CN111464915B - 一种新型收发合置椭圆环换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型收发合置椭圆环换能器，包括由一体式压电陶瓷椭圆环、设置在一体式压电陶瓷椭圆环上方的顶盖板、设置在一体式压电陶瓷椭圆环下方的底盖板组成的椭圆体结构，在一体式压电陶瓷椭圆环与顶盖板之间及一体式压电陶瓷椭圆环与底盖板之间均设有去耦垫，在一体式压电陶瓷椭圆环的外表面设有橡胶层，在上盖板上开设有电缆连接孔；一体式压电陶瓷椭圆环沿壁厚方向极化，在一体式压电陶瓷椭圆环的内外表面各引出一电极线，电缆与一体式压电陶瓷椭圆环的两电极电连接。本发明兼具低频、小尺寸、结构简单、较大功率、较高灵敏度等特点，且结合一体式压电陶瓷椭圆环的四节点弯曲振动模态具有更低的谐振频率及较好的辐射和接收能力。

Description

一种新型收发合置椭圆环换能器

技术领域

本发明属于水声换能器领域，尤其是涉及一种新型收发合置椭圆环换能器。

背景技术

随着自主控制技术、动力能源技术的突破，水下与水面信息联通能力的加强，水下无人系统将逐渐替代部分传统平台执行各种任务，逐渐成为水下前沿科技各环节的主体力量。

随着各种水下小目标平台的广泛使用，由于其储能、空间、载重十分有限，对其可搭载的声学系统提出来了新的要求，对低频发射及接收换能器的尺寸和重量有着严格的要求，所以开展低频换能器实现小尺寸、轻重量、高灵敏度性能的研究对于小平台的应用具有重要的意义。

常规圆环换能器一般只应用阶次较高的径向振动模态，具有较好的接收及辐射能力，而其基频模态为四节点的弯曲振动模态，具有更低的振动频率，但由其辐射表面节点两侧的振动幅度及面积相当，又振动相位相反，就使得辐射能力非常低，实际中不能应用。而圆环换能器低频接收灵敏度较低，较多以标准水听器应用。

针对上述圆环换能器四节点的弯曲振动模态难于应用的问题，本申请提出一种新型小尺寸收发合置椭圆环换能器，来解决常规圆环换能器一般只应用径向振动模态向外辐射声能量，导致工作频率较高的问题及常规圆环换能器低频接收灵敏度较低问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种新型收发合置椭圆环换能器，兼具低频、小尺寸、结构简单、较大功率、较高灵敏度等特点，且结合一体式压电陶瓷椭圆环的四节点弯曲振动模态(即一阶弯曲振动模态)具有更低的谐振频率及较好的辐射和接收能力。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种新型收发合置椭圆环换能器，包括由一体式压电陶瓷椭圆环、设置在一体式压电陶瓷椭圆环上方的顶盖板、设置在一体式压电陶瓷椭圆环下方的底盖板组成的椭圆体结构，在一体式压电陶瓷椭圆环与顶盖板之间及一体式压电陶瓷椭圆环与底盖板之间均设有去耦垫，在椭圆体结构的外表面设有橡胶层，在顶盖板上开设有电缆连接孔；所述的一体式压电陶瓷椭圆环沿壁厚方向极化，在一体式压电陶瓷椭圆环的内外表面各引出一电极线，电缆通过顶盖板上的电缆连接孔与一体式压电陶瓷椭圆环的两电极电连接。

进一步的，所述一体式压电陶瓷椭圆环沿椭圆环的厚度方向同向极化，且一体式压电陶瓷椭圆环的内外表面分别引出一电极线。

进一步的，将所述一体式压电陶瓷椭圆环以四节点弯曲振动模态节点分界，沿椭圆环向分为四个区域，且相邻区域沿椭圆环的厚度极化方向相反，一体式压电陶瓷椭圆环的内部四个电极面通过导线并联后引出一个电极线，一体式压电陶瓷椭圆环的外部四个电极面通过导线并联后引出另一个电极线。

进一步的，椭圆体结构的外表面用透声聚氨酯橡胶灌封硫化。

进一步的，在顶盖板与电缆接触位置处灌封出一个梯形结构。

进一步的，顶盖板和底盖板是由铝合金金属材料或聚甲醛非金属材料加工而成，其外结构轮廓线为椭圆。

进一步的，去耦垫是由软木橡胶制作而成，其内外结构轮廓线为椭圆，上下表面平整光滑。

进一步的，所述一体式压电陶瓷椭圆环、去耦垫、顶盖板和底盖板的椭圆外轮廓尺寸相同。

相对于现有技术，本发明所述的一种新型收发合置椭圆环换能器具有以下优势：

本发明所述的一种新型收发合置椭圆环换能器，

本发明克服了常规圆环换能器一般只应用径向振动模态向外辐射声能量，导致工作频率较高的问题，采用一体式压电陶瓷椭圆环的结构，构成新型低频小尺寸椭圆环换能器，激励出椭圆环的四节点弯曲振动模态(即一阶弯曲振动模态)，利用椭圆环四节点弯曲振动模态(即一阶弯曲振动模态)具有更低的谐振频率的特性，从而使椭圆环换能器具有低频、小尺寸等特点；通过把压电陶瓷圆环改为压电陶瓷椭圆环结构，使得四节点弯曲振动模态(即一阶弯曲振动模态)节点两侧的振动幅度及其辐射面积发生改变，从而减小辐射面振动反向区，以实现更低的谐振频率及较好的辐射和接收能力。

本申请的椭圆环换能器可以用于水中声信号的接收，由于椭圆环具有小尺寸下较低谐振频率的特性，其用于谐振式接收或者标准水听器都具有较高的灵敏度等级。

本水声换能器一体式压电陶瓷椭圆环的设计，相对拼接的椭圆环换能器来说可以达到更小的尺寸，因此它具有小尺寸、重量轻、易于布阵，兼具低频、较大功率、较高接收灵敏度、等特点，可以单独使用或者组阵应用于各种UUV小目标平台等领域。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种新型收发合置椭圆环换能器的外形结构示意图；

图2为本发明实施例所述的一种新型收发合置椭圆环换能器的剖面示意图；

图3为一体式椭圆环的结构示意图；

图4为是本发明换能器用分电极一体式椭圆环结构示意图；

图5为是本发明换能器应用的四节点弯曲振动模态(即一阶弯曲振动模态)图。

附图标记说明：

1-一体式压电陶瓷椭圆环，2-去耦垫，3-顶盖板，4-底盖板，5-橡胶层，6-电缆，7-电缆连接孔，8-梯形结构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图2所示，一种新型收发合置椭圆环换能器，包括由一体式压电陶瓷椭圆环1、设置在一体式压电陶瓷椭圆环1上方的顶盖板3、设置在一体式压电陶瓷椭圆环1下方的底盖板4组成的椭圆体结构，在一体式压电陶瓷椭圆环1与顶盖板3之间及一体式压电陶瓷椭圆环1与底盖板4之间均设有去耦垫2，在椭圆体结构的外表面设有橡胶层5，在顶盖板3上开设有电缆连接孔7；所述的一体式压电陶瓷椭圆环1沿壁厚方向极化，在一体式压电陶瓷椭圆环1的内外表面各引出一电极线，且所述电极线由焊接导线引出电极两端，电缆6通过顶盖板3上的电缆连接孔7与一体式压电陶瓷椭圆环1的两电极电连接。

如图3和图4所示，一体式压电陶瓷椭圆环1可以为图3所示的极化及电连接形式，沿椭圆环厚度同向极化，内外表面引出电极线；也可以为图4所示的分区域极化和电连接形式，把一体式压电陶瓷椭圆环以四节点弯曲振动模态(即一阶弯曲振动模态)节点分界，沿椭圆环向分为四个区域(两个a区域，两个b区域)，其中相邻区域沿厚度极化方向相反，椭圆环内部四个电极面并联引出一个电极线，椭圆环外部四个电极面并联引出另一个电极线；此种极化方式是在一体陶瓷椭圆环上分区涂覆电极层，且相邻两个分区上涂覆的电极层之间设有间隙，从而实现相邻区域沿厚度极化方向相反。

如图4所示采用此种极化及电连接方式的椭圆环，通过对椭圆环分区域(a和b)极化，使前后两陶瓷区域(a区域)与左右两陶瓷区域(b区域)振动相位相反，实现与图5所示的四节点弯曲振动模态位移分布特性相吻合，以增加椭圆环换能器的辐射能力，增大辐射声功率及接收灵敏度。实际应用中综合考虑椭圆环极化方式，图3形式简单易于实现，图4形式复杂实现难度高，但性能优异。

本发明的新型小尺寸收发合置椭圆环换能器，椭圆环1、去耦垫2、顶盖板3、底盖板4的外轮廓结构都为椭圆、尺寸相同，可以形成内部具有空腔的密闭椭圆柱体，并与橡胶层6内表面充分接触，实现水密及其振动传递。

顶盖板3和底盖板4是由铝合金金属材料或者强度较大的聚甲醛非金属材料加工而成，其外结构轮廓线为椭圆，两个盖板外结构尺寸相同，顶盖板处开有电缆连接孔7，用于通过电连接的水密电缆。

去耦垫2是由软木橡胶制作而成，其内外结构轮廓线为椭圆，上下表面平整光滑，与一体式压电陶瓷椭圆环1上下端面及盖板表面充分接触，在高度方向实现对一体式压电陶瓷椭圆环1振动的去耦作用，实现类似自由的边界条件。

橡胶层6是由JA-2S型聚氨酯橡胶灌封硫化而成，其透声性能、耐水性与绝缘性能良好，具有一定硬度，抗磨擦和抗一定的冲击力。在顶盖板3与电缆6连接处灌封出一个梯形结构8，增加与橡胶层6电缆的接触面积，实现较好的水密。

本申请的收发合置椭圆环换能器，通过增大椭圆环的长短轴比值，使得四节点弯曲振动模态(即一阶弯曲振动模态)节点两侧的振动幅度及其辐射面积发生改变，从而减小辐射面振动反向区，提高低频声辐射能力，使换能器兼顾低频、小尺寸、较大功率辐射、较高灵敏度的特点。

本发明的换能器在水中作为发射声源工作时，对一体式压电陶瓷椭圆环内外电极面加电，在电场激励下，激励出整体椭圆环的四节点弯曲振动模态(即一阶弯曲振动模态)，在椭圆环的短轴处具有较大的往复振动位移，实现低频的声辐射；作为接收水听器工作时，一体式压电陶瓷椭圆环外表面受水中声压作用产生形变，从而在两电极面产生电荷，在电极面间形成电势差，实现低频声波的高灵敏度接收感知。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新型收发合置椭圆环换能器，其特征在于：包括由一体式压电陶瓷椭圆环(1)、设置在一体式压电陶瓷椭圆环(1)上方的顶盖板(3)、设置在一体式压电陶瓷椭圆环(1)下方的底盖板(4)组成的椭圆体结构，在一体式压电陶瓷椭圆环(1)与顶盖板(3)之间及一体式压电陶瓷椭圆环(1)与底盖板(4)之间均设有去耦垫(2)，在椭圆体结构的外表面设有橡胶层(5)，在顶盖板(3)上开设有电缆连接孔(7)；所述的一体式压电陶瓷椭圆环(1)沿壁厚方向极化，在一体式压电陶瓷椭圆环(1)的内外表面各引出一电极线，电缆(6)通过顶盖板(3)上的电缆连接孔(7)与一体式压电陶瓷椭圆环(1)的两电极电连接；

所述一体式压电陶瓷椭圆环(1)沿椭圆环的厚度方向同向极化，且一体式压电陶瓷椭圆环(1)的内外表面分别引出一电极线；

或将所述一体式压电陶瓷椭圆环(1)以四节点弯曲振动模态节点分界，沿椭圆环向分为四个区域，且相邻区域沿椭圆环的厚度极化方向相反，一体式压电陶瓷椭圆环(1)的内部四个电极面通过导线并联后引出一个电极线，一体式压电陶瓷椭圆环(1)的外部四个电极面通过导线并联后引出另一个电极线；极化方式是在一体陶瓷椭圆环上分区涂覆电极层，且相邻两个分区上涂覆的电极层之间设有间隙，从而实现相邻区域沿厚度极化方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种新型收发合置椭圆环换能器，其特征在于：椭圆体结构的外表面用透声聚氨酯橡胶灌封硫化。

3.根据权利要求2所述的一种新型收发合置椭圆环换能器，其特征在于：在顶盖板(3)与电缆(6)接触位置处灌封出一个梯形结构(8)。

4.根据权利要求1所述的一种新型收发合置椭圆环换能器，其特征在于：顶盖板(3)和底盖板(4)是由铝合金金属材料或聚甲醛非金属材料加工而成，其外结构轮廓线为椭圆。

5.根据权利要求4所述的一种新型收发合置椭圆环换能器，其特征在于：去耦垫(2)是由软木橡胶制作而成，其内外结构轮廓线为椭圆，上下表面平整光滑。

6.根据权利要求5所述的一种新型收发合置椭圆环换能器，其特征在于：所述一体式压电陶瓷椭圆环(1)、去耦垫(2)、顶盖板(3)和底盖板(4)的椭圆外轮廓尺寸相同。

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