CN111212360A - 双向多级并联弯曲圆盘换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换能器技术领域，提供一种双向多级并联弯曲圆盘换能器，包括相对设置的第一辐射盖板和第二辐射盖板，其中，第一辐射盖板上设有第一辐射端，所述第一辐射端的内侧设有第一伸缩柱；第二辐射盖板上设有与第一辐射端辐射方向相反的第二辐射端，所述第二辐射端的内侧设有第二伸缩柱；所述第一伸缩柱和第二伸缩柱上均沿轴向串联有多组金属弯曲圆盘，所述压电陶瓷片设置在金属弯曲圆盘上，相邻金属弯曲圆盘的外缘之间进行轴向连接。该换能器的金属弯曲圆盘采用多级并联压电弯曲圆盘的驱动方式，与现有技术中的换能器相比，在同等频率条件下，该换能器具有更高的功率容量和更高的耐压强度。

Description

双向多级并联弯曲圆盘换能器

技术领域

本发明涉及换能器技术领域，特别是涉及一种双向多级并联弯曲圆盘换能器。

背景技术

随着水声系统和装备逐年技术的突破，水声系统的运用场景和重要性逐步提升。新的水下力量的较量要求水声系统着重解决远距离通讯、低噪声目标识别、低回波特性目标探测等问题。低频水声系统是水下力量发展的重要方向。

作为低频水声系统的关键技术，低频换能器技术有两个重要的发展方向：

一个是低频大功率宽带运用，其目标是最大可能地实现向水中辐射低频声能，为了提升声源级，这类换能器基阵通常体积规模庞大，主要应用于舰载和岸基的各种类型的大型主动探测声纳，越低的频率和越大的声功率就能获取越强的水下远程探测能力，美国海军“无瑕”号水声测量船装载的 LFA 大规模低频声源阵列重达十数吨，能实现主动探测 130公里以外的敷瓦潜艇。

另一个重要发展方向是轻型、宽带、高效、低频的发展方向。在各种水声与水声对抗设备及系统中，大部分的低频声源在安装过程中或多或少地受到来自平台空间、载荷、能源等方面的条件限制，比如航空吊放声纳、主动浮标声纳、鱼雷报警声纳主动拖线阵、水声应答器、水声通信、水声目标模拟器、声诱饵、水声干扰器材等等，这些水声设备和系统是当前水声领域的热点、应用更为广泛，它们对体积小、重量轻的低频、宽带、高效大功率声源的需求十分迫切。

如图5所示，为现有技术中的换能器的结构，其中，图a为对称双叠片弯曲圆盘换能器，对具有对称结构的空气背衬双叠片弯曲圆盘换能器进行了研究，该类型换能器具有小尺寸、低频率、高效率等特点，且适合工程化，但其具有抗压能力低的缺点，不能应用于深水领域；图b为带有溢流腔的耐压型弯曲圆盘换能器，该换能器通过溢流口处引入海水，实现内外压力平衡，大大的提高换能器的耐压能力，然而由于内部空气腔体被海水取代，换能器的负载降低了。现有技术中一般采用减小圆盘换能器的直径来获取较高的强度，由于换能器直径减小，导致降低了换能器的低频性能降低，因此，需要设计一种新型结构的换能器，既能获得较低的频率又能保证换能器的耐压强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中低频换能器不能兼顾频率和强度效果的不足，本发明提供一种双向多级并联弯曲圆盘换能器，兼具小型化，轻量化，大功率，抗压能力高的特性。

本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种双向多级并联弯曲圆盘换能器，包括相对设置的第一辐射盖板和第二辐射盖板，且内部均设有容纳压电陶瓷片的腔体，其中，第一辐射盖板上设有第一辐射端，所述第一辐射端的内侧设有第一伸缩柱，第一伸缩柱位于第一辐射盖板的腔体内；第二辐射盖板上设有与第一辐射端辐射方向相反的第二辐射端，所述第二辐射端的内侧设有第二伸缩柱，第二伸缩柱位于第二辐射盖板的腔体内；所述第一伸缩柱和第二伸缩柱上均沿轴向串联有多组金属弯曲圆盘，所述压电陶瓷片设置在金属弯曲圆盘上，相邻金属弯曲圆盘的外缘之间进行轴向连接。将金属弯曲圆盘的外缘依次轴向连接起来，在不改变换能器频率的情况下，增大了其耐压强度，能够同时满足低频大功率和耐压的要求。设置两个辐射方向相反的辐射端，可以满足双向辐射的需要。在节平面处为振动幅度的零点位置，第一辐射端和第二辐射端沿节平面对称，且振动方向相反；在节平面的节点处的轴向变形量为零，可以与壳体进行固定，以保证壳体和折回结构体之间的相对稳固，且不影响对称的能量输出。

进一步，所述第一辐射端和第二辐射端的外缘相向翻折分别形成第一辐射端壳体和第二辐射端壳体，第一辐射端壳体和第二辐射端壳体之间通过伸缩件连接。由于使用时，内部压电陶瓷在电信号的激励下，会产生轴向方向上的变形，因此，采用了可伸缩件连接第一辐射端壳体和第二辐射端壳体，以保证轴向变形自由度。两壳体共同围成容纳压电陶瓷片的腔体。

具体的，还包括简支环连接件，所述相邻金属弯曲圆盘的外缘之间通过简支环连接件进行轴向连接。简支环连接件采用高强度金属制成，如：钛合金、不锈钢、铝等材料。

进一步，所述第一辐射端与第一伸缩柱连接的一侧设有第一锥形部，第一锥形部的小端与第一伸缩柱连接；所述第二辐射端与第二伸缩柱连接的一侧设有第二锥形部，第二锥形部的小端与第二伸缩柱连接。辐射端设置为锥形结构，可以增加能量辐射端的刚性和辐射面积，改善辐射特性，使辐射更加均匀。

进一步，避免两辐射端的相互影响，所述第一伸缩柱和第二伸缩柱相对的端部分离或轴向活动连接，保证轴向变形稳定。

进一步，所述金属弯曲圆盘上下两表面中至少有一侧设置有压电陶瓷片，且当金属弯曲圆盘两侧均设有压电陶瓷片时，相邻金属弯曲圆盘之间的上下压电陶瓷片之间留有一定的间距。金属弯曲圆盘上可以仅在一侧表面设置压电陶瓷，也可以在两侧均设置压电陶瓷，以增加驱动能力，根据输出能量的需要进行设置；由于金属弯曲圆盘为并联结构，当两侧均设置压电陶瓷时，相邻金属弯曲圆盘之间的压电陶瓷会正对，因此，为了避免振动时相互干扰，留有一定的间距。

进一步，为了便于连接和变形，所述伸缩件采用波纹管，所述波纹管包括一体连接的第一连接部、伸缩部和第二连接部，所述第一连接部和第二连接部分别设置在伸缩部的两端。伸缩部可以沿轴向伸长和缩短，而第一连接部和第二连接部不会产生伸缩变形，便于与相邻结构的固定连接。

进一步，为了提高耐腐蚀性，所述第一辐射盖板、第二辐射盖板和波纹管的外侧还设有一层防水层。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种双向多级并联弯曲圆盘换能器，金属弯曲圆盘采用多级并联压电弯曲圆盘的驱动方式，与现有技术中的换能器相比，在同等频率条件下，该换能器具有更小尺度、更高功率容量和更高的耐压强度。另外，该换能器可以作为独立小型低频声源，也可以组成阵列后实现低频大功率工作，甚至可以作为某些类型低频弯张换能器的驱动单元，是传统低频换能器驱动方式的有效补充。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明换能器最佳实施例的结构示意图。

图2是第一辐射盖板的结构示意图。

图3是第二辐射盖板的结构示意图。

图4是波纹管的结构示意图。

图5是现有技术中换能器的结构，其中，图a为对称双叠片弯曲圆盘换能器结构示意图，图b为带有溢流腔的耐压型弯曲圆盘换能器结构示意图。

图中：1、第一辐射盖板，11、第一辐射端，11a、第一锥形部，12、第一伸缩柱，13、第一辐射端壳体，2、第二辐射盖板，21、第二辐射端，21a、第二锥形部，22、第二伸缩柱，23、第二辐射端壳体，3、金属弯曲圆盘，4、简支环连接件，5、压电陶瓷片，6、波纹管，61、第一连接部，62、伸缩部，63、第二连接部。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本发明的一种双向多级并联弯曲圆盘换能器，包括相对设置的第一辐射盖板1和第二辐射盖板2，以及压电陶瓷片5；第一辐射盖板1和第二辐射盖板2整体的截面为U型，且内部均设有容纳压电陶瓷片5的腔体，可以选用钛合金、不锈钢、铝等材料。本实施例中第一辐射盖板1和第二辐射盖板2的结构相同，且沿节平面对称设置。

如图2-图3所示，第一辐射盖板1包括第一辐射端11、第一伸缩柱12和第一辐射端壳体13，第二辐射盖板2包括第二辐射端21、第二伸缩柱22和第二辐射端壳体23。

第一辐射端11与第二辐射端21的辐射方向相反。第一伸缩柱12设置在第一辐射端11的内侧，且第一伸缩柱12位于第一辐射盖板1的腔体内；第二伸缩柱22设置在第二辐射端21的内侧，且第二伸缩柱22位于第二辐射盖板2的腔体内；所述第一伸缩柱12和第二伸缩柱22上均沿轴向串联有多组金属弯曲圆盘3，所述压电陶瓷片5设置在金属弯曲圆盘3上，相邻金属弯曲圆盘3的外缘之间通过简支环进行轴向连接。还包括简支环连接件4，所述相邻金属弯曲圆盘3的外缘之间通过简支环连接件4通过简支环进行轴向连接。简支环连接件4采用高强度金属材质制成，如：钛合金、不锈钢、铝等材料。

第一辐射端11和第二辐射端21的外缘相向翻折分别形成第一辐射端壳体13和第二辐射端壳体23，第一辐射端壳体13和第二辐射端壳体23之间通过伸缩件连接。由于使用时，内部压电陶瓷振动，会产生轴向方向上的变形，因此，采用了可伸缩件连接第一辐射端壳体13和第二辐射端壳体23，以保证轴向变形。两壳体共同围成容纳压电陶瓷片5的腔体。

第一辐射端11与第一伸缩柱12连接的一侧设有第一锥形部11a，第一锥形部11a的小端与第一伸缩柱12连接；所述第二辐射端21与第二伸缩柱22连接的一侧设有第二锥形部21a，第二锥形部21a的小端与第二伸缩柱22连接。辐射端设置为锥形结构，可以增加能量辐射端的刚性和辐射面积，改善辐射特性，使辐射更加均匀。

避免两辐射端的相互影响，所述第一伸缩柱12和第二伸缩柱22相对的端部分离或轴向活动连接，保证轴向变形稳定。本实施例中两伸缩柱采用相互分离的结构，分离的位置位于节平面。

金属弯曲圆盘3上可以仅在一侧表面设置压电陶瓷，也可以在两侧均设置压电陶瓷，以增加驱动能力，根据输出能量的需要进行设置；由于金属弯曲圆盘3为并联结构，当两侧均设置压电陶瓷时，相邻金属弯曲圆盘3之间的压电陶瓷会正对，因此，为了避免振动时相互干扰，相邻金属弯曲圆盘3之间的上下压电陶瓷片5之间留有一定的间距。

如图4所示，伸缩件采用波纹管6，波纹管6可以选用不锈钢材质制成，波纹管6包括一体连接的第一连接部61、伸缩部62和第二连接部63，所述第一连接部61和第二连接部63分别设置在伸缩部62的两端。伸缩部62可以沿轴向伸长和缩短，而第一连接部61和第二连接部63不会产生伸缩变形，便于与相邻结构的固定连接。本实施例中第一连接部61和第二连接部63的端部内侧均设有台阶，分别用于与第一辐射端壳体13和第二辐射端壳体23连接。所述第一辐射盖板1、第二辐射盖板2和波纹管6的外侧还设有一层防水层，防水层可以采用防腐胶。

工作原理：

当对换能器施加对应频率的电信号时，压电陶瓷片5产生径向的变形，由于压电陶瓷片5是固定在金属弯曲圆盘3上的，因此，将带动金属弯曲圆盘3产生径向变形，从而使伸缩柱产生轴向的伸缩变形，从而输出能量，实现声辐射。

由于金属弯曲圆盘3是采用简支环连接件4并联在一起的，因此，在保证低频性能的同时，提高了径向的耐压强度。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种双向多级并联弯曲圆盘换能器，其特征在于：包括相对设置的第一辐射盖板和第二辐射盖板，其中，第一辐射盖板上设有第一辐射端，所述第一辐射端的内侧设有第一伸缩柱；第二辐射盖板上设有与第一辐射端辐射方向相反的第二辐射端，所述第二辐射端的内侧设有第二伸缩柱；所述第一伸缩柱和第二伸缩柱上均沿轴向串联有多组金属弯曲圆盘，所述压电陶瓷片设置在金属弯曲圆盘上，相邻金属弯曲圆盘的外缘之间进行轴向连接。

2.如权利要求1所述的双向多级并联弯曲圆盘换能器，其特征在于：所述第一辐射端和第二辐射端的外缘相向翻折分别形成第一辐射端壳体和第二辐射端壳体，第一辐射端壳体和第二辐射端壳体之间通过伸缩件连接。

3.如权利要求1所述的双向多级并联弯曲圆盘换能器，其特征在于：还包括简支环连接件，所述相邻金属弯曲圆盘的外缘之间通过简支环连接件实现轴向连接。

4.如权利要求1所述的双向多级并联弯曲圆盘换能器，其特征在于：所述第一辐射端与第一伸缩柱连接的一侧设有第一锥形部，第一锥形部的小端与第一伸缩柱连接；所述第二辐射端与第二伸缩柱连接的一侧设有第二锥形部，第二锥形部的小端与第二伸缩柱连接。

5.如权利要求1所述的双向多级并联弯曲圆盘换能器，其特征在于：所述第一伸缩柱和第二伸缩柱相对的端部分离或轴向活动连接。

6.如权利要求2-5任一项所述的双向多级并联弯曲圆盘换能器，其特征在于：所述金属弯曲圆盘上下两表面中至少有一侧设置有压电陶瓷片，且当金属弯曲圆盘两侧均设有压电陶瓷片时，相邻金属弯曲圆盘之间的上下压电陶瓷片之间留有一定的间距。

7.如权利要求6所述的双向多级并联弯曲圆盘换能器，其特征在于：所述伸缩件为波纹管，所述波纹管包括一体连接的第一连接部、伸缩部和第二连接部，所述第一连接部和第二连接部分别设置在伸缩部的两端。

8.如权利要求7所述的双向多级并联弯曲圆盘换能器，其特征在于：所述第一辐射盖板、第二辐射盖板和波纹管的外侧还设有一层防水层。

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