CN110887559A - 一种低频弯张类声压水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水声设备领域，公开了一种圆柱形弯张类声压水听器，包括由8片压电陶瓷圆环共轴叠加形成的压电晶堆，在压电晶堆的上方和下方还分别设置有上、下铝合金盖板，它们均通过过渡体与压电晶堆相连；在压电晶堆的侧面外部，还设置有铝合金外壳；铝合金外壳与上、下铝合金盖板连接用于包围形成包围空间，从而构成凹桶式的弯张换能器结构；此外，在铝合金外壳外部还设置有铝合金接收面；对于铝合金接收面在与中心轴线相垂直的平面上的投影，投影的外边缘呈圆形或正n边形。本发明通过对水听器内部各组件的结构及其设置方式、材料等进行改进，得到圆柱形或近圆柱形弯张类声压水听器，是种二维全指向性声压水听器，并且在低频段具有较高的接收灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于水声设备领域，更具体地，涉及一种低频弯张类声压水听器，能够适用于20Hz～4kHz频率范围，尤其是一种具有水平方向上无指向性的圆柱形高灵敏度声压水听器。
背景技术
声波是人们所掌握的在水中良好的信息和能量的载体。水声换能器作为一种水下能量转换器件，在水下探测和水声学相关研究中起到不可或缺的作用。其中，用来接收声波并将其转化为电信号的换能器称为水听器。目前对于声压水听器的要求，开始趋向于连续波、低频、高灵敏度、无指向性。将其制作成阵列，利用水声信号处理技术实现目标定位。
首先，声隐身技术的发展使得水下目标探测变得更加困难。新型安静型潜艇利用消声瓦，在其表面进行大面积铺设，当频率高于3kHz，目标强度下降约10dB。所以对于声压水听器，就需要它在低于3kHz的低频段，具有高灵敏度和无指向性。
其次，低频声波更有利于水下远距离传播。海水中球面波的声传播损失为：
TL＝20log r+αr
r为声波传播距离，单位：km
α为海水吸收系数，单位：dB/km
其中第一项20log r为球面波扩展损失，第二项αr为吸收损失，α随声波频率的降低而减小。
现有的声压水听器，往往是采用圆柱形、球形、复合棒形的结构，灵敏度虽然能够达到应用要求，但在接收灵敏度上仍有提升空间，因此在其结构上也存在改进的空间。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种弯张类声压水听器，其中通过对水听器内部各组件的结构及其设置方式、材料等进行改进，将弯张类结构应用于构建声压水听器、接收声波，得到圆柱形或近圆柱形弯张类声压水听器，是种二维全指向性声压水听器，能够适用于20Hz～4kHz频率范围。并且，利用ANSYS 18.0有限元仿真，分析该声压水听器的低频段接收灵敏度可知，该声压水听器在低频段具有较高的接收灵敏度。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种弯张类声压水听器，其特征在于，包括由8片压电陶瓷圆环共轴叠加形成的压电晶堆，以及位于这8片压电陶瓷圆环中心轴线处的预应力螺栓；其中，在所述压电晶堆的上方和下方还分别设置有上铝合金盖板和下铝合金盖板，所述上铝合金盖板和所述下铝合金盖板均通过过渡体与所述压电晶堆相连；在所述压电晶堆的侧面外部，还设置有铝合金外壳对应形成另一侧面；所述铝合金外壳与所述上铝合金盖板、所述下铝合金盖板连接用于包围形成包围空间，所述压电晶堆则位于该包围空间内，并且，对于某个经过所述中心轴线的平面与位于所述中心轴线一侧的所述铝合金外壳相交形成的截面形状，该截面形状呈弓形，该弓形在所述中心轴线上的投影长度大于该弓形在垂直于所述中心轴线方向上投影的长度，从而利用弓形的铝合金外壳构成凹桶式的弯张换能器结构；
此外，在所述铝合金外壳外部还设置有与所述铝合金外壳相对应的铝合金接收面；对于所述铝合金接收面在与所述中心轴线相垂直的平面上的投影，投影的外边缘呈圆形或正n边形，其中n为大于等于6的正整数。
作为本发明的进一步优选，所述8片压电陶瓷圆环的尺寸相同、且对齐放置；每片压电陶瓷圆环沿厚度方向极化，相邻两片压电陶瓷圆环的极化方向相反。
作为本发明的进一步优选，某个经过所述中心轴线的平面与位于所述中心轴线一侧的所述铝合金接收面相交形成的截面形状呈喇叭状，靠近所述中心轴线的截面区域高度小于远离所述中心轴线的截面区域高度。
作为本发明的进一步优选，所述过渡体位于所述压电晶堆的顶部和底部，材料为铝合金。
作为本发明的进一步优选，所述铝合金接收面包括多个铝合金接收面子组件，这些铝合金接收面子组件彼此之间用聚氨酯透声橡胶密封。
作为本发明的进一步优选，对于所述铝合金接收面在与所述中心轴线相垂直的平面上的投影，当投影的外边缘为正n边形时，所述铝合金外壳由n个铝合金壳条组成，每一个铝合壳条对应一个铝合金质量块和一个铝合金质量板，该铝合金质量块和该铝合金质量板即构成与该铝合壳条相对应的铝合金接收面子组件。
作为本发明的进一步优选，所述8片压电陶瓷圆环具体为8片PZT-4压电圆环，每一片压电陶瓷圆环的顶面与底面上均涂有环氧胶并插入有电极片；在所述压电晶堆的顶部和底部还各放置有一片PZT-4垫片，它们与所述压电晶堆相连，不额外设置电极，从而用于避免所述压电晶堆与所述上铝合金盖板、所述下铝合金盖板导电，并且，任意一片PZT-4垫片的厚度小于任意一片PZT-4压电圆环的厚度。
作为本发明的进一步优选，所述上铝合金盖板、所述下铝合金盖板与所述压电晶堆通过所述预应力螺栓连接，所述预应力螺栓与所述压电晶堆的圆环内壁之间由聚四氟乙烯胶带填充；优选的，所述聚四氟乙烯胶带缠绕在所述预应力螺栓上。
作为本发明的进一步优选，在所述上铝合金盖板的上方还设置有上不锈钢端盖，在所述下铝合金盖板的下方还设置有下不锈钢端盖。
作为本发明的进一步优选，所述铝合金接收面的外部用聚氨酯透声橡胶进行密封；所述铝合金接收面与所述上不锈钢端盖、所述下不锈钢端盖的连接部位同样用聚氨酯透声橡胶进行密封。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，利用8块压电陶瓷圆片构成压电晶堆，并且利用上铝合金盖板、下铝合金盖板与侧面铝合金外壳构成第I类弯张换能器结构(凹桶式)，相应能够得到圆柱形高灵敏度低频声压水听器。本发明通过采用弓形的铝合金外壳(即，对于某个经过压电晶堆中心轴线的平面与位于中心轴线一侧的铝合金外壳相交形成的截面形状，该截面形状呈弓形)，该弓形具有长轴长、短轴短的特点(即，该弓形在中心轴线上的投影长度大于该弓形在垂直于所述中心轴线方向上投影的长度)，从而利用弓形的铝合金外壳构成凹桶式的弯张换能器结构；通过利用该弯张类结构构建声压水听器、接收声波，得到圆柱形或近圆柱形弯张类声压水听器，能够适用于20Hz～4kHz频率范围，且是种水平方向上无指向性的声压水听器。
8块压电陶瓷圆片为圆环结构，尺寸相同，对齐堆叠在一起，中间孔洞安装预应力螺栓。从上至下1、3、5、7四块压电片极化方向在厚度方向上一致，2、4、6、8四块压电片极化方向在厚度方向上一致并且与1、3、5、7四块压电片极化方向相反，电学上相当于并联连接。
利用ANSYS有限元仿真分析该声压水听器的低频段接收灵敏度可知，该声压水听器在低频段具有较高的接收灵敏度；并且本发明将其圆柱形或近圆柱形侧面作为信号的接收面，在水平面内能够得到全指向性(即，水平方向上无指向性)。本发明经过有限元分析，可得到本发明中圆柱形弯张类声压水听器模型的接收灵敏度曲线。该声压水听器模型在4kHz以下频段具有较为平坦的接收灵敏度响应，起伏小于3dB，接收灵敏度较高(约为-180dB)。在理想情况下，该声压水听器在与接收面垂直的平面中无指向性。
本发明采用的是第I类弯张换能器结构，利用弯张换能器的结构外壳的杠杆作用使其长轴方向实现位移放大，从而实现水听器接收灵敏度的提升。进一步的，本发明在侧面增加了喇叭状的接收面，在短轴方向实现位移放大，从而实现水听器接收灵敏度的提升。
本发明水听器在低频段(20Hz～4kHz)的接收灵敏度曲线具有平坦的响应，且灵敏度数值达到-180dB。以侧面(圆柱面)作为接收面，在水平方向上无指向性。
附图说明
图1是本发明所建立的有限元模型。
图2是借助ANSYS 18.0进行有限元分析，通过谐响应分析得到的本发明声压水听器的接收灵敏度曲线。
图3是本发明水听器实体模型。
图4是本发明水听器实体模型的剖面图。
图5是本发明水听器的结构示意图；其中，图5中的(a)为俯视图，图5中的(b)为剖面图；从该图可知，水听器整体直径140mm，整体高度134.9mm。
图6是已组装好的振子实物图。
图7是在图6基础上已安装壳条和质量块的实物图。
图8是在图7基础上已安装质量板的实物图。
图9是在图8基础上已安装上下不锈钢钢板的实物图。
图10是最终制作完成的水听器实物图；从图中可以看出，该圆柱形水听器的直径为140mm。
图11是水听器实测的接收灵敏度曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明中圆柱形或近圆柱形的二维全指向性声压水听器，总体来说，以n为12的近圆柱形的弯张类声压水听器为例，在有限元分析中，如图1所示先构建近圆柱形声压水听器的有限元模型，包括：8块压电陶瓷圆片、预应力螺栓、上下过渡体、上下铝合金盖板、侧面为铝合金外壳、与侧面铝合金外壳对应的铝合金辐射面、近水场、远水场、边界水(近水场、远水场、边界水的具体要求可直接参考现有技术文献，如莫喜平.ANSYS软件在模拟分析声学换能器中的应用[J].声学技术,2007；26(6):1280-1290)。上下过渡体位于8片压电陶瓷圆环的顶部和底部，材料为铝合金(即，8块堆叠好的压电片整体上、下各有一个过渡体，过渡体材料选用铝合金)。
相应的，实际模型的设计，包括：压电陶瓷晶堆、预应力螺栓、上下不锈钢端盖、上下铝合金盖板、安装在侧面的铝合金壳条12件、与壳条对应的铝合金质量块和质量板(接收面)各12件、聚氨酯水密层、O型密封圈、法兰、引出电缆。在侧面，铝合金质量块与质量板(接收面)与内部相邻的铝合金壳条一一对应，各有n个(以n等于12为例，实际上是将一个整圆近似成正12边形)，它们采用螺钉紧固。进一步的，上下铝合金盖板与压电片连接部位有通线孔，通导线。在上下铝合金盖板外部，安装了不锈钢端盖；进一步的，例如，上部钢板连接法兰，法兰用于固定电缆，通过硫化橡胶对电缆进行封装。
以下为详细说明：
实施例1
一、仿真阶段
为计算方便，只建立了二分之一轴对称平面模型。以ANSYS 18.0软件进行仿真为例，8块压电陶瓷圆片的材料为PZT-4，赋予的单元类型为Plane13。任意一片压电陶瓷圆片的尺寸参数可以设置如下：外径为50mm，内径为17mm，厚度为6mm(当然，外径、内径、厚度等的设置均可以根据实际要求变化)。其余部分为金属结构，赋予的单元类型为Plane 42，其中预应力螺栓的材料为不锈钢，其余部分全部采用铝合金。近水场与远水场材料为水，密度设置为1000kg/m3，吸收系数设置为0，所采用的单元类型为Fluid 29，其中近水场包含结构自由度，远水场不包含结构自由度。为了模拟无限大水域并且保证声波到达边界水没有反射，最外围的边界水材料为水，密度设置为1000kg/m3，吸收系数设置为1，采用的单元类型为Fluid 129。
此外，铝合金接收面其竖直截面呈喇叭状(如图1所示)。
各个单元类型的相关信息如下表所示：
| 类型序号 | 单元类型 | 选项 | 实常数 |
| 1 | PLANE42 | 轴对称 | 无 |
| 2 | PLANE13 | 轴对称，自由度：UX、UY、Volt | 无 |
| 3 | FLUID29 | 轴对称，包含结构自由度 | 无 |
| 4 | FLIUD29 | 轴对称，不包含结构自由度 | 无 |
| 5 | FLIUD129 | 轴对称 | 圆心(0,0)，半径1 |
划分网格：机械结构部分按每格0.001m划分，流体中的划分，要对应频率上限fH的波长，一般每个波长要分20段以上。
边界条件：上下两盖板、侧边的接收面与近水场接触的部分施加流固耦合界面(FSI)。
将8片压电片正极和负极上的所有节点各定义一个耦合部，即电压耦合，使正极或负极上的所有节点电势相同，并在正极与负极上分别施加1V与0V的电压载荷。
ANSYS 18.0软件求解类型和求解方法选项选择如下：分析类型选择Harmonic，求解方法选择Full。求解可知：上下铝合金盖板的半径为60mm(器件的短轴即为60mm)，上铝合金盖板和下铝合金盖板的高度均为25mm(该高度×2加上晶堆及2个过渡体的高度即为长轴的总长度，任意一个过渡体的高度为5mm)。
载荷步选项中设计分析频率范围：0～20000Hz，子步设100步，每步间隔200Hz。
阻尼：定义常数阻尼系数为0.04。
求解后进行时间后处理，在(1,0)点处提取声压pa，在压电片表面电压耦合点提取电荷(Q)，由下述公式计算接收灵敏度：
1＝j·ω·Q
其中，电荷对时间求导可得到电流I，ω为角频率，j为虚部，SIL为水听器发射电流响应，pa为距离声中心ra处的声压(其中ra＝1m)，Mu为接收灵敏度，ρ为水密度，f为频率。最后得到该模型的接收灵敏度曲线(图2)。从图2可看出，经过有限元理论分析，该声压水听器模型在4kHz以下频段具有较为平坦的接收灵敏度响应，起伏小于3dB，接收灵敏度较高(约为-180dB)。
该声压水听器模型是采用第I类弯张换能器作为主体，在凹面部分安装一个轴对称的接收面，整体的实际模型是一个轴对称的圆柱体，如图3。其剖面图如图4所示。以圆柱体的侧面作为接收面，由于其轴对称结构，在理想情况下，该声压水听器在垂直于中心轴线的方向上(即水平方向上)无指向性。
二、加工制作阶段
借助图5，可以更直观的说明实际模型的设计。包括：压电陶瓷晶堆、预应力螺栓、上下不锈钢端盖、上下铝合金盖板、安装在侧面的铝合金壳条12件、与壳条对应的铝合金质量块和质量板(接收面)各12件、聚氨酯水密层、O型密封圈、法兰、引出电缆。
在具体加工制作时，可以包括组装振子，在振子侧面依次安装铝合金壳条、铝合金质量块和质量板，上下安装不锈钢钢板，再依次进行堵缝、喷砂、聚氨酯灌注、安装电缆等步骤，最终完成制作。主要步骤可以如下：
1.将八片PZT-4压电圆环进行堆叠，每一片压电片的顶面与底面上均涂少量高温环氧胶并且插入电极片(八片PZT-4压电圆环，共9个电极片，这9个电极片为正极、负极交叉分布)。堆叠好后，在上端和下端各加一片较薄的PZT-4垫片，没有电极，避免中间的8片压电片与上下铝合金盖板导电。
2.上下铝合金盖板与压电晶堆通过预应力螺栓连接，螺栓和压电圆环内壁之间由聚四氟乙烯胶带填充(聚四氟乙烯胶带在螺栓上缠绕)。上下铝合金盖板与压电片连接部位有通线孔，通导线。然后焊接引线，中间8片压电圆环并联连接。完成振子的安装，最终如图6所示。随后进行固化。
3.在振子的侧面安装铝合金壳条(12件)，采用螺钉紧固。在壳条外部安装与之对应的铝合金质量块和质量板(各12件)，采用螺钉紧固。先安装质量块再安装质量板，前后分别如图7、图8所示。所有安装螺钉的部位，均涂有少量的高温环氧胶。随后再进行一次固化。
4.在上下铝合金盖板的端面，加工有孔洞，孔洞侧壁加工螺纹，再将上下两个不锈钢钢板旋入，完成上下钢板的安装，最终如图9所示。
5.堵缝：侧面相邻两片壳条、质量块、质量板之间存在缝隙，采用D05硅橡胶填充，自然放置至固化。
6.喷砂：在侧面质量板的外部，即接收面，以及侧面质量板与上下钢板接触部位，进行喷砂处理，最后清洗干净。
7.聚氨酯灌注：在侧面质量板与上下钢板接触部位涂205底胶，晾干后再涂氯丁-JQ-01底胶，晾干，随后用聚氨酯透声橡胶进行密封，75℃预热1h，再85℃保温6h。出模后修飞边。
8.上钢板连接法兰，采用螺钉进行紧固。法兰用于固定电缆，通过硫化橡胶对电缆进行封装，100～120℃保温2h，压力作用3～4MPa。此外，不锈钢钢板还对换能器起到保护作用，同时上下钢板都钻有孔洞，便于外部器械固定。
9.最终制作完成，如图10所示。
将上述步骤制备得到的水听器进行实测，其接收灵敏度实测曲线如图11所示，从图11中可以看出，实测曲线在20-4000Hz频段上下起伏小于3dB，接收灵敏度较高可达到-180dB，并且在该频段内与仿真曲线符合良好。
上述实施例仅是n等于12的正n边形近圆柱形弯张类声压水听器为例，n最小可以为6，n大于等于6的正n边形近圆柱形弯张类声压水听器均能够取得较好的应用效果；并且，正n边形n越大，越接近圆柱形弯张类声压水听器。
上述实施例中所采用的铝合金均可以为硬铝，硬铝满足常规定义。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种弯张类声压水听器，其特征在于，包括由8片压电陶瓷圆环共轴叠加形成的压电晶堆，以及位于这8片压电陶瓷圆环中心轴线处的预应力螺栓；其中，在所述压电晶堆的上方和下方还分别设置有上铝合金盖板和下铝合金盖板，所述上铝合金盖板和所述下铝合金盖板均通过过渡体与所述压电晶堆相连；在所述压电晶堆的侧面外部，还设置有铝合金外壳对应形成另一侧面；所述铝合金外壳与所述上铝合金盖板、所述下铝合金盖板连接用于包围形成包围空间，所述压电晶堆则位于该包围空间内，并且，对于某个经过所述中心轴线的平面与位于所述中心轴线一侧的所述铝合金外壳相交形成的截面形状，该截面形状呈弓形，该弓形在所述中心轴线上的投影长度大于该弓形在垂直于所述中心轴线方向上投影的长度，从而利用弓形的铝合金外壳构成凹桶式的弯张换能器结构；
此外，在所述铝合金外壳外部还设置有与所述铝合金外壳相对应的铝合金接收面；对于所述铝合金接收面在与所述中心轴线相垂直的平面上的投影，投影的外边缘呈圆形或正n边形，其中n为大于等于6的正整数。
2.如权利要求1所述弯张类声压水听器，其特征在于，所述8片压电陶瓷圆环的尺寸相同、且对齐放置；每片压电陶瓷圆环沿厚度方向极化，相邻两片压电陶瓷圆环的极化方向相反。
3.如权利要求1所述弯张类声压水听器，其特征在于，某个经过所述中心轴线的平面与位于所述中心轴线一侧的所述铝合金接收面相交形成的截面形状呈喇叭状，靠近所述中心轴线的截面区域高度小于远离所述中心轴线的截面区域高度。
4.如权利要求1所述弯张类声压水听器，其特征在于，所述过渡体位于所述压电晶堆的顶部和底部，材料为铝合金。
5.如权利要求1所述弯张类声压水听器，其特征在于，所述铝合金接收面包括多个铝合金接收面子组件，这些铝合金接收面子组件彼此之间用聚氨酯透声橡胶密封。
6.如权利要求1所述弯张类声压水听器，其特征在于，对于所述铝合金接收面在与所述中心轴线相垂直的平面上的投影，当投影的外边缘为正n边形时，所述铝合金外壳由n个铝合金壳条组成，每一个铝合壳条对应一个铝合金质量块和一个铝合金质量板，该铝合金质量块和该铝合金质量板即构成与该铝合壳条相对应的铝合金接收面子组件。
7.如权利要求1所述弯张类声压水听器，其特征在于，所述8片压电陶瓷圆环具体为8片PZT-4压电圆环，每一片压电陶瓷圆环的顶面与底面上均涂有环氧胶并插入有电极片；在所述压电晶堆的顶部和底部还各放置有一片PZT-4垫片，它们与所述压电晶堆相连，不额外设置电极，从而用于避免所述压电晶堆与所述上铝合金盖板、所述下铝合金盖板导电，并且，任意一片PZT-4垫片的厚度小于任意一片PZT-4压电圆环的厚度。
8.如权利要求1所述弯张类声压水听器，其特征在于，所述上铝合金盖板、所述下铝合金盖板与所述压电晶堆通过所述预应力螺栓连接，所述预应力螺栓与所述压电晶堆的圆环内壁之间由聚四氟乙烯胶带填充；优选的，所述聚四氟乙烯胶带缠绕在所述预应力螺栓上。
9.如权利要求1所述弯张类声压水听器，其特征在于，在所述上铝合金盖板的上方还设置有上不锈钢端盖，在所述下铝合金盖板的下方还设置有下不锈钢端盖。
10.如权利要求9所述弯张类声压水听器，其特征在于，所述铝合金接收面的外部用聚氨酯透声橡胶进行密封；所述铝合金接收面与所述上不锈钢端盖、所述下不锈钢端盖的连接部位同样用聚氨酯透声橡胶进行密封。
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Citations (5)
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-
2019
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