垫片3、电缆硫化接口4、压电陶瓷圆管5、空气背衬6、正负极引线10，圆桶 1底部设有底部圆孔7。圆桶1与径向极化的压电陶瓷圆管5之间通过去耦垫片3去耦，压电陶瓷圆管5置于圆桶1的底部并且压电陶瓷圆管5上下端面和外侧壁被金属壳体屏蔽，压电陶瓷圆管5内侧壁接收声压信号，水听器内腔采用溢流结构设计，压电陶瓷圆管5与圆桶1 之间采用空气背衬6的形式以避免工作于静水压模式，压电陶瓷圆管5顶端与圆桶1之间通过安装端盖2密封，压电陶瓷圆管5表面做相应的水密处理。压电陶瓷圆管5内外壁的合适位置焊接正负极引线10，正负极引线10的自由端穿过电缆硫化接口4并连接水密电缆。水听器处于流体声场中时，整个圆桶1内的液柱将被激发出一个频率较低的液腔模态A8，而被压电陶瓷圆管5包围的流体所形成的液柱则产生一个频率较高的液腔模态B9。液腔模态A8 和液腔模态B9所在两个液腔并联连接，又同时与压电陶瓷圆管5串联，调整圆桶1的结构尺寸能控制这两个液腔中模态出现的频率，使其与压电陶瓷圆管5的径向谐振较好地衔接起来，形成有效的工作模态耦合。
圆桶1的半径具有均匀、分段均匀和渐变的不同设计形式,其底部和桶壁设计有开孔、开缝以调节各个模态的频率和强度，其材料为不锈钢、钛合金等金属材料和纤维、玻璃纤维等高强度非金属材料。
压电陶瓷圆管5的直径、高度、壁厚类尺寸、材料类型和数量设计为可变的，压电陶瓷圆管5在圆桶1中的位置也设计为可以根据需求进行调节。
端盖2、去耦垫片3、压电陶瓷圆管5的外露表面采用聚氨酯水密橡胶灌封
本发明具体实施步骤：
(1)在压电陶瓷圆管5的上下端面均匀涂抹环氧树脂粘接剂后，将去耦垫片3粘接于压电陶瓷圆管5的上下端面上，放入烘箱恒温放置数小时待粘接完全固化。
(2)将压电陶瓷圆管5放进圆桶1内，调整位置使二者同圆心，可在圆桶1上设计定位槽以便于压电陶瓷圆管5的位置。
(3)在压电陶瓷圆管5内外壁的合适位置分别焊接正负极引线10，正负极引线10自由端穿过电缆硫化接口4。
(4)安装端盖2密封，端盖2与圆桶1之间用螺纹配合，旋进端盖2时应注意不宜过紧，防止对压电陶瓷圆管5施加过大的纵向压力。
(5)用聚氨酯水密橡胶将端盖2、去耦垫片3、压电陶瓷圆管5的外露表面灌封。
(6)将电缆正负极分别与正负极引线10自由端的正负极焊接，通过硫化工艺将电缆固定于电缆硫化接口4上。
另外合理的结构和尺寸设计是本发明实现的必要条件。设计的原则是使低频液腔模态、压电陶瓷圆管5径向振动模态以及高频液腔模态形成有效的正向叠加耦合和良好的衔接。其中较为关键的尺寸为圆桶1的长度、圆桶1底圆孔的直径、压电陶瓷圆管5的直径和高度等。
本发明设计原理：一般来说，高响应与宽带的要求是相互矛盾的——机械品质因数Q值高，峰值响应就高，带宽就很窄——液腔谐振就有这样的特点。传统的水听器都工作在远低于基频谐振的平坦频段，因此很容易满足带宽需求，而现在要利用液腔谐振来提高接收灵敏度，则不得不面带宽设计的问题。借鉴发射换能器的设计经验，拓展带宽的方法主要有调整单谐振峰Q值、附加匹配层和采用多个模态耦合工作等几种。其中多模耦合技术是通过选取合适的换能器结构及几何尺寸同时激发出换能器两个及以上振动模态，各模特相互耦合工作可以大幅度展宽带宽。多模态耦合技术常用的振动模态有纵振动、径向振动、弯曲振动、液腔谐振等。被结构包围的有限体积的水体，在受到适当频率的外部激励时，会产生强烈的共振现象，这种现象是亥姆霍兹共振原理在水中的表现形式。在水声换能器中，包围一定水体的结构通常称为“液腔结构”，对应的共振模态称为“液腔模态”。因为天然具有共振频率低、响应高、结构简单等优点，液腔模态被广泛应用于发射换能器设计中。根据声学互易原理，对发射换能器有效的技术手段也会对水听器有效。本发明即利用液腔模态来提高水听器的接收灵敏度。
本发明性能表现：附图4是本发明与相同压电陶瓷圆管尺寸的传统结构圆管水听器的接收灵敏度曲线仿真对比。从图中曲线可以看出：本发明的接收灵敏度曲线上有三个谐振峰，它们从低到高分别与低频液腔模态、压电陶瓷圆管5径向模态、高频液腔模态对应。这三个振动模态在超过两个倍频程的带宽上大大提高了水听器的接收灵敏度。附图4是本发明样机的实测灵敏度曲线，与仿真计算结果吻合良好。可见该水听器结构具有低频、宽带和高灵敏度的特点。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于液腔结构的低频宽带高灵敏度水听器，其特征在于：主要包括圆桶(1)、端盖(2)、去耦垫片(3)、电缆硫化接口(4)、压电陶瓷圆管(5)、空气背衬(6)、正负极引线(10)，圆桶(1)与径向极化的压电陶瓷圆管(5)之间通过去耦垫片(3)去耦，压电陶瓷圆管(5)置于圆桶(1)的底部并且压电陶瓷圆管(5)上下端面和外侧壁被金属壳体屏蔽，压电陶瓷圆管(5)内侧壁接收声压信号，水听器内腔采用溢流结构设计，压电陶瓷圆管(5)与圆桶(1)之间采用空气背衬(6)的形式以避免工作于静水压模式，压电陶瓷圆管(5)顶端与圆桶(1)之间通过安装端盖(2)密封，压电陶瓷圆管(5)内外壁的合适位置焊接正负极引线(10)，正负极引线(10)的自由端穿过电缆硫化接口(4)并连接水密电缆。
2.根据权利要求1所述的基于液腔结构的低频宽带高灵敏度水听器，其特征在于：所述压电陶瓷圆管(5)表面做相应的水密处理。
3.根据权利要求1所述的基于液腔结构的低频宽带高灵敏度水听器，其特征在于：水听器处于流体声场中时，整个圆桶(1)内的液柱将被激发出一个频率较低的液腔模态A(8)，而被压电陶瓷圆管(5)包围的流体所形成的液柱则产生一个频率较高的液腔模态B(9)。
4.根据权利要求3所述的基于液腔结构的低频宽带高灵敏度水听器，其特征在于：所述液腔模态A(8)和液腔模态B(9)所在两个液腔并联连接，又同时与压电陶瓷圆管(5)串联，调整圆桶(1)的结构尺寸能控制这两个液腔中模态出现的频率，使其与压电陶瓷圆管(5)的径向谐振较好地衔接起来，形成有效的工作模态耦合。
5.根据权利要求1所述的基于液腔结构的低频宽带高灵敏度水听器，其特征在于：所述圆桶(1)底部设有底部圆孔(7)。
6.根据权利要求1或5所述的基于液腔结构的低频宽带高灵敏度水听器，其特征在于：所述圆桶(1)的半径具有均匀、分段均匀和渐变的不同设计形式,其底部和桶壁设计有开孔、开缝以调节各个模态的频率和强度。
7.根据权利要求1所述的基于液腔结构的低频宽带高灵敏度水听器，其特征在于：所述端盖(2)、去耦垫片(3)、压电陶瓷圆管(5)的外露表面采用聚氨酯水密橡胶灌封。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190927 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |