CN111050255B - 一种工作频率可调的接收换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工作频率可调的接收换能器，包括若干排布在一起的耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元，所述耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元包括薄壁圆管延长颈、压电材料以及两个耦合的赫姆霍兹谐振腔体，所述赫姆霍兹谐振腔体包括开孔的顶壁、不开孔的底壁、侧壁以及前面板和后面板，所述侧壁位于两个耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元之间，所述前面板和后面板用于构成闭合腔体；两个赫姆霍兹谐振腔体顶壁的开孔大小相同或不同，且顶壁的开孔中穿插设置薄壁圆管延长颈，两个赫姆霍兹谐振腔体之间设置压电材料，所述压电材料采用压电陶瓷片和电极片压合而成。本发明整体结构及制作工艺简单，易于阵列化处理以提高灵敏度，也可根据需要进行串并联处理且成本低。
Description
技术领域
本发明属于换能器领域，具体涉及一种工作频率可调的接收换能器。
背景技术
在接收换能器领域，工作频率和灵敏度是两个重要的性能指标，最常见的接收换能器是利用外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机械振动系统发生振动，借助某些物理效应，如压电效应、磁致伸缩效应等引起换能器储能元件中电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能器的电输出产生一个相当于声信号的电压和电流。关于接收换能器，众多学者做了相关的研究。中国科学院南海海洋研究所邸鹏飞等人提出了一种测量海底冷泉渗透气泡上升速度的声波接收传感装置；吕舒晗等人提出了一种可拉伸压电换能器阵列声波接收端及接收系统；王东等人提出了一种小直径单偶极圆柱型结构声波接收换能器。但是现有技术的接收换能器其灵敏度较低且接收响应的频带适用范围较窄，一种接收换能器结构只能满足单种频率的声波接收，且灵敏度不高，导致了在现实生活中应用时，多种频段范围的声音信号接收就要用到多种接收换能器，体型庞大，结构复杂，这为实际应用带来了很多不便之处。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工作频率可调的接收换能器，以克服现有技术的缺陷，本发明在不用改变换能器整体结构的基础上，仅仅通过更换不同长度的薄壁圆管延长颈，就可以使耦合腔的共振频率发生改变，实现了既可以使单频的声音信号达到高灵敏度接收，也可以方便地对宽频带范围内的声信号实现平坦的接收响应。此外该接收换能器整体结构及制作工艺简单，易于阵列化处理以进一步提高其灵敏度，也可根据需要进行串并联处理且成本低。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种工作频率可调的接收换能器，包括若干排布在一起的耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元，所述耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元包括薄壁圆管延长颈、压电材料以及两个耦合的赫姆霍兹谐振腔体，所述赫姆霍兹谐振腔体包括开孔的顶壁、不开孔的底壁、侧壁以及前面板和后面板，所述侧壁位于两个耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元之间，所述前面板和后面板用于构成闭合腔体；两个赫姆霍兹谐振腔体顶壁的开孔大小相同或不同，且顶壁的开孔中穿插设置薄壁圆管延长颈，两个赫姆霍兹谐振腔体之间设置压电材料，所述压电材料采用压电陶瓷片和电极片压合而成。
进一步地，所述若干耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元串联排布，或并联排布，或呈阵列排布。
进一步地，所述压电材料包括电极片以及嵌在电极片中部一侧的压电陶瓷片。
进一步地，所述压电陶瓷片为圆形的PZT-5H压电陶瓷片。
进一步地，所述电极片和侧壁的材料均为铜。
进一步地，所述顶壁、底壁、前面板、后面板以及薄壁圆管延长颈的材料均为3D打印材料PLA。
进一步地，所述顶壁的壁厚h1＝6mm，当两个赫姆霍兹谐振腔体顶壁的开孔大小不同时，两个赫姆霍兹谐振腔体顶壁的开孔半径分别为：R1＝1.2mm，R2＝1.9mm。
进一步地，所述底壁的壁厚h2＝4mm，侧壁的壁厚hm＝0.1mm，前面板和后面板的厚度均为1mm。
进一步地，两个赫姆霍兹谐振腔体的长均为20mm，宽均为22mm，高均为20mm。
进一步地，薄壁圆管延长颈的壁厚为0.1mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明利用耦合赫姆霍兹谐振腔、薄壁圆管延长颈、压电陶瓷片等组成赫姆霍兹谐振腔结构单元，进而通过阵列处理组成一种接收换能器。由于双腔顶壁的开孔孔径不同，相邻的两个腔体中声压相位可以达到完全相反，从而处在两腔之间侧壁上与电极片相连的压电陶瓷片受到推拉力的作用，振动幅度大大增加。进一步地，通过向腔内伸入薄壁圆管延长颈，在不用改变换能器整体结构的基础上，就可以使耦合腔的共振频率发生改变，实现了既可以使单频的声音信号达到高灵敏度接收，也可以对宽频的声信号实现平坦的接收响应。此外该接收换能器整体结构及制作工艺简单，易于阵列化处理，以进一步提高其灵敏度，也可根据需要更换不同长度的薄壁圆管延长颈，实现不同频率的高灵敏度接收和不同频带范围的宽频接收，还可根据需要对其串并联处理。
本发明中两个赫姆霍兹谐振腔体顶壁的开孔的孔径是可以根据不同的应用环境而改变的，没有固定值，可以相同也可以不同，在不改变赫姆霍兹谐振腔体积的情况下，仅改变延长颈的孔径和长度，其工作频率便可改变，不同的孔径大小的赫姆霍兹谐振腔与其对应的延长颈组合，即可以实现两种功能：单频的高灵敏度响应以及宽频响应。
附图说明
图1为本发明的一种工作频率可调的接收换能器阵列结构示意图；
图2为本发明组成一种工作频率可调的接收换能器的耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元示意图；
图3为本发明组成一种工作频率可调的接收换能器的耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元剖视图；
图4为本发明实施例1的接收灵敏度频响曲线；
图5为本发明实施例2的接收灵敏度频响曲线；
图6为本发明实施例3的接收灵敏度频响曲线。
其中，1、前面板；2、后面板；3、顶壁；4、侧壁；5、压电陶瓷片；6、电极片；7、底壁；8、薄壁圆管延长颈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明结构作进一步详细说明：
参见图1至图3，一种工作频率可调的接收换能器，包括很多个耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元，所述的耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元包括两个赫姆霍兹谐振腔体、薄壁圆管延长颈以及压电材料；所述的压电材料采用压电陶瓷片5和电极片6压合而成，所述赫姆霍兹谐振腔体包括开孔的顶壁3、不开孔的底壁7、侧壁4、用于构成闭合腔体的前面板1和后面板2，开孔的顶壁3对于两个赫姆霍兹谐振腔体具有不同的孔径大小，小孔的半径为R1，大孔的半径为R2，由于该结构的循环对称性，两腔之间的侧壁4由电极片6和压电材料循环排列构成，用于构成闭合腔体的前面板3和后面板4的闭合作用在于，除了开孔的顶壁3用来吸收声能以外，整个腔体处于闭合状态，所述的薄壁圆管延长颈8，是由外径为孔径大小的薄壁圆管组成，在两个赫姆霍兹谐振腔体内，顶壁1的开孔孔径分别为R1和R2，薄壁圆管延长颈8的外径即为R1和R2，颈长分别为L1和L2，构成薄壁圆管延长颈8的薄壁圆管可根据需要更换成不同长度，压电陶瓷片5为圆形，材料为PZT-5H压电陶瓷片，电极片6材料为铜，两个赫姆霍兹谐振腔体整个外形为长方体，除侧壁4以外，开孔的顶壁3、不开孔的底壁7、用于构成闭合腔体的前面板1和后面板2以及薄壁圆管延长颈8的材料均为3D打印材料Polylacticacid,PLA材料。
本发明利用耦合赫姆霍兹谐振腔体、薄壁圆管延长颈、压电陶瓷片等组成赫姆霍兹谐振腔结构单元，进而通过阵列处理组成一种接收换能器。由于双腔顶壁的开孔孔径一大一小，相邻的赫姆霍兹谐振腔中声压相位相反，处在两腔之间与电极片相连的圆形压电陶瓷片受到两侧的推拉力作用产生振动，伸入腔内的薄壁圆管构成延长颈不仅可以增大腔内的声能密度，而且可以快捷有效的调节耦合腔的共振频率。由此，在不增大赫姆霍兹谐振腔体积的前提下，仅仅通过更换不同长度的薄壁圆管延长颈，就可以使相邻的腔共振频率发生改变，实现了一种接收换能器对单频声音信号的高灵敏度接收以及对宽频声音信号的平坦接收响应。此外，本发明整体结构及制作工艺简单，易于阵列化处理以进一步提高其灵敏度，也可根据需要进行串并联处理且成本低。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述：
参见图1至图3，一种工作频率可调的接收换能器，包括：耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元，所述的耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元包括两个耦合的赫姆霍兹谐振腔体、薄壁圆管延长颈8以及压电材料，所述的压电材料采用压电陶瓷片5和电极片6压合而成，外接的接收放大器的正负极通过导线与压电陶瓷片5和电极片6连接，将赫姆霍兹谐振腔的压电侧壁所产生的电信号放大，压电陶瓷片5嵌在电极片6中部的一侧，即压电陶瓷片5的一侧通过电极片6连接至腔体，另一侧与腔内空气直接接触。所述两个耦合的赫姆霍兹谐振腔体包括开孔的顶壁3、不开孔的底壁7、两腔之间的侧壁4、用于构成闭合腔体的前面板1和后面板2。对于开孔的顶壁3，壁厚h1＝6mm，小孔的半径R1＝1.2mm，大孔的半径R2＝1.9mm。对于不开孔的底壁2，壁厚h2＝4mm。对于两腔之间的侧壁4，壁厚hm＝0.1mm，材料与电极片7的材料相同，均为铜，用于构成闭合腔体的前面板1和后面板2厚度均为1mm。两个耦合的赫姆霍兹谐振腔体的腔内体积相同，均为长20mm，宽22mm，高20mm。所述的薄壁圆管延长颈8，是由外径为R1和R2，厚度为0.1mm的薄壁圆管组成，延长颈的颈长分别为L1,L2。压电陶瓷片5为半径为7.5mm的圆形PZT-5H压电陶瓷片。
为了验证本发明的接收换能器能够有高的灵敏度并且在较宽的频带内有平坦的接收响应，列举以下实施例对本发明的装置进行测试，具体如下：
实施例1，调节两个赫姆霍兹谐振腔体的薄壁圆管延长颈8的长度分别为L1＝0mm,L2＝9mm。用有限元软件建模并计算当声压幅值为1Pa的平面波由开孔的顶壁3垂直入射时，终端接收到的电压值，通过计算得到薄壁圆管延长颈8为L1＝0mm,L2＝9mm时的接收灵敏度频响曲线，参见附图4，从图中可以明显看出在424Hz附近达到了-30分贝以上的高灵敏度接收。
实施例2，调节两个赫姆霍兹谐振腔体的薄壁圆管延长颈8的长度分别为L1＝15mm,L2＝0mm。用有限元软件建模并计算当声压幅值为1Pa的平面波由开孔的顶壁3垂直入射时，终端接收到的电压值，并计算得到薄壁圆管延长颈8为L1＝15mm,L2＝0mm时的接收灵敏度频响曲线，参见附图5，从图中可以明显看出在较宽的频带范围内实现了平坦的灵敏度接收响应。
实施例3，调节两个赫姆霍兹谐振腔体的薄壁圆管延长颈8的长度分别为L1＝5mm，L2＝10mm。用有限元软件建模并计算当声压幅值为1Pa的平面波由开孔的顶壁3垂直入射时，终端接收到的电压值，通过计算得到薄壁圆管延长颈8为L1＝5mm,L2＝10mm时的接收灵敏度频响曲线，参见附图6，从图中可以明显看出在300Hz-450Hz达到了-40分贝以上的灵敏度接收。
本发明实现了一种工作频率可调的接收换能器对单频声信号具有高灵敏度接收响应，对宽频声信号具有平坦的接收响应的原理是：相邻的孔径不同的赫姆霍兹谐振腔中会产生相反的声压相位，处在两腔之间与电极片相连的圆形压电陶瓷片受到两侧的推拉力作用产生振动，薄壁圆管延长颈伸入腔内不仅可以增大声能密度，而且可以快捷有效的调节两个耦合腔的共振频率。由此，仅仅通过在腔内伸入薄壁圆管构成的延长颈，不用改变接收换能器的整体结构就可以使耦合腔的共振频率发生改变，实现了既可以使单频的声音信号达到高灵敏度接收，也可以对宽频带范围内的声信号实现平坦的接收响应。在实际应用中，根据需要更换不同长度的薄壁圆管延长颈便可实现单频声信号高灵敏度接收或者宽频声信号接收，此外该接收换能器整体结构及制作工艺简单，易于阵列化处理，如附图1所示，以进一步提高其灵敏度，也可根据需要进行串并联处理。
Claims (5)
1.一种工作频率可调的接收换能器，其特征在于，包括若干排布在一起的耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元，所述耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元包括薄壁圆管延长颈、压电材料以及两个耦合的赫姆霍兹谐振腔体，所述赫姆霍兹谐振腔体包括开孔的顶壁(3)、不开孔的底壁(7)、侧壁(4)以及前面板(1)和后面板(2)，所述侧壁(4)位于两个耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元之间，所述前面板(1)和后面板(2)用于构成闭合腔体；两个赫姆霍兹谐振腔体顶壁(3)的开孔大小相同或不同，且顶壁(3)的开孔中穿插设置薄壁圆管延长颈(8)，两个赫姆霍兹谐振腔体之间设置压电材料，所述压电材料采用压电陶瓷片(5)和电极片(6)压合而成，且压电陶瓷片(5)嵌在电极片(6)的中部一侧，所述压电陶瓷片(5)为圆形的PZT-5H压电陶瓷片，所述电极片(6)为矩形，所述电极片(6)和侧壁(4)的材料均为铜，两个赫姆霍兹谐振腔体的长均为20mm，宽均为22mm，高均为20mm，薄壁圆管延长颈(8)的壁厚为0.1mm。
2.根据权利要求1所述的一种工作频率可调的接收换能器，其特征在于，所述若干耦合赫姆霍兹谐振腔结构单元串联排布，或并联排布，或呈阵列排布。
3.根据权利要求1所述的一种工作频率可调的接收换能器，其特征在于，所述顶壁(3)、底壁(7)、前面板(1)、后面板(2)以及薄壁圆管延长颈(8)的材料均为3D打印材料PLA。
4.根据权利要求1所述的一种工作频率可调的接收换能器，其特征在于，所述顶壁(3)的壁厚h1＝6mm，当两个赫姆霍兹谐振腔体顶壁(3)的开孔大小不同时，两个赫姆霍兹谐振腔体顶壁(3)的开孔半径分别为：R1＝1.2mm，R2＝1.9mm。
5.根据权利要求1所述的一种工作频率可调的接收换能器，其特征在于，所述底壁(7)的壁厚h2＝4mm，侧壁(4)的壁厚hm＝0.1mm，前面板(1)和后面板(2)的厚度均为1mm。
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