CN111263266A - 双向多级串联弯曲圆盘换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双向多级串联弯曲圆盘换能器，包括折回结构体、可伸缩壳体和压电陶瓷片，所述可伸缩壳体套设在折回结构体的外侧，折回结构体上沿轴向间隔设有多层压电陶瓷片，且所述折回结构体沿轴向设有第一辐射端和第二辐射端，所述第一辐射端和第二辐射端的能量输出方向相反。其中，折回结构体采用多级串联的压电驱动方式，与现有技术中的换能器相比，在同等频率、功率条件下，该换能器为具有更小尺度，更轻重量，更高功率密度的低频大功率换能器。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。

Description

双向多级串联弯曲圆盘换能器

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串联弯曲圆盘换能器。

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增加圆盘换能器的直径来获取低频换能器，由于换能器直径增加，导致降低了换能器的耐压强度，这种方式虽然可以获得更低的频率，但是是以牺牲耐压强度为代价的，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串联弯曲圆盘换能器，兼具小型化，轻量化，大负载，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：一种双向多级串联弯曲圆盘换能器，包括折回结构体、可伸缩壳体和压电陶瓷片，所述可伸缩壳体套设在折回结构体的外侧，折回结构体上沿轴向间隔设有多层压电陶瓷片，且所述折回结构体沿轴向设有第一辐射端和第二辐射端，所述第一辐射端和第二辐射端的辐射方向相反。采用折回结构体实现换能器的串联结构，从而在保证单个换能器耐压强度不被降低的情况下，降低了换能器的频率，获得低频换能器结构；折回结构体设置两个辐射端，可以满足双向辐射的需要。折回结构体的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，且方向相反；在节平面的节点处的变形量为零，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。由于使用时，内部压电陶瓷在电信号驱动下产生径向形变，会带动折回结构体产生轴向方向上的变形，因此，采用了可伸缩壳体以保证辐射面作轴向振动。

具体的，所述折回结构体包括上辐射盖板、折回部、颈部和下辐射盖板，所述折回部为多级折回层串联的结构，且设置在上辐射盖板和下辐射盖板之间，相邻折回层之间以及折回层与上辐射盖板和下辐射盖板之间均采用颈部连接，且所述颈部的外径尺寸小于折回部的外径尺寸。上辐射盖板和下辐射盖板分别作为第一辐射端和第二辐射端的能量辐射部；折回部的外径尺寸小于伸缩壳体的内径尺寸，便于变形。

进一步，每一级所述折回层内均设有中空的折回腔。折回腔可以是一个整体腔体，也可以是多个腔体沿轴向层级设置。压电陶瓷直接设置在实心或刚性强的弹性结构上以保证足够的耐压强度和振动幅度，折回层内部设置中空的折回腔便于在压电陶瓷产生变形时有足够的自由空间，使变形的能量进行传递。

进一步，所述上辐射盖板与颈部连接的一侧设有上锥部，上锥部的小端与相邻的颈部连接；所述下辐射盖板与颈部连接的一侧设有下锥部，下锥部的小端与相邻的颈部连接。上辐射盖板和下辐射盖板设置为锥形结构，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，所述折回层上下两表面中至少有一侧设置有压电陶瓷片。当折回层两侧均设有压电陶瓷片时，相邻折回层之间的上下压电陶瓷片之间设有一定的间距。折回层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，增加驱动能力，根据输出能量的需要进行设置；由于折回层为串联结构，当两侧均设置压电陶瓷时，相邻折回层之间的压电陶瓷会正对，因此，为了避免振动时相互干涉，留有一定的间距。

具体的，为了便于设计连接，所述可伸缩壳体包括波纹管和承压筒，所述波纹管和承压筒串联后设置在折回结构体的外侧。将可伸缩壳体分为可伸缩的波纹管和不可伸缩的承压筒两部分，一方面保证了轴向变形，另一方面采用承压筒可以实现与外部结构的固定连接。波纹管和承压筒可以一体连接，也可以分体连接。

进一步，为了便于波纹管与其他结构连接，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。

具体的，所述波纹管为两个，分别为上波纹管和下波纹管，所述承压筒为一个，上波纹管和下波纹管分别连接在承压筒的上下两端，上波纹管、承压筒和下波纹管依次连接形成一筒状结构套设在折回结构体的外侧，且上波纹管的上部与折回结构体的上端连接，下波纹管的下部与折回结构体的下端连接。

进一步，为了提高耐腐蚀性和防水性，折回结构体、波纹管和承压筒的外侧还设有一层防水层，防水层可以采用耐腐蚀的防腐胶。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种双向多级串联弯曲圆盘换能器，折回结构体采用多级串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、功率条件下，该换能器为具有更小尺度，更轻重量，更高功率密度的低频大功率换能器。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是图1中换能器的剖面结构示意图。

图3是折回结构体的结构示意图。

图4是上/下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、折回结构体，11、上辐射盖板，12、上锥部，13、折回部，14、颈部，15、折回腔，16、下锥部，17、下辐射盖板，2、上波纹管，3、承压筒，4、下波纹管，5、压电陶瓷片，21、第一连接部，22、伸缩部，23、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和图2所示，本发明的一种双向多级串联弯曲圆盘换能器，包括折回结构体1、可伸缩壳体和压电陶瓷片5，可伸缩壳体包括波纹管和承压筒3，所述波纹管和承压筒3串接后套设在折回结构体1的外侧，折回结构体1上间隔设有多层压电陶瓷片5，且所述折回结构体1沿轴向设有第一辐射端和第二辐射端，所述第一辐射端和第二辐射端的辐射方向相反。折回结构体1可以选用钛合金、不锈钢、铝等材料。承压筒3优选耐腐蚀的不锈钢材料。波纹管可以采用一个设置在中间位置或者采用两个设置在两端，本实施例中以一个承压筒3和上下两个波纹管，即上波纹管2和下波纹管4，为例进行结构的说明，承压筒3和波纹管的结构不限于该实施例的结构。上波纹管2和下波纹管4分别连接在承压筒3的上下两端，上波纹管2、承压筒3和下波纹管4依次连接形成一筒状结构套设在折回结构体1的外侧，且上波纹管2的上部与折回结构体1的上端连接，下波纹管4的下部与折回结构体1的下端连接。

如图3所示，折回结构体1包括上辐射盖板11、上锥部12、折回部13、颈部14、下锥部16和下辐射盖板17，所述折回部13为多级折回层串联的结构，且设置在上辐射盖板11和下辐射盖板17之间，相邻折回层之间以及折回层与上辐射盖板11和下辐射盖板17之间均采用颈部14连接，且所述颈部14的外径尺寸小于折回部13的外径尺寸。折回部13的外径尺寸小于承压筒3的内径尺寸；所述上辐射盖板11与颈部14连接的一侧设有上锥部12，上锥部12的小端与相邻的颈部14连接；所述下辐射盖板17与颈部14连接的一侧设有下锥部16，下锥部16的小端与相邻的颈部14连接。所述折回部13的每一级内设有中空的折回腔15。折回腔15可以是一个整体腔体，也可以是多个腔体沿轴向层级设置。

如图2所示，所述折回层上下两侧中至少有一侧设置有压电陶瓷片5。当折回层两侧均设有压电陶瓷片5时，相邻折回层之间的上下压电陶瓷片5之间设有一定的间距。

如图4所示，上波纹管2和下波纹管4的结构相同，包括一体连接的第一连接部21、伸缩部22和第二连接部23，所述第一连接部21和第二连接部23分别设置在伸缩部22的两端。伸缩部22可以沿轴向伸长和缩短，而第一连接部21和第二连接部23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21和第二连接部23的端部内侧均设有台阶，分别用于与折回结构体1和承压筒3连接；其中，如图2所示，上波纹管2的第一连接部21的台阶外径小于上辐射盖板11外径尺寸，使上辐射盖板11卡接在上波纹管2的第一连接的部台阶上，上波纹管2的第二连接部23的台阶处套设置在承压筒3的上端；下波纹管4的第一连接部21的台阶外径小于下辐射盖板17外径尺寸，使下辐射盖板17卡接在下波纹管4的第一连接的部台阶上，下波纹管4的第二连接部23的台阶处套设置在承压筒3的下端。波纹管可以选用不锈钢材质。为了提高耐腐蚀性，折回结构体1、波纹管和承压筒3的外侧还设有一层防水层。

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是固定在折回结构体1的折回层上的，因此，将带动折回结构体1产生轴向的伸缩变形，从而输出能量，实现声辐射。

由于折回结构体1是采用设置的折回腔15的折回层串联而成，降低了频率，而单个压电陶瓷5的直径未发生变化，又能够保证换能器的耐压强度。

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 (9)

1.一种双向多级串联弯曲圆盘换能器，其特征在于：包括折回结构体、可伸缩壳体和压电陶瓷片，所述可伸缩壳体套设在折回结构体的外侧，折回结构体上沿轴向间隔设有多层压电陶瓷片，且所述折回结构体沿轴向设有第一辐射端和第二辐射端，所述第一辐射端和第二辐射端的辐射方向相反。

2.如权利要求1所述的双向多级串联弯曲圆盘换能器，其特征在于：所述折回结构体包括上辐射盖板、折回部、颈部和下辐射盖板，所述折回部为多级折回层串联的结构，且设置在上辐射盖板和下辐射盖板之间，相邻折回层之间以及折回层与上辐射盖板和下辐射盖板之间均采用颈部连接，且所述颈部的外径尺寸小于折回部的外径尺寸。

3.如权利要求2所述的双向多级串联弯曲圆盘换能器，其特征在于：每一级所述折回层内均设有中空的折回腔。

4.如权利要求2所述的双向多级串联弯曲圆盘换能器，其特征在于：所述上辐射盖板与颈部连接的一侧设有上锥部，上锥部的小端与相邻的颈部连接；所述下辐射盖板与颈部连接的一侧设有下锥部，下锥部的小端与相邻的颈部连接。

5.如权利要求2-4任一项所述的双向多级串联弯曲圆盘换能器，其特征在于：所述折回层上下两表面中至少有一侧设置有压电陶瓷片，且当折回层两侧均设有压电陶瓷片时，相邻折回层之间的上下压电陶瓷片之间设有一定的间距。

6.如权利要求1所述的双向多级串联弯曲圆盘换能器，其特征在于：所述可伸缩壳体包括波纹管和承压筒，所述波纹管和承压筒串联后设置在折回结构体的外侧。

7.如权利要求6所述的双向多级串联弯曲圆盘换能器，其特征在于：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6所述的双向多级串联弯曲圆盘换能器，其特征在于：所述波纹管为两个，分别为上波纹管和下波纹管，所述承压筒为一个，上波纹管和下波纹管分别连接在承压筒的上下两端，上波纹管、承压筒和下波纹管依次连接形成一筒状结构套设在折回结构体的外侧，且上波纹管的上部与折回结构体的上端连接，下波纹管的下部与折回结构体的下端连接。

9.如权利要求6所述的双向多级串联弯曲圆盘换能器，其特征在于：所述折回结构体、波纹管和承压筒的外侧还设有一层防水层。

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