CN111083611A - 一种小尺寸动圈式超低频水声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小尺寸动圈式超低频水声换能器，它包括在水密壳体内安装径向布置的磁路系统结构和与之相对应的辐射系统结构，线圈有电流流过时，在磁路气隙中，受磁场作用产生驱动力，驱动辐射系统按照一定规律振动，由辐射板向外辐射声波。本发明具备体积小、质量轻、使用方便的优点，具有良好的适装性，能够实现40Hz～1kHz的超低频宽带声发射。可作为声学载荷，装备于声呐设备、声学对抗装置，尤其是对于小口径航行体，具有良好的适装性；亦可作为通用超低频声源，用于实验室以及湖、海试验。

Description

一种小尺寸动圈式超低频水声换能器

技术领域

本发明属于水声换能器技术领域，特别涉及一种小尺寸动圈式超低频水声换能器。

背景技术

迄今为止，声波被认为是唯一能在海洋中远距离传播的信息载体。利用水声换能器可以实现声波信息的发射或接收，声波的频率越低，在水中的传播损失越小，越适合远距离传播。随着声隐身技术的发展，潜艇等水下航行体辐射噪声的中高频部分已被抑制到海洋背景噪声以下水平，辐射噪声中低频及超低频部分成为探测水下航行体的关键因素。超低频水声换能器作为水声技术的关键部件之一，可用在探潜和反潜、噪声模拟、水声诱骗干扰等军事技术领域，具有重要的研究价值和军事意义。

通常，工作频率越低的换能器其体积越大，质量越重。采用压电陶瓷元件设计的工作频率低于100Hz的超低频发射换能器，其重量通常达数百公斤以上。利用弯曲振动设计的谐振频率为75Hz的超低频发射换能器HX-554直径达0.94m，总长度达2.05m，空气中重量更是高达2300kg。利用亥姆霍兹谐振器结构设计的谐振频率为65Hz的超低频发射换能器空气中重量也高达1900kg。英国G.W公司生产的UW350换能器，工作频带为20Hz-20kHz，平均声源级为165dB，长达935mm，重达100kg；UW600型动圈式超低频发射换能器的重量同样高达1070kg，换能器直径达到880mm，该换能器的工作频带为4Hz～1kHz。

上述水声换能器均能实现超低频声发射，而显然，以上换能器都存在体积大，质量重，使用不便等不足。特别地，受限于水声对抗装备平台，作为声学载荷的超低频水声换能器，其体积和重量均不宜过大，上述换能器明显无法直接应用于常规水声对抗平台，采用传统的压电式换能器要达到100Hz以下的超低频声发射，技术实现难度较大。

因此，如何设计一种具备体积小、质量轻、结构简单、电声转换效率高以及使用方便等优点的超低频水声换能器，现已成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，现提供了一种小尺寸动圈式超低频水声换能器，具备体积小、质量轻、使用方便的优点，具有良好的适装性，能够实现40Hz～1kHz的超低频宽带声发射。可作为声学载荷，装备于声呐设备、声学对抗装置，尤其是对于小口径航行体，具有良好的适装性；亦可作为通用超低频声源，用于实验室以及湖、海试验。

具体的，本发明是这样实现的：

一种小尺寸动圈式超低频水声换能器，在水密壳体内安装径向布置的磁路系统结构和与之相对应的辐射系统结构，所述磁路系统结构包括：置于水密壳体内部的外软铁，置于外软铁内的径向永磁体，置于径向永磁体内的内软铁；所述辐射系统结构包括：外露并安装在水密壳体顶部的定心簧片；安装在定心簧片下方与其刚性连接的辐射板；辐射板下方安装有置入在内软铁与径向永磁体之间的磁路气隙中的线圈；辐射板的外缘通过橡胶折环安装在水密壳体上，实现往复运动；辐射板下方的区域构成水密区域，线圈的线圈出线头从内软铁中部的通道连接至水密壳体底部外侧的接插件。

进一步的，所述橡胶折环的至少一侧加工为中部向上有半圆形凸起结构，并具有足够的顺性和一定的阻尼，能改善超低频水声换能器的频响特性，便于进行阻抗匹配和响应均衡。

进一步的，还包括环状的锥形支撑板，锥形支撑板安装在水密壳体上，锥形支撑板的外壁上周向开有O形圈密封槽并通过第一O形密封圈与水密壳体紧触实现径向密封。

进一步的，所述内软铁上端部呈内凹的锥面状；能有效减小换能器内腔的空腔体积。

进一步的，所述辐射板在其端面开设有用于安装橡胶折环的橡胶折环密封槽，在其上方还安装有辐射板压环，辐射板压环的下端面也开有用于安装橡胶折环的橡胶折环密封槽；在所述锥形支撑板的上端面开有用于安装所述橡胶折环的橡胶折环密封槽，并在其上方安装有密封压环，密封压环的下端面开有橡胶折环密封槽；四个橡胶折环密封槽分别成对夹紧固定所述橡胶折环。

进一步的，所述辐射板压环和密封压环均由紧固螺钉挤压固定，保证水密。

进一步的，定心簧片通过螺帽、垫片与位于辐射板前端的螺柱刚性连接，使定心簧片与辐射板运动同步。

进一步的，所述线圈绕制在辐射板下方的支架上，线圈表面涂有高温环氧树脂胶，以保证线圈绕制后紧固可靠。

进一步的，还包括一个置于水密壳体底部尾端的堵头，堵头的外壁周向安装有第二O形密封圈与水密壳体之间保持密封，线圈出线头穿过堵头与外部接插件连接，接插件用于将音频控制信号传输至线圈，实现换能器的声波辐射。

进一步的，所述水密壳体的底部尾端预留有连通至内部的进出气孔，小尺寸动圈式超低频水声换能器还包括外置的压力补偿系统，压力补偿系统连通至进出气孔，用于解决动圈式水声换能器声学性能随深度变化而变化的问题。

进一步的，所述水密壳体的顶部两端和\或底部的一端安装有吊环，所述的水密壳体内表面经处理，表面质量达到密封面的粗糙度设计要求；所述橡胶折环由具有一定硬度且低渗水的丁基橡胶或硅橡胶材料灌封而成。

本发明的工作原理介绍：外软铁、径向永磁体和内软铁构成的磁路系统，永磁体径向极化，外软铁和内软铁，材料可选择但不仅限于电工纯铁DT4或10钢等软磁材料；径向永磁体的材料可选择但不仅限于钕铁硼稀土材料或铁氧体等永磁材料；线圈，可由铜芯线、铝芯线或铜包铝线绕制而成，橡胶折环是由具有一定硬度且低渗水的丁基橡胶或硅橡胶等材料灌封而成，凸起部分外表面平整光滑，橡胶折环具有足够顺性，并具有一定阻尼，可改善超低频水声换能器的频响特性，便于进行阻抗匹配和响应均衡。定心簧片材料可选择铍青铜等防腐弹性材料，定心簧片和辐射板运动同步，定心簧片不仅起到辐射系统定心作用，还能为辐射系统提供一定的回复力和阻尼，超低频水声换能器的音频控制信号可经由接插件传输至线圈，实现换能器的声波辐射；当线圈有电流流过时，在所述的磁路系统的磁路气隙中，受磁场作用产生驱动力，驱动所述的辐射系统按照一定规律振动，由辐射板向外辐射声波。本发明的内软铁上端部呈内凹的锥面状，配合磁路系统采用径向磁路的设计方案，使得磁路气隙的磁力线均匀性大幅提升，有利于提高换能器声波辐射的线性度

本发明相比于现有技术的有益效果介绍：

1、换能器配备压力补偿装置时，最大外形尺寸不超过Φ150mm×300mm，重量不超过6kg，不配备压力补偿装置时，最大外型尺寸不超过Φ150mm×100mm，重量不超过3kg，具有尺寸小、质量轻的突出优点，可直接作为装备于声呐设备、声学对抗装置的声学载荷，特别地，对于小口径航行体，具有良好的适装性，该换能器亦可直接作为通用声源，用于实验室以及湖、海试验；

2、创新性地提出定心簧片外置的总体设计方案，巧妙地解决了传统动圈式换能器定心簧片内置引起的换能器内部空腔体积过大以及装配不便等问题，尤其是用于深水的动圈式水声换能器，换能器内部空腔体积过大将导致压力补偿系统过于庞大；

3、采用橡胶折环和定心簧片共同构成换能器弹簧-阻尼系统的设计方案，在最大直径Φ150mm限制下，可使辐射系统在水中谐振频率低于100Hz，实现换能器的超低频声波辐射，另外，橡胶折环具有足够顺性和一定阻尼，定心簧片可保证辐射系统作定轴往复运动，避免辐射系统与磁路系统发生碰摩；

4、采用径向磁路的设计方案，使得磁路气隙的磁力线均匀性大幅提升，有利于提高换能器声波辐射的线性度；

5、可实现40Hz～1kHz的宽带声发射，工作频带内平均声源级不低于145dB。

附图说明

图1为本发明实施例提供的小尺寸动圈式超低频水声换能器总体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的小尺寸动圈式超低频水声换能器外形结构示意图。

其中：1-定心簧片、2-螺母、3-垫片、4-辐射板、5-紧固螺钉、6-辐射板压环、7-凸缘圆环、8-直角吊环、9-密封压环、10-橡胶折环、11-水密壳体、12-第一O形密封圈、13-锥形支撑板、14-外软铁、15-径向永磁体、16-线圈、17-内软铁、18-吊环、19-线圈出线头、20-第二O形密封圈、21-堵头、22-接插件、23-压力补偿系统、24-长螺杆、25-安装螺钉。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

参照附图1和附图2，本实施例提供的一种小尺寸动圈式超低频水声换能器，它包括：定心簧片1、螺母2、垫片3、辐射板4、紧固螺钉5、辐射板压环6、凸缘圆环7、直角吊环8、密封压环9、橡胶折环10、水密壳体111、第一O形密封圈12、锥形支撑板13、外软铁14、径向永磁体15、线圈16、内软铁17、吊环18、线圈出线头19、第二O形密封圈20、堵头21、接插件22、压力补偿系统23、长螺杆24和安装螺钉25。所述的定心簧片1、辐射板4、橡胶折环10、线圈16及相关紧固螺钉5、螺母2和垫片3共同构成所述超低频水声换能器的辐射系统；所述的外软铁14、径向永磁体15、内软铁17共同构成所述超低频水声换能器的磁路系统。所述的线圈16有电流流过时，在所述的磁路系统的磁路气隙中，受磁场作用产生驱动力，所述的辐射系统在驱动力作用下，按照一定规律振动，由所述的辐射板4向外侧辐射声波。

参照附图1，本实施例提供的由外软铁14、径向永磁体15和内软铁17构成的磁路系统，永磁体径向极化，外形尺寸为Φ115mm×50mm，磁路气隙宽度为3.8mm。其中，外软铁14和内软铁17的材料可选择但不仅限于电工纯铁DT4或10钢等软磁材料；径向永磁体15的材料可选择但不仅限于钕铁硼稀土材料或铁氧体等永磁材料。磁路系统通过长螺杆24穿过锥形支撑板13与水密壳体11底部实现固定连接。辐射板4上的线圈16，可由铜芯线、铝芯线或铜包铝线绕制而成。

参照附图1，所述的锥形支撑板13在其周向开有O形圈密封槽，在其端面开有橡胶折环密封槽；所述的水密壳体11内表面经处理，表面质量达到密封面的粗糙度设计要求；所述的辐射板4在其端面开设有橡胶折环密封槽；所述的密封压环9端面开有橡胶折环密封槽；所述的辐射板压环6端面开有橡胶折环密封槽。所述的锥形支撑板13、水密壳体11、辐射板4和辐射板压环6的材料均可选用铝合金或钛合金，密封压环9材料需选用不锈钢或钛合金等硬质材料；所述的橡胶折环10，结构为上凸式，内外两侧均加工有半圆形凸起结构，橡胶折环10是由具有一定硬度且低渗水的丁基橡胶或硅橡胶等材料灌封而成，凸起部分外表面平整光滑，橡胶折环10具有足够顺性，并具有一定阻尼，可改善超低频水声换能器的频响特性，便于进行阻抗匹配和响应均衡。

所述的锥形支撑板13通过第一O形密封圈12，与水密壳体11配合，实现径向密封；所述的橡胶折环10外侧的半圆形凸起部分置于密封压环9橡胶折环密封槽和锥形支撑板13橡胶折环密封槽之间，由紧固螺钉5挤压密封圆环9，以保证水密；所述的橡胶折环10内侧的半圆形凸起部分置于辐射板压环6橡胶折环密封槽和辐射板3的橡胶折环密封槽之间，由紧固螺钉5压紧辐射板压环6，以保证水密。

所述的定心簧片1，材料可选择铍青铜等防腐弹性材料，定心簧片1通过螺母2、垫片3与辐射板4前端的螺柱刚性连接，实现定心簧片和辐射板运动同步，定心簧片1不仅起到辐射系统定心作用，还能为辐射系统提供一定的回复力和阻尼；所述的定心簧片1由紧固螺钉5与凸缘圆环7连接，凸缘圆环7与水密壳体111由安装螺钉25拧紧以实现固定；所述的安装螺钉25在所述超低频换能器装调完成后，可涂螺纹胶，实现可靠连接；受水密壳体11的壁厚和共形安装设计要求，所述的安装螺钉25可选用沉头螺钉或紧定螺钉。

所述的线圈16绕制在辐射板下方支架上，线圈16表面涂有高温环氧树脂胶，以保证线圈绕制后紧固可靠。所述的堵头21位于超低频水声换能器尾端，通过第二O形密封圈20与水密壳体11密封，所述的线圈16的线圈出线头19穿过堵头21与外部接插件22连接；超低频水声换能器的音频控制信号可经由接插件22传输至线圈，实现换能器的声波辐射。所述的堵头21预留有进出气孔，当换能器工作深度超过一定压力门限(实施例所示的超低频水声换能器门限值在10米深度附近)，可加装压力补偿系统23，以解决动圈式水声换能器声学性能随深度变化而变化的问题。其中，压力补偿系统形式包括但不限于主动式压缩空气压力补偿系统、气囊被动式压力补偿系统和被动联合压力补偿系统等。

所述的直角吊环8和吊环18可组成吊放装置，方便绳索吊放；若需要实现竖直方向(即向上)吊放，只需安装一对直角吊环8即可；若需要实现水平方向吊放，只需安装一个直角吊环8和一个吊环18即可。

本实施例提供的小尺寸超低频水声换能器装配过程如下：

装配步骤开始前，需对所有零部件进行表面清洁处理，尤其是密封面、O形密封圈和橡胶折环，采用无水乙醇进行擦拭清除表面粉尘、污渍。

第一步、将由外软铁14、径向永磁体15和内软铁17共同构成磁路系统组件放入水密壳体11内部，在定位销辅助下，初步将水密壳体11底部螺纹孔和外软铁14的圆孔对齐；

第二步、将第一O形密封圈12置于锥形支撑板13的径向密封槽内，初步将锥形支撑板13的圆孔与外软铁14的圆孔对齐后，将锥形支撑板13缓慢压入水密壳体11中，再将长螺杆24拧紧，实现刚性连接；

第三步、将绕制好线圈16的辐射板4放入磁路系统的气隙中，并将线圈出线头19穿过内软铁17和外软体14的中心孔，随后将橡胶折环10内外侧的半圆形凸起部分置入锥形支撑板13和辐射板4的橡胶折环密封槽中，再将辐射板压环6和密封压环9先后安装于密封折环10上方，将紧固螺钉5旋入辐射板4，此时，需注意装配力度，使得辐射板压环6轻压密封折环达到初步定位目的即可；

第四步、将凸缘圆环7放于密封压环9上方，将附图2所示的安装螺钉25穿过水密壳体11旋入凸缘圆环7中，实现凸缘圆环7与水密壳体11的刚性连接，再将定心簧片1置于凸缘圆环7上方，将紧固螺钉5穿过凸缘圆环7后，按照对称分步地方式拧紧，以压紧密封压环9，同时，亦将辐射板压环6上的所有紧固螺钉按照对称分步地方式拧紧，使得橡胶折环10在密封处被金属件压紧，以保证水密，随后将螺母2、垫片3与辐射板4的螺柱刚性连接；

第五步、安装堵头21，通过第二O形密封圈20实现与水密壳体11底部密封，将线圈出线头19与堵头上的水密电缆接插件22连接，堵头21上设计有压力补偿系统23所需的进出气孔以及压力传感器安装孔等必要接口；

第六步、根据使用需要，进行直角吊环8或吊环18安装，若需要实现竖直方向(即向上)吊放，只需安装一对直角吊环8即可；若需要实现水平方向吊放，只需安装一个直角吊环8和一个吊环18即可。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种小尺寸动圈式超低频水声换能器，其特征在于，在水密壳体(11)内安装径向布置的磁路系统结构和与之相对应的辐射系统结构，

所述磁路系统结构包括：置于水密壳体(11)内部的外软铁(14)，置于外软铁(14)内的径向永磁体(15)，置于径向永磁体(15)内的内软铁(17)；

所述辐射系统结构包括：外露并安装在水密壳体(11)顶部的定心簧片(1)；安装在定心簧片(1)下方与其刚性连接的辐射板(4)；辐射板(4)下方安装有置入在内软铁(17)与径向永磁体(15)之间的磁路气隙中的线圈(16)；辐射板(4)的外缘通过橡胶折环(10)安装在水密壳体(11)上，实现往复运动；

辐射板(4)下方的区域构成水密区域，线圈(16)的线圈出线头(19)从内软铁(17)中部的通道连接至水密壳体(11)底部外侧的接插件(22)。

2.根据权利要求1所述的小尺寸动圈式超低频水声换能器，其特征在于，所述橡胶折环(10)的至少一侧加工为中部向上有半圆形凸起结构，并具有足够的顺性和一定的阻尼，能改善超低频水声换能器的频响特性，便于进行阻抗匹配和响应均衡。

3.根据权利要求1或2所述的小尺寸动圈式超低频水声换能器，其特征在于，还包括环状的锥形支撑板(13)，锥形支撑板(13)安装在水密壳体(11)上，锥形支撑板(13)的外壁上周向开有O形圈密封槽并通过第一O形密封圈(12)与水密壳体(11)紧触实现径向密封。

4.根据权利要求3所述的小尺寸动圈式超低频水声换能器，其特征在于，所述辐射板(4)在其端面开设有用于安装橡胶折环(10)的橡胶折环密封槽，在其上方还安装有辐射板压环(6)，辐射板压环(6)的下端面也开有用于安装橡胶折环(10)的橡胶折环密封槽；

在所述锥形支撑板(13)的上端面开有用于安装所述橡胶折环(10)的橡胶折环密封槽，并在其上方安装有密封压环(9)，密封压环(9)的下端面开有橡胶折环密封槽；

四个橡胶折环密封槽分别成对夹紧固定所述橡胶折环(10)。

5.根据权利要求4所述的小尺寸动圈式超低频水声换能器，其特征在于，所述内软铁(17)上端部呈内凹的锥面状，能有效减小换能器内腔的空腔体积。

6.根据权利要求1所述的小尺寸动圈式超低频水声换能器，其特征在于，定心簧片(1)通过螺帽、垫片与位于辐射板(4)前端的螺柱刚性连接，使定心簧片(1)与辐射板运动同步。

7.根据权利要求1所述的小尺寸动圈式超低频水声换能器，其特征在于，所述线圈(16)绕制在辐射板(4)下方的支架上，线圈(16)表面涂有高温环氧树脂胶，以保证线圈(16)绕制后紧固可靠。

8.根据权利要求1所述的小尺寸动圈式超低频水声换能器，其特征在于，还包括一个置于水密壳体(11)底部尾端的堵头(21)，堵头(21)的外壁周向安装有第二O形密封圈(20)与水密壳体(11)之间保持密封，线圈出线头(19)穿过堵头(21)与外部接插件(22)连接，接插件(22)用于将音频控制信号传输至线圈(16)，实现换能器的声波辐射。

9.根据权利要求1所述的小尺寸动圈式超低频水声换能器，其特征在于，所述水密壳体(11)的底部尾端预留有连通至内部的进出气孔，小尺寸动圈式超低频水声换能器还包括外置的压力补偿系统(23)，压力补偿系统(23)连通至进出气孔，用于解决动圈式水声换能器声学性能随深度变化而变化的问题。

10.根据权利要求1所述的小尺寸动圈式超低频水声换能器，其特征在于，所述水密壳体(11)的顶部两端和\或底部的一端安装有吊环(18)或直角吊环(8)，所述的水密壳体(11)内表面经处理，表面质量达到密封面的粗糙度设计要求；所述橡胶折环(10)由具有一定硬度且低渗水的丁基橡胶或硅橡胶材料灌封而成。

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