CN110619863A - 一种低频窄波束水声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水声换能器领域，具体涉及一种低频窄波束水声换能器，包括顶部设有开口的外壳，所述外壳开口处紧密连接有透声橡胶，所述透声橡胶下端面粘接有薄圆板，所述薄圆板的下端面固定连接有准周期结构换能器；所述准周期结构换能器连接有正极引线与负极引线一端，所述外壳的底部设有引出正极引线与负极引线的开孔，所述正极引线与负极引线的另一端套设有防水电缆；本装置通过选择不同的非压电材料可以获得不同谐振频率的换能器，通过调节薄圆板的直径，控制换能器谐振频率处的发射电压响应值与波束宽度，便于使用，造价低廉。
Description
技术领域
本发明属于水声换能器领域，涉及一种低频窄波束水声换能器。
背景技术
随着有限元分析方法在换能器设计中的不断运用，各种新理论、新结构的水声换能器层出不穷，然而压电式换能器仍是当前水声换能器研究的重点。水下声学主要研究水声的发射、传播、接收、处理和水下信息传递技术，利用声波在水中的传播，可以实现对水中目标的探测、定位、识别、跟踪以及水下通信等，而且对航运、鱼探、海底资源的开发等也具有重要的意义。随着安静型潜艇被开发，水下探测技术面临挑战，使换能器朝着低频、大功率、宽带方向发展，同时为了携带方便朝着小尺寸方向发展。低频换能器的设计主要有弯曲振动低频换能器、弯张换能器、腔结构低频换能器和溢流式换能器等。
在利用声波进行水下探测时，声波是由换能器晶片的振动产生，而声波的波束宽度越窄，表示声场能量越集中，因此设计窄波束的换能器对提高水下探测的范围和精度、提高成像的分辨率具有较好的作用。波束宽度(指向性开角)是指指向性主波瓣中，幅度由最大值降低3dB、6dB等时对应的方向之间夹角，分别称为-3dB波束宽度、-6dB波束宽度等。换能器波束宽度的大小与换能器辐射面的尺寸有关，当频率一定时，较大孔径的换能器所产生辐射声场的波束宽度较小；反之，较小的孔径则对应较大的波束宽度。通过改变换能器辐射面的振速分布，可以控制换能器辐射声场的波束宽度，从而在较小的孔径尺寸下，实现较小的波束宽度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种低频窄波束水声换能器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种低频窄波束水声换能器，包括顶部设有开口的外壳，所述外壳开口处紧密连接有透声橡胶，所述透声橡胶下端面粘接有薄圆板，所述薄圆板的下端面固定连接有准周期结构换能器；所述准周期结构换能器连接有正极引线与负极引线一端，所述外壳的底部设有引出正极引线与负极引线的开孔，所述正极引线与负极引线的另一端套设有防水电缆。
进一步的，所述准周期结构换能器包括：上端柱、多个压电陶瓷片、多个非压电材料与下端柱，所述上端柱的下端面开设有螺栓孔，所述螺栓孔连接有螺栓，所述螺栓由上至下依次套设有交替排列的多个压电陶瓷片与多个非压电材料，所述螺栓下端套设有下端柱，所述下端柱的下方设有与螺栓相配合的紧固螺母；所述多个压电陶瓷片与多个非压电材料为准周期结构，且相邻的压电陶瓷片的极化方向相反，所述多个压电陶瓷片一面连接正极引线，另一面连接负极引线。
进一步的，所述外壳内部填充有聚氨酯泡沫，用于定位和悬浮准周期结构换能器。
进一步的，所述外壳底部开孔的下方设有密封橡胶盖，所述密封橡胶盖固定连接于外壳底部，所述密封橡胶盖设有供防水电缆伸出的过孔。
进一步的，所述外壳采用铝合金制成。
进一步的，所述上端柱采用铝制成，下端柱采用钢制成。
进一步的，所述螺栓和紧固螺帽采用钢制成。
进一步的，所述薄圆板采用铝制成，厚度为2mm。
进一步的，所述压电陶瓷片与非压电材料均为圆环形，其外径与上端柱和下端柱的直径相同，且压电陶瓷片采用PZT-4压电陶瓷制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的低频窄波束水声换能器在外加电压信号的激励下做纵向振动并向外辐射声波能量，通过选择不同的非压电材料可以获得不同谐振频率的换能器。在换能器的辐射端添加薄圆板，换能器的纵向振动传递到薄圆板会使其产生弯曲振动，通过调节薄圆板的直径，控制换能器谐振频率处的发射电压响应值与波束宽度，实现低频窄波束的小尺寸水声换能器，整体结构及制作工艺简单且成本低。
附图说明
图1为本发明低频窄波束水声换能器的结构示意图。
图2为夹心式压电换能器的振型图。
图3为夹心式压电换能器在水中的发射电压响应曲线图。
图4为夹心式压电换能器在水中的指向性图。
图5为非压电材料为铝时，同尺寸准周期结构换能器的振型图。
图6为非压电材料为钢时，同尺寸准周期结构换能器的振型图。
图7为非压电材料为聚酰亚胺时，同尺寸准周期结构换能器的振型图。
图8为非压电材料为尼龙时，同尺寸准周期结构换能器的振型图。
图9为非压电材料为尼龙时，同尺寸准周期结构换能器在水中的发射电压响应曲线图。
图10为非压电材料为尼龙时，同尺寸准周期结构换能器在水中的指向性图。
图11为薄圆板直径为57mm时，低频窄波束水声换能器的振型图。
图12为薄圆板直径为57mm时，低频窄波束水声换能器在水中的声压图。
图13为薄圆板直径为57mm时，低频窄波束水声换能器在水中的声压级图。
图14为薄圆板直径为57mm时，低频窄波束水声换能器在水中的发射电压响应曲线图。
图15为薄圆板直径为57mm时，低频窄波束水声换能器在水中的指向性图。
图16为薄圆板直径为40mm时，低频窄波束水声换能器在水中的发射电压响应曲线图。
图17为薄圆板直径为40mm时，低频窄波束水声换能器在水中的指向性图。
图18为薄圆板直径为50mm时，低频窄波束水声换能器在水中的发射电压响应曲线图。
图19为薄圆板直径为50mm时，低频窄波束水声换能器在水中的指向性图。
图20为薄圆板直径为55mm时，低频窄波束水声换能器在水中的发射电压响应曲线图。
图21为薄圆板直径为55mm时，低频窄波束水声换能器在水中的指向性图。
图22为薄圆板直径为60mm时，低频窄波束水声换能器在水中的发射电压响应曲线图。
图23为薄圆板直径为60mm时，低频窄波束水声换能器在水中的指向性图。
图中：1、外壳；2、透声橡胶；3、聚氨酯泡沫；4、薄圆板；5、上端柱；6、压电陶瓷片；7、非压电材料；8、下端柱；9、螺栓；10、紧固螺母；11、正极引线；12、负极引线；13、密封橡胶盖。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，一种低频窄波束水声换能器，包括顶部设有开口的外壳1，外壳1开口处紧密连接有透声橡胶2，透声橡胶2的下端面紧密粘接有薄圆板4，薄圆板4的下端面固定连接有准周期结构换能器；准周期结构换能器连接有正极引线11与负极引线12一端，外壳1的底部设有引出正极引线11与负极引线12的开孔，正极引线11与负极引线12的另一端套设有防水电缆。
准周期结构换能器包括：上端柱5、多个压电陶瓷片6、多个非压电材料7与下端柱8，上端柱5的下端面开设有螺栓孔，螺栓孔连接有螺栓9，螺栓9由上至下依次套设有交替排列的多个压电陶瓷片6与多个非压电材料7，螺栓9下端套设有下端柱8，下端柱8的下方设有与螺栓9相配合的紧固螺母10；多个压电陶瓷片6与多个非压电材料7为准周期结构，且相邻的压电陶瓷片6的极化方向相反，多个压电陶瓷片6一面连接正极引线11，另一面连接负极引线12；螺栓9与紧固螺母10相配合将压电陶瓷片6与非压电材料片7紧固于上端柱5与下端柱8之间。
外壳1内部填充有聚氨酯泡沫3，用于定位和悬浮准周期结构换能器。
外壳1底部开孔的下方设有密封橡胶盖13，密封橡胶盖13固定连接于外壳1底部，密封橡胶盖13设有供防水电缆伸出的开孔，密封橡胶盖13与外壳1之间形成密封结构，防止水渗入。
外壳1采用铝合金制成，铝制外壳具有较好的防水性能。
上端柱5采用铝制成，下端柱8采用钢制成。
螺栓9和紧固螺帽10采用钢制成。
薄圆板4采用铝制成，厚度为2mm，其铝制材质质量轻，声阻抗较小，薄圆板4与上端柱5可加工成型为一体，便于替换使用不同直径的薄圆板4。
压电陶瓷片6与非压电材料7均为圆环形，其外径与上端柱5和下端柱8的直径相同，且压电陶瓷片6采用PZT-4压电陶瓷制成。
本发明实现换能器低频窄波束的原理是：准周期结构换能器在外加电压信号的激励下做纵向振动并向外辐射声波能量，通过选择不同的非压电材料可以获得不同谐振频率的换能器；在准周期结构换能器的辐射端添加薄圆板4，因为薄圆板4的厚度远小于直径，换能器的纵向振动传递到薄圆板4会使其产生弯曲振动，通过调节薄圆板4的直径，控制换能器谐振频率处的发射电压响应值与波束宽度，实现低频窄波束的小尺寸水声换能器。
图2、图3、图4分别为夹心式压电换能器的振型及在水中的发射电压响应曲线与指向性图。
图5、图6、图7、图8分别为与夹心式换能器同尺寸且非压电材料为铝、钢、聚酰亚胺、尼龙时准周期结构换能器的振型图。比较图2与图5、图6、图7、图8可知，选择不同的非压电材料，可以获得不同谐振频率的换能器，且非压电材料为尼龙时，准周期结构换能器的谐振频率较低，与同尺寸的夹心式换能器相比降低6700Hz。
图9、图10分别为与夹心式换能器同尺寸且非压电材料为尼龙的准周期结构换能器在水中的发射电压响应曲线与指向性图。比较图3与图9可知，非压电材料为尼龙时，准周期结构换能器谐振频率处的发射电压响应值与夹心式换能器相比减小18dB。根据波束宽度的定义，由图4与图10可知，非压电材料为尼龙的准周期结构换能器与夹心式换能器谐振频率处的-3dB波束宽度均为180度。
图11、图12、图13分别为薄圆板4直径为57mm时，低频窄波束水声换能器的振型图及在水中的声压图与声压级图。下述低频窄波束水声换能器的非压电材料均为尼龙。由图11可知，当换能器的纵振动传递到薄圆板4，薄圆板4的中心部分做纵振动，而边缘部分做弯曲振动。
图14、图16、图18、图20、图22分别为薄圆板4直径为57mm、40mm、50mm、55mm、60mm时，低频窄波束水声换能器在水中的发射电压响应曲线。比较上述发射电压响应曲线图可知，薄圆板4的直径取不同值时，低频窄波束水声换能器的发射电压响应曲线各不相同，并且当薄圆板4直径为57mm时，低频窄波束水声换能器谐振频率处的发射电压响应值最大，与夹心式换能器相比增大9dB，与准周期结构换能器相比增大27dB。
图15、图17、图19、图21、图23分别为薄圆板4直径为57mm、40mm、50mm、55mm、60mm时，低频窄波束水声换能器在水中的指向性图。根据波束宽度的定义，由上述指向性图可知，薄圆板4直径为57mm时，低频窄波束水声换能器谐振频率处的-3dB波束宽度最小，约为52度。
因此可以看出，非压电材料选用尼龙同时薄圆板4直径为57mm时，本换能器谐振频率较低，同时发射电压响应值最大，波束宽度最窄。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种低频窄波束水声换能器，其特征在于：包括顶部设有开口的外壳(1)，所述外壳(1)开口处紧密连接有透声橡胶(2)，所述透声橡胶(2)下端面粘接有薄圆板(4)，所述薄圆板(4)的下端面固定连接有准周期结构换能器；所述准周期结构换能器连接有正极引线(11)与负极引线(12)一端，所述外壳(1)的底部设有引出正极引线(11)与负极引线(12)的开孔，所述正极引线(11)与负极引线(12)的另一端套设有防水电缆。
2.根据权利要求1所述的一种低频窄波束水声换能器，其特征在于：所述准周期结构换能器包括：上端柱(5)、多个压电陶瓷片(6)、多个非压电材料(7)与下端柱(8)，所述上端柱(5)的下端面开设有螺栓孔，所述螺栓孔连接有螺栓(9)，所述螺栓(9)由上至下依次套设有交替排列的多个压电陶瓷片(6)与多个非压电材料(7)，所述螺栓(9)下端套设有下端柱(8)，所述下端柱(8)的下方设有与螺栓(9)相配合的紧固螺母(10)；所述多个压电陶瓷片(6)与多个非压电材料(7)为准周期结构，且相邻的压电陶瓷片(6)的极化方向相反，所述多个压电陶瓷片(6)一面连接正极引线(11)，另一面连接负极引线(12)。
3.根据权利要求1所述的一种低频窄波束水声换能器，其特征在于：所述外壳(1)内部填充有聚氨酯泡沫(3)，用于定位和悬浮准周期结构换能器。
4.根据权利要求1所述的一种低频窄波束水声换能器，其特征在于：所述外壳(1)底部开孔的下方设有密封橡胶盖(13)，所述密封橡胶盖(13)固定连接于外壳(1)底部，所述密封橡胶盖(13)设有供防水电缆伸出的过孔。
5.根据权利要求1所述的一种低频窄波束水声换能器，其特征在于：所述外壳(1)采用铝合金制成。
6.根据权利要求1所述的一种低频窄波束水声换能器，其特征在于：所述上端柱(5)采用铝制成，下端柱(8)采用钢制成。
7.根据权利要求1所述的一种低频窄波束水声换能器，其特征在于：所述螺栓(9)和紧固螺帽(10)采用钢制成。
8.根据权利要求1所述的一种低频窄波束水声换能器，其特征在于：所述薄圆板(4)采用铝制成，厚度为2mm。
9.根据权利要求2所述的一种低频窄波束水声换能器，其特征在于：所述压电陶瓷片(6)与非压电材料(7)均为圆环形，其外径与上端柱(5)和下端柱(8)的直径相同，且压电陶瓷片(6)采用PZT-4压电陶瓷制成。
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