CN111822315A - 一种基于气体弹簧的电磁式水声换能器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于气体弹簧的电磁式水声换能器及控制方法，水声换能器包括围成水密空间的筒体、辐射件、密封件；水密空间内容纳有衔铁、导磁底座；导磁底座、衔铁上分别绕设有第一驱动线圈、第二驱动线圈；第一驱动线圈、第二驱动线圈由独立的交流电源供电，使得导磁底座一端、衔铁一端可产生相同或相反的磁极，两组件受电磁斥力或电磁吸力而振动；导磁底座和衔铁之间充有气体当作气体弹簧，用以平衡静水压并提供振动所需刚度。前段振动周期中，控制驱动电流产生电磁斥力推动衔铁从初始平衡位置运动，后段振动周期，主要依靠电磁吸力将衔铁拉回平衡位置。本发明电磁推力更大，振动幅度更大，实现小体积轻重量产生大功率超低频声波输出。

Description

一种基于气体弹簧的电磁式水声换能器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于气体弹簧的电磁式（变磁阻式）水声换能器及控制方法，尤其涉及一种用于海洋探测的超低频大功率电磁式水声换能器装置。

背景技术

现今的海洋探测主要依赖于声波，声波在海中的传播距离与频率密切相关，声波的频率越低在水中传播的距离就越远。目前使用的有源材料为核心的低频大功率水声换能器工作频率多在300 Hz以上频段，在水中衰减很大，能量传递效率很低。对于更低频段（如100 Hz以下的超低频段）的应用需求，这些换能器尺寸重量将变得非常巨大，造价也很昂贵。而动圈式、爆炸式超低频声源又存在着功率小、辐射弱、不稳定、连续性不佳等一系列问题。

发明内容

本发明要解决的问题是针对传统低频换能器尺寸大、功率小、辐射弱的问题，提供一种基于气体弹簧的电磁式水声换能器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于气体弹簧的电磁式水声换能器，包括筒体、密封件、与筒体内壁面滑动连接且可沿筒体轴线方向滑动的辐射件，所述筒体、辐射件分别与密封件固定连接，所述筒体、密封件、辐射件围成水密空间；

所述水密空间内容纳有固定于辐射件上的衔铁、在筒体轴线方向上与衔铁相对设置的导磁底座；

所述导磁底座上绕设有第一驱动线圈，所述衔铁上绕设有第二驱动线圈；

所述第一驱动线圈、第二驱动线圈分别通有交变电流，使得靠近衔铁的导磁底座一端、靠近导磁底座的衔铁一端产生相同或者相反的磁极；

所述导磁底座和衔铁之间设置有气体弹簧，用以平衡静水压和提供刚度。

进一步地，所述筒体一端具有开口，所述辐射件设置于筒体一端的开口位置，所述导磁底座固定于与辐射件相对的筒体另一端的内底面上。

进一步地，所述筒体包括与辐射件相对设置的重量块、固定设置在重量块上的筒状壳体，所述辐射件为轻质金属材料，所述导磁底座固定于重量块上，所述重量块、筒状壳体、密封件、辐射件依次连接从而围成所述水密空间。所述辐射件可采用铝合金。所述重量块可采用黄铜。通过将辐射件设置为轻质金属材料，使得辐射件更易于进行往复运动。通过设置重量块，使得筒体可以较为稳定的设置。

进一步地，所述筒状壳体包括固定设置在重量块上的第一筒状结构和固定设置于第一筒状结构上的第二筒状结构，所述重量块、第一筒状结构、第二筒状结构、密封件、辐射件依次连接从而围成所述水密空间，所述第一筒状结构的内径小于第二筒状结构的内径，所述第一筒状结构的内腔与第二筒状结构的内腔相互连通；

所述辐射件与第二筒状结构的内壁面滑动连接；

所述第二筒状结构的内腔在筒体轴线方向上的深度大于辐射件在筒体轴线方向上的厚度。

通过上述设置，使得辐射件仅在第二筒状结构内往复运动，实现对水面的拍击作用，而且可以限制辐射件的运动区域，避免辐射件过于靠近导磁底座。

进一步地，所述筒体两端具有开口，所述辐射件包括分别设置于筒体两端开口位置的第一辐射件、第二辐射件，所述第一辐射件、第二辐射件分别与筒体内壁面滑动连接；

所述第二辐射件、第一辐射件均可沿筒体轴线方向滑动；

所述衔铁固定于第一辐射件的壁面上；

所述导磁底座固定于第二辐射件的壁面上。

通过上述设置，使得第一辐射件、第二辐射件均可以实现往复运动，实现对水面的拍击作用，增大换能效果。

进一步地，所述筒体包括第一筒状结构、分别位于第一筒状结构两侧的第二筒状结构、第三筒状结构；

所述第二筒状结构、第三筒状结构的内径均大于第一筒状结构的内径，所述第二筒状结构的内腔、第一筒状结构的内腔、第三筒状结构的内腔相互连通；

所述第二辐射件、第三筒状结构、第一筒状结构、第二筒状结构、第一辐射件依次连接围成所述水密空间；

所述第一辐射件与第二筒状结构的内壁面滑动连接；

所述第二辐射件与第三筒状结构的内壁面滑动连接；

所述第二筒状结构的内腔在筒体轴线方向上的深度大于第一辐射件在筒体轴线方向上的厚度；

所述第三筒状结构的内腔在筒体轴线方向上的深度大于第二辐射件在筒体轴线方向上的厚度。

通过上述设置，使得第一辐射件仅在第二筒状结构内往复运动，第二辐射件仅在第三筒状结构内往复运动，实现对水面的拍击作用，而且可以限制辐射件的运动区域，避免辐射件过于靠近导磁底座。

进一步地，所述密封件为环状弹性密封结构；所述筒体外端面、辐射件外端面分别与环状弹性密封结构固定连接，或所述筒体内壁面、辐射件外端面分别与环状弹性密封结构固定连接，或所述筒体外端面、辐射件外壁面分别与环状弹性密封结构固定连接。

申请人研究时发现，由于换能器需要拍击水，因此辐射件需与筒体相对运动，因此不易将辐射件、筒体密封。通过设置环状弹性密封结构，由于环状弹性密封结构具有弹性，使得辐射件往复运动时，环状弹性密封结构伸缩，仍然可以保持辐射件与筒体的密封性能。

进一步地，所述导磁底座、衔铁均为E形结构；

所述E形结构的导磁底座具有位于中间的第一凸起部分和位于第一凸起部分两侧的第二凸起部分，所述第一驱动线圈绕设于导磁底座的第一凸起部分；

所述E形结构的衔铁具有位于中间的第三凸起部分和位于第三凸起部分两侧的第四凸起部分，所述第二驱动线圈绕设于衔铁的第三凸起部分；

所述导磁底座的各个凸起部分与所述衔铁的各个凸起部分分别相对设置。

通过将导磁底座、衔铁设置为E形结构，使得装置稳定性更好，避免由于电磁力使得装置振动。

进一步地，所述导磁底座或衔铁上设置有用于测量导磁底座和衔铁之间间隙的间隙传感器。

进一步地，所述导磁底座上设置有用于测量流过第一驱动线圈的电流的传感器，所述衔铁上设置有用于测量流过第二驱动线圈的电流的传感器。

进一步地，所述换能器还包括用于向水密空间内充入压缩气体或将水密空间内的压缩气体抽出的压力调控装置，所述压力调控装置设置于筒体外部。该压力调控装置可根据不同的工作水深要求，调整填充气体用以平衡静水压，同时也可根据工作频率调节气体弹簧的刚度。

本发明还提供一种利用上述任一项所述的电磁式水声换能器的控制方法，

定义第一时间段为靠近衔铁的导磁底座一端、靠近导磁底座的衔铁一端产生相同磁极所持续的时间段；

定义第二时间段为靠近衔铁的导磁底座一端、靠近导磁底座的衔铁一端产生相反的磁极所持续的时间段；

所述控制方法包括：所述第一驱动线圈、第二驱动线圈分别通入电流，使得所述第一时间段、第二时间段交替进行。

本申请中，在第一时间段内，通过第一驱动线圈2、第二驱动线圈7的电流方向相同，因此产生电磁斥力推动衔铁从初始平衡位置运动，第二时间段内，通过第一驱动线圈2、第二驱动线圈7的电流方向相反，因此主要依靠电磁吸力将衔铁拉回平衡位置。其核心就是采用压力调控气体代替物理弹簧平衡静水压产生满足振动要求的间隙与系统所需的刚度，再控制驱动电流使衔铁受电磁力驱动在平衡位置往返振动。

上述技术方案中，流过第一驱动线圈或第二驱动线圈的电流为正弦电流，流过第二驱动线圈或第一驱动线圈的电流为所述正弦电流的绝对值；

所述正弦电流的每个周期的前半个周期、后半个周期分别为第一时间段、第二时间段，靠近衔铁的导磁底座一端、靠近导磁底座的衔铁一端在第一时间段产生相同磁极，靠近衔铁的导磁底座一端、靠近导磁底座的衔铁一端在第二时间段产生相反磁极。

本发明提出的一种基于气体弹簧的大功率超低频电磁式水声换能器采用了由导磁底座、衔铁、第一驱动线圈、第二驱动线圈组成的电磁振动结构，并在水密空间中填充气体构成气体弹簧，替代传统的物理弹簧。在驱动电流作用下产生电磁斥力与吸力使衔铁在初始平衡位置进行振动，其电磁推力大，振动幅度大，利于实现小体积轻重量产生大功率超低频输出。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的实施例的具有单辐射件的基于气体弹簧的电磁式水声换能器的整体剖面结构示意图；

图2是本发明的实施例的具有双辐射件的基于气体弹簧的电磁式水声换能器的整体剖面结构示意图；

图3是本发明的实施例的基于气体弹簧的电磁式水声换能器驱动结构的剖面结构简图；

图4（a）为图1中A部分的放大示意图；

图4（b）为当筒体内壁面、辐射件外端面分别与环状弹性密封结构固定连接时替换图1中A部分的B部分的示意图；

图4（c）为当筒体外端面、辐射件外壁面分别与环状弹性密封结构固定连接时替换图1中A部分的C部分的示意图；图5（a）、图5（b）分别为本发明实施例的分别通过第一驱动线圈、第二驱动线圈的电流波形示意图。

上述附图中，1—导磁底座，2—第一驱动线圈，3—电流传感器，4—重量块，5—间隙传感器，6—衔铁，7—第二驱动线圈，8—辐射件，81—第一辐射件，82—第二辐射件，121—第一筒状结构，122—第二筒状结构，123—第三筒状结构，9—气体弹簧，10—密封件，12—筒状壳体，201—第一间隙，202—第二间隙。

具体实施方式

下面将结合本申请的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1、图3所示，本发明提供一种基于气体弹簧的电磁式水声换能器，包括筒体、密封件10、与筒体内壁面滑动连接且可沿筒体轴线方向滑动的辐射件8，所述筒体外端面、辐射件8外端面分别与密封件10固定连接，筒体、密封件10、辐射件8围成水密空间，从而防止换能器外界的水流入筒体与辐射件8之间的间隙。优选地，辐射件8在滑动过程中可与筒体内壁面滑动接触。

水密空间内容纳有固定于辐射件8壁面上的衔铁6、在筒体轴线方向8滑动方向上与衔铁6相对设置的导磁底座1；导磁底座1上绕设有第一驱动线圈2，衔铁6上绕设有第二驱动线圈7；

第一驱动线圈2、第二驱动线圈7分别通有交变电流，使得靠近衔铁6的导磁底座1一端、靠近导磁底座1的衔铁6一端产生相同或者相反的磁极。优选地，第一驱动线圈2、第二驱动线圈7分别由独立的交流电源供电。

导磁底座1和衔铁6之间设置有气体弹簧9。气体弹簧9优选可采用惰性气体。可利用现有技术，根据水深、所需工作频率计算所需气体的密度等参数，本领域技术人员可以理解。

筒体一端具有开口，辐射件8设置于筒体一端的开口位置，导磁底座1固定于筒体另一端的内底面上。

筒体包括与辐射件8相对设置的重量块4、固定设置在重量块4上的筒状壳体12，重量块4、辐射件8均为轻质金属材料，导磁底座1固定于重量块4上，重量块4、筒状壳体12、密封件10、辐射件8依次连接从而围成水密空间。

筒状壳体12包括固定设置在重量块4上的第一筒状结构121和设置于第一筒状结构121上的第二筒状结构122，重量块4、第一筒状结构121、第二筒状结构122、密封件10、辐射件8依次连接从而围成水密空间，第一筒状结构121的内径小于第二筒状结构122的内径，第一筒状结构121的内腔与第二筒状结构122的内腔相互连通，第一筒状结构121、第二筒状结构122、辐射件8依次连接围成水密空间。

图1中，第一间隙201为第二筒状结构122内腔中的间隙。

辐射件8与第二筒状结构122的内壁面滑动连接；

在辐射件8的滑动方向上，第二筒状结构122的内腔在筒体轴线方向上的深度尺寸大于辐射件8在筒体轴线方向上的厚度的尺寸。

所述密封件10为环状弹性密封结构。环状弹性密封结构可为环状橡胶。环状弹性密封结构沿筒体与辐射件8之间的环状接缝设置。

如图4（a）所示，所述筒体外端面、辐射件8外端面分别与环状弹性密封结构连接。筒体外端面、辐射件8外端面为背离水密空间的端面。靠近接缝的筒体外端面的部分和/或靠近接缝的辐射件8外端面的部分可不与环状弹性密封结构固定。这样设置，使得接缝附近的环状弹性密封结构的部分可以在辐射件8运动时伸缩，从而使得辐射件8可以具有较大的运动空间。本实施例中，环状橡胶固定设置于第二筒状结构122的外端面上。靠近接缝M1点的第二筒状结构122外端面M1点与M3点之间的部分、靠近接缝M1点的辐射件8外端面的M1点与M4点之间的部分与环状橡胶固定，且远离接缝M1点的第二筒状结构122外端面M2点与M3点之间的部分、远离接缝M1点的辐射件8外端面M4点与M5点之间的部分分别与环状橡胶固定连接，由于M3点与M4点之间的环状橡胶的部分均可不受限而自由伸缩，因此使得辐射件8在筒体轴线方向上可具有较大的运动位移。

如图4（b）所示，所述筒体内壁面、辐射件8外端面分别与环状弹性密封结构固定连接。图1中位于纸面下方的与A部分对应的部分也替换为图4（b）中的B部分，其他部分可参考图1。靠近接缝M1的筒体内壁面的部分可不与环状弹性密封结构固定。优选地，靠近接缝的辐射件8外端面的部分可不与环状弹性密封结构固定。这样设置，使得接缝附近的环状弹性密封结构的部分可以在辐射件8运动时伸缩，从而使得辐射件8可以具有较大的运动空间。

如图4（c）所示，所述筒体外端面、辐射件8外壁面分别与环状弹性密封结构固定连接。图1中位于纸面下方的与A部分对应的部分也替换为图4（c）中的C部分，其他部分可参考图1。靠近接缝M1的辐射件8外壁面的部分可不与环状弹性密封结构固定。优选地，靠近接缝的筒体外端面的部分可不与环状弹性密封结构固定。这样设置，使得接缝附近的环状弹性密封结构的部分可以在辐射件8运动时伸缩，从而使得辐射件8可以具有较大的运动空间。

导磁底座1、衔铁6均为E形结构。E形结构的导磁底座1的开口朝向E形结构的衔铁6的开口设置。

E形结构的导磁底座1具有位于中间的第一凸起部分和位于第一凸起部分两侧的第二凸起部分，第一驱动线圈2绕设于导磁底座1的第一凸起部分；

E形结构的衔铁6具有位于中间的第三凸起部分和位于第三凸起部分两侧的第四凸起部分，第二驱动线圈7绕设于衔铁6的第三凸起部分；

导磁底座1的各个凸起部分与衔铁6的各个凸起部分分别相对设置。

导磁底座1或衔铁6上设置有用于测量导磁底座1和衔铁6之间间隙的间隙传感器5；

导磁底座1上设置有用于测量流过第一驱动线圈2的电流的传感器3，和/或衔铁6上设置有用于测量流过第二驱动线圈7的电流的传感器3。

水声换能器还包括用于向水密空间内充入压缩气体或将水密空间内的压缩气体抽出的压力调控装置，压力调控装置设置于筒体外部，该压力调控装置可根据不同的工作水深要求，调整填充气体用以平衡静水压，同时也可根据工作频率调节气体弹簧的刚度。压力调控装置可通过穿过筒体壁面的连接管道与筒体内腔连通。可在连接管道与筒体壁面连接位置的四周设置防水密封结构。压力调控装置可为气泵等充放气设备，本领域技术人员可以理解。

本申请中，未在图中示出压力调控装置，本领域技术人员可以理解。

图2所示为另一种实施方式的电磁式水声换能器中，筒体两端具有开口，辐射件8包括分别设置于筒体两端开口位置的第一辐射件81、第二辐射件82，第一辐射件81、第二辐射件82分别与筒体内壁面滑动连接。所述第二辐射件82、筒体、第一辐射件81、密封件10围成所述水密空间。第一辐射件81与筒体、第二辐射件82与筒体均通过密封件10密封连接。

第二辐射件82的滑动方向与、第一辐射件81均可沿筒体轴线方向滑动的滑动方向位于同一直线上；

衔铁6固定于第一辐射件81的壁面上；

导磁底座1固定于第二辐射件82的壁面上。

筒体包括第一筒状结构121、分别位于第一筒状结构121两侧的第二筒状结构122、第三筒状结构123；

第二筒状结构122、第三筒状结构123的内径均大于第一筒状结构121的内径，第二筒状结构122的内腔、第一筒状结构121的内腔、第三筒状结构123的内腔相互连通；

第二辐射件82、第三筒状结构123、第一筒状结构121、第二筒状结构122、第一辐射件81依次连接围成水密空间；

第一辐射件81与第二筒状结构122的内壁面滑动连接；

第二辐射件82与第三筒状结构123的内壁面滑动连接；

在第一辐射面81的滑动方向上，第二筒状结构122的内腔在筒体轴线方向上的深度尺寸大于第一辐射件81在筒体轴线方向上的厚度；

在第二辐射面82的滑动方向上，第三筒状结构123的内腔在筒体轴线方向上的深度尺寸大于第二辐射件82在筒体轴线方向上的厚度。

第一辐射件81与第二筒状结构122、第二辐射件82与第三筒状结构123均通过密封件10密封连接。

图2中，第一间隙201、第二间隙202分别为第二筒状结构122、第三筒状结构123内腔中的间隙。

本申请的换能器整体结构可设置在水面下，也可设置在不同的水深下发射声波。换能器可以与其他装置配合在水下移动，或者固定在水下某一位置。筒体的轴线可位于竖直方向上，例如辐射件8位于重量块4的上方，且辐射件8在竖直方向上往复运动，拍击换能器上方的水体，或辐射件8位于重量块4的上方且在竖直方向上往复运动，拍击换能器下方的水体。筒体的轴线也可位于水平方向上，例如辐射件8位于重量块4一侧，且辐射件8在水平方向上往复运动，拍击换能器一侧的水体。

在以下实施方式中，以辐射件8位于重量块4上方为例进行说明。

本发明提供一种基于气体弹簧的电磁式水声换能器，在壳体内部设置有驱动结构和振子结构，并在内部的水密空间内填充气体，充当气体弹簧。

在电磁力、气体弹簧以及静水压力的共同作用下，振子结构在平衡位置附近往复振动，向外辐射声波，采用气体弹簧取代物理弹簧，不仅可以适应不同的工作水深和工作频率要求，而且提高了极端条件下的使用寿命。

壳体包括底部重量块4和筒状壳体12。重量块4可由黄铜制成。筒状壳体12可由不锈钢制成，壳体12固定安装在重量块上，形成密闭壳体。

驱动结构包括导磁底座1和设置于导磁底座1上的第一驱动线圈2。第一驱动线圈2可由高温漆包线绕制而成。

导磁底座1上还设置有用于测量流过第一驱动线圈2的电流的电流传感器3；电流的电流传感器3用于更好地监测换能器运行情况。

导磁底座1上方正对衔铁6，衔铁6和辐射件8始终处于正对导磁底座1的状态。导磁底座1可由硅钢片叠加制成。优选地，硅钢片为E形硅钢片。硅钢片可以抑制涡流，减小能量损耗；导磁底座1为E形结构，E形结构具有位于中间的第一凸起部分和位于第一凸起部分两侧的第二凸起部分，第一驱动线圈2绕设于第一凸起部分。

辐射件8与筒体内壁面之间可设置垫块，垫块可与筒体内壁面可拆卸连接。垫块可与筒体内壁面通过紧固件可拆卸连接，紧固件可设置于辐射件8与筒体内壁面之间，且不对辐射件8的滑动产生干涉。例如，可在筒体内壁面开设凹槽，垫块具有伸入凹槽的凸起部分和与辐射件8滑动接触的导向部分，凸起部分设置在导向部分上，导向部分可采用摩擦力较小的材料，尽量降低对辐射件8的滑动的影响，本领域技术可以理解。紧固件沿筒体轴线设置，紧固件穿过垫块的凸起部分安装在凹槽侧壁上设置的安装孔中。可在辐射件8的两侧对称设置导向件，使得衔铁6和辐射件8始终处于正对导磁底座1的状态。

振子结构包括衔铁6和辐射件8。衔铁6紧密固定在辐射件8内侧共同构成振子结构。衔铁6固定在辐射件8上。

衔铁6上设置有用于测量衔铁6和导磁底座1之间距离的间隙传感器5。衔铁6上设置有第二驱动线圈7；第二驱动线圈7绕设于衔铁6第一凸起部分。第二驱动线圈7可由高温漆包线绕制而成。衔铁6与导磁底座1关于气隙中线上下对称。衔铁6与导磁底座1形状相同，为E形结构；衔铁6与导磁底座1材料可为相同，由硅钢片叠加制成。

辐射件8与壳体12之间对称布置密封件10。密封件10可采用防水密封作用的橡胶薄层。辐射件8可由铝合金制成。密封件10密封在辐射件和壳体表面，起到防水密封的作用，同时不影响辐射件8的振动。

电流传感器3和间隙传感器5方便更好的监测换能器的工作情况。

如图2所示，一种双面辐射的电磁式水声换能器，用与辐射件8完全相同的重量块将重量块4替换掉，构成新的辐射件。并在缓冲重量块的另一侧设置同样结构的电磁式水声换能器，以实现双面辐射的电磁式水声换能器。

双面辐射的电磁式水声换能器以气隙中线为中轴，两侧结构完全一致且对称分布。单辐射件结构与双辐射件结构仅结构不同，工作原理相同。

本发明的换能器中，设置电流传感器和间隙传感器有助于换能器的稳定使用。换能器还设置重量块4和壳体12，导磁底座1，第一驱动线圈2，电流传感器3，衔铁6，第二驱动线圈7，辐射件8，间隙传感器5，气体弹簧9，密封件10。

本发明提出了一种基于气体弹簧的大功率超低频电磁式水声换能器，采用气体弹簧替代了物理弹簧，避免了物理弹簧的储能，采用电磁力驱动辐射声波。本发明是实现超低频大功率的适用电声换能装备的一种重要手段，解决了超低频声源大功率的实现和体积重量巨大之间的矛盾，采用基于气体弹簧的电磁式驱动组件作为声源的驱动。由此设计的基于气体弹簧的电磁式水声换能器具有电磁力大，振动位移大，功率大，体积小重量轻，谐振频率低，结构简单造价便宜易于推广等优点，是实现超低频大功率的适用电声换能装备的一种重要途径。基于气体弹簧的电磁式水声换能器驱动组件结构简图如图3所示，电磁式驱动组件在驱动电流激励下产生磁场，衔铁同样在通有驱动电流的第二驱动线圈激励作用下产生磁场，驱动组件与衔铁在凸起部分的磁极可相同（图3所示）或者相反（未示），产生电磁斥力与吸力。磁极相同时励磁组件与辐射件组件分别以空气作为导磁介质形成闭合磁路，或者磁极相反时通过间隙励磁组建耦合构成回路，对第一驱动线圈和第二驱动线圈中驱动电流的控制来实现辐射件组件的振动，拍击水面发出声波。电磁力和压力调控气体代替物理弹簧起一定的支撑作用平衡静水压实现满足振动要求的间隙，再控制驱动电流使电磁力发生变化使得衔铁受电磁力驱动在平衡位置往返振动。

本发明将基于气体弹簧的电磁式驱动作为换能器激发振动的核心，提供一种用于水下的超低频大功率的基于气体弹簧的电磁式水声换能器。换能器如图1所示。

本发明提出的基于气体弹簧的电磁式驱动组件可搭配不同的换能器结构制成多种类型的基于气体弹簧的电磁式水声换能器以适应不同的需求，具有普遍适用性。基于气体弹簧的电磁式水声换能器，驱动组件中衔铁和辐射件连接在一起构成辐射头组件，辐射件设计成圆盘状，驱动电流通入第一驱动线圈和第二驱动线圈产生磁场，实现衔铁在一定高度间隙处的平衡及往返振动进而通过机械结构带动圆盘形辐射件拍击水面发出声波。

本发明采用了由导磁底座、衔铁、第一驱动线圈、第二驱动线圈组成的基于气体弹簧的电磁式振子，在驱动电流作用下产生电磁力推动衔铁在平衡位置进行振动，其电磁推力大，振动幅度大，可设计成大功率高效率的换能器，实现小体积轻重量产生大功率超低频输出。

上述技术方案中，第一驱动线圈2、第二驱动线圈7分别由独立的交变电源供电，使得靠近衔铁的导磁底座一端、靠近导磁底座的衔铁一端可产生相同的磁极，或者相反的磁极，两组件受电磁斥力或吸力而振动；导磁底座和衔铁之间设置有气体弹簧，用以平衡静水压并提供振动所需的刚度。

如图5（a）、5（b）所示，前段振动周期（0到T/2）中，通过第一驱动线圈2、第二驱动线圈7的电流方向相同，因此产生电磁斥力推动衔铁从初始平衡位置运动，后段振动周期（T/2到T），通过第一驱动线圈2、第二驱动线圈7的电流方向相反，因此主要依靠电磁吸力将衔铁拉回平衡位置。其核心就是采用压力调控气体代替物理弹簧平衡静水压产生满足振动要求的间隙与系统所需的刚度，再控制驱动电流使衔铁受电磁力驱动在平衡位置往返振动。前段振动周期、后段振动周期分别对应第一时间段、第二时间段。

本发明提出的超低频大功率基于气体弹簧的电磁式水声换能器驱动组件具有一系列优点：

1．利用电磁力实现电—声转换，利用了电磁式（变磁阻式）电流与输出电磁力倍频的关系，其电磁力很大，振动位移大，易于实现水声换能器的大功率超低频发射。

2．采用电磁力实现电—声转换，在低频频段，可以大大减小换能器的体积重量，降低成本，易于操作。

3．采用气体弹簧代替传统电磁式换能器中的物理弹簧，避免了物理弹簧的储能作用，能量利用率高，效率更高。

4. 本发明采用的气体弹簧代替传统电磁式换能器中的物理弹簧，减少维护，使得极端条件下换能器的使用寿命大大提高。

5. 本发明采用的气体弹簧可以根据不同的工作水深和不同的工作频率进行调整，使用范围更加广泛。

6．本发明采用的E形导磁底座，避免了驱动时底座可能出现的振动，结构更稳定。

本发明提供的基于气体弹簧的电磁式驱动组件如图1所示，包括激励线圈组件，衔铁，第二驱动线圈，E形底座以及气体弹簧。导磁底座和衔铁在电流激励下产生磁场，分别以空气作为导磁介质形成闭合磁路。电磁力和压力调控气体代替物理弹簧起一定的支撑作用满足振动要求的间隙，再控制驱动电流使衔铁受电磁力驱动在平衡位置往返振动。

通过对第一驱动线圈和第二驱动线圈中电流的控制来实现辐射件组件的平衡及振动，拍击水面发出声波。

E形底座和E形衔铁由高导磁率的硅钢片叠加制成，导磁率高易于形成闭合磁路，硅钢片可以抑制涡流，减小能量损耗。底座，衔铁分别和空气气隙构成闭合磁路。驱动线圈由高温漆包线绕制而成，安装固定在E形底座的中部。第二驱动线圈同样由高温漆包线绕制而成，安装固定在E形衔铁的中部。第一驱动线圈2、第二驱动线圈7分别由独立的交流电源供电，使得靠近衔铁的导磁底座一端、靠近导磁底座的衔铁一端可产生相同的磁极，或者相反的磁极，两组件受电磁斥力或吸力而振动；导磁底座和衔铁之间设置有气体弹簧，提供振动所需刚度。前段振动周期中，控制驱动电流产生电磁斥力连同气体弹簧的推力共同推动衔铁在初始平衡位置进行运动，后段振动周期，主要依靠电磁吸力将衔铁拉回平衡位置。其核心就是采用压力调控气体代替物理弹簧产生满足振动要求的间隙与系统所需的刚度，再控制驱动电流使衔铁受电磁力驱动在平衡位置往返振动。

本发明的驱动结构包括两个E形导磁结构、两个线圈。基于电磁感应的原理，绕制于导磁结构上的线圈通以交变电流，两个E形导磁结构之间产生电磁斥力或吸力。E形导磁结构嵌于两端重量块上，两个E形导磁结构和两个辐射件组合共同构成双辐射件结构，换能器结构左右对称；增大一端辐射件的质量，则构成单辐射件结构；辐射件为铝合金。E形导磁结构构成的导磁底座1嵌入到第二辐射件82内侧，导磁底座上设置有用于测量线圈电流的电流传感器；辐射件上设置有用于测量导磁底座与辐射件之间距离的间隙传感器，电流传感器和间隙传感器有助于换能器的稳定使用。在辐射件、E形导磁结构与换能器外壳构建的水密空间中填充气体构成气体弹簧9，替代传统的物理弹簧，与驱动电流作用下产生的电磁力以及外水压共同作用，使得E形导磁结构构成的衔铁在初始平衡位置往返振动。气体弹簧相比于传统物理弹簧，其等效刚度小，易产生超低频谐振，有助于减小换能器的体积和重量，提高电磁机声的能量转化效率，增强电磁式水声换能器的稳定性，在极端条件下的使用寿命显著提高。

感应线圈的供电线可以从筒体侧面设置的通孔引出，可以使用本领域常用的密封件对供电线引出的位置进行密封。空气弹簧具有支撑作用，且空气弹簧可以有效增加系统的稳定性，防止电磁力过大导致系统崩溃。通过空气弹簧和电磁力共同作用，可以维持初始气隙。交变磁场驱动辐射件产生往复振动，但往复振动需要靠空气弹簧的弹性维系，增加系统的稳定性，防止吸死或崩溃。

本发明还提供一种电磁式水声换能器的控制方法，

定义第一时间段为靠近衔铁6的导磁底座1一端、靠近导磁底座1的衔铁6一端产生相同磁极所持续的时间段；

定义第二时间段为靠近衔铁6的导磁底座1一端、靠近导磁底座1的衔铁6一端产生相反的磁极所持续的时间段；

所述控制方法包括：所述第一驱动线圈2、第二驱动线圈7分别通入电流，使得所述第一时间段、第二时间段交替进行。优选地，第一时间段、第二时间段的时间长度相等。

本实施例中，第一时间段、第二时间段分别为前段振动周期、后段振动周期。

在一种优选实施方式中，流过第一驱动线圈2或第二驱动线圈7的电流为正弦电流，流过第二驱动线圈7或第一驱动线圈2的电流为所述正弦电流的绝对值；

所述正弦电流的每个周期的前半个周期、后半个周期分别为第一时间段、第二时间段，靠近衔铁6的导磁底座1一端、靠近导磁底座1的衔铁6一端在第一时间段产生相同磁极，靠近衔铁6的导磁底座1一端、靠近导磁底座1的衔铁6一端在第二时间段产生相反磁极。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。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。

Claims (10)

1.一种基于气体弹簧的电磁式水声换能器，其特征在于，包括筒体、密封件（10）、与筒体内壁面滑动连接且可沿筒体轴线方向滑动的辐射件（8），所述筒体、辐射件（8）分别与密封件（10）固定连接，所述筒体、密封件（10）、辐射件（8）围成水密空间；

所述水密空间内容纳有固定于辐射件（8）上的衔铁（6）、在筒体轴线方向上与衔铁（6）相对设置的导磁底座（1）；

所述导磁底座（1）上绕设有第一驱动线圈（2），所述衔铁（6）上绕设有第二驱动线圈（7）；

所述第一驱动线圈（2）、第二驱动线圈（7）分别通有交变电流，使得靠近衔铁（6）的导磁底座（1）一端、靠近导磁底座（1）的衔铁（6）一端产生相同或者相反的磁极；

所述导磁底座（1）和衔铁（6）之间设置有气体弹簧（9）。

2.根据权利要求1所述的电磁式水声换能器，其特征在于，所述筒体一端具有开口，所述辐射件（8）设置于筒体一端的开口位置，所述导磁底座（1）固定于与辐射件（8）相对的筒体另一端的内底面上；

优选地，所述筒体包括与辐射件（8）相对设置的重量块（4）、固定设置在重量块（4）上的筒状壳体（12），所述辐射件（8）为轻质金属材料，所述导磁底座（1）固定于重量块（4）上，所述重量块（4）、筒状壳体（12）、密封件（10）、辐射件（8）依次连接从而围成所述水密空间；

更优选地，所述筒状壳体（12）包括固定设置在重量块（4）上的第一筒状结构（121）和设置于第一筒状结构（121）上的第二筒状结构（122），所述重量块（4）、第一筒状结构（121）、第二筒状结构（122）、密封件（10）、辐射件（8）依次连接从而围成所述水密空间，所述第一筒状结构（121）的内径小于第二筒状结构（122）的内径，所述第一筒状结构（121）的内腔与第二筒状结构（122）的内腔相互连通；所述辐射件（8）与第二筒状结构（122）的内壁面滑动连接；所述第二筒状结构（122）的内腔在筒体轴线方向上的深度大于辐射件（8）在筒体轴线方向上的厚度。

3.根据权利要求1所述的电磁式水声换能器，其特征在于，所述筒体两端具有开口，所述辐射件（8）包括分别设置于筒体两端开口位置的第一辐射件（81）、第二辐射件（82），所述第一辐射件（81）、第二辐射件（82）分别与筒体内壁面滑动连接；

所述第二辐射件（82）、第一辐射件（81）均可沿筒体轴线方向滑动；

所述衔铁（6）固定于第一辐射件（81）的壁面上；

所述导磁底座（1）固定于第二辐射件（82）的壁面上。

4.根据权利要求3所述的电磁式水声换能器，其特征在于，所述筒体包括第一筒状结构（121）、分别位于第一筒状结构（121）两侧的第二筒状结构（122）、第三筒状结构（123）；

所述第二筒状结构（122）、第三筒状结构（123）的内径均大于第一筒状结构（121）的内径，所述第二筒状结构（122）的内腔、第一筒状结构（121）的内腔、第三筒状结构（123）的内腔相互连通；

所述第二辐射件（82）、第三筒状结构（123）、第一筒状结构（121）、第二筒状结构（122）、第一辐射件（81）依次连接围成所述水密空间；

所述第一辐射件（81）与第二筒状结构（122）的内壁面滑动连接；

所述第二辐射件（82）与第三筒状结构（123）的内壁面滑动连接；

所述第二筒状结构（122）的内腔在筒体轴线方向上的深度大于第一辐射件（81）在筒体轴线方向上的厚度；

所述第三筒状结构（123）的内腔在筒体轴线方向上的深度大于第二辐射件（82）在筒体轴线方向上的厚度。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的电磁式水声换能器，其特征在于，所述密封件（10）为环状弹性密封结构；

所述筒体外端面、辐射件（8）外端面分别与环状弹性密封结构固定连接，或所述筒体内壁面、辐射件（8）外端面分别与环状弹性密封结构固定连接，或所述筒体外端面、辐射件（8）外壁面分别与环状弹性密封结构固定连接。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的电磁式水声换能器，其特征在于，所述导磁底座（1）、衔铁（6）均为E形结构；

所述E形结构的导磁底座（1）具有位于中间的第一凸起部分和位于第一凸起部分两侧的第二凸起部分，所述第一驱动线圈（2）绕设于导磁底座（1）的第一凸起部分；

所述E形结构的衔铁（6）具有位于中间的第三凸起部分和位于第三凸起部分两侧的第四凸起部分，所述第二驱动线圈（7）绕设于衔铁（6）的第三凸起部分；

所述导磁底座（1）的各个凸起部分与所述衔铁（6）的各个凸起部分分别相对设置。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的电磁式水声换能器，其特征在于，所述导磁底座（1）或衔铁（6）上设置有用于测量导磁底座（1）和衔铁（6）之间间隙的间隙传感器（5）；

所述导磁底座（1）上设置有用于测量流过第一驱动线圈（2）的电流的传感器（3），所述衔铁（6）上设置有用于测量流过第二驱动线圈（7）的电流的传感器（3）。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的电磁式水声换能器，其特征在于，所述换能器还包括用于向水密空间内充入压缩气体或将水密空间内的压缩气体抽出的压力调控装置，所述压力调控装置设置于筒体外部。

9.一种利用如权利要求1-8中任一项所述的电磁式水声换能器的控制方法，

定义第一时间段为靠近衔铁（6）的导磁底座（1）一端、靠近导磁底座（1）的衔铁（6）一端产生相同磁极所持续的时间段；

定义第二时间段为靠近衔铁（6）的导磁底座（1）一端、靠近导磁底座（1）的衔铁（6）一端产生相反的磁极所持续的时间段；

其特征在于，所述控制方法包括：所述第一驱动线圈（2）、第二驱动线圈（7）分别通入电流，使得所述第一时间段、第二时间段交替进行。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，流过第一驱动线圈（2）或第二驱动线圈（7）的电流为正弦电流，流过第二驱动线圈（7）或第一驱动线圈（2）的电流为所述正弦电流的绝对值；

所述正弦电流的每个周期的前半个周期、后半个周期分别为第一时间段、第二时间段，靠近衔铁（6）的导磁底座（1）一端、靠近导磁底座（1）的衔铁（6）一端在第一时间段产生相同磁极，靠近衔铁（6）的导磁底座（1）一端、靠近导磁底座（1）的衔铁（6）一端在第二时间段产生相反磁极。

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