CN112153543A - 半空间辐射高频宽带换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半空间辐射高频宽带换能器，包括压电陶瓷球壳(1)、反声障板(3)和调谐电路(6)；所述反声障板(3)包覆压电陶瓷球壳(1)底部，反声障板(3)包覆压电陶瓷球壳(1)底部的角度小于180度；所述反声障板(3)设置有反射面(12)，反射面(12)的延长线与压电陶瓷球壳(1)球心的距离d为工作频率波长λ的0.25倍。根据本发明提供的半空间辐射高频宽带换能器能够发出指向性角度约为180度的出射声波，满足半空间辐射的要求；同时能够消除指向性波束中间的明显凹谷，提升指向性能；还能够拓宽工作频带，满足宽带辐射的要求。

Description

半空间辐射高频宽带换能器
技术领域
本发明涉及水声工程技术领域，具体地，涉及半空间辐射高频宽带换能器。
背景技术
指向性是水声换能器和水声换能器基阵的重要性能指标。探测和预警用途的水声换能器要求各角度响应起伏不能太大，不能出现死角，这就要求水声换能器和水声换能器基阵的具备较宽的指向性。
传统的球形换能器是无指向性的，反声障板会使球形换能器具备指向性，但反声障板可能对球形换能器的指向性产生不利影响，反声障板会使球形换能器的指向性波束中间产生明显的凹谷，凹谷会使得球形换能器的指向性恶化，从而限制球形换能器的使用。
此外，采用传统的包覆反声障板的水声换能器，指向性角度只有120度或更小，其较小的指向性角度无法满足半空间辐射的要求，并且工作带宽也较窄，无法满足宽带辐射的要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种半空间辐射高频宽带换能器。
根据本发明提供的半空间辐射高频宽带换能器，包括压电陶瓷球壳和反声障板；
反声障板包覆压电陶瓷球壳底部，反声障板包覆压电陶瓷球壳底部的角度小于180度；
反声障板设置有反射面，反射面的延长线与压电陶瓷球壳球心的距离d为工作频率波长λ的0.25倍。
优选地，还包括调谐电路，调谐电路与压电陶瓷球壳通过导线连接。
优选地，压电陶瓷球壳是一体成型的压电陶瓷整球。
优选地，还包括定位块；
压电陶瓷球壳底部设置有贯通球面的第一圆形定位孔；
反声障板设置有贯通包覆面和底面的第二圆形定位孔，第二圆形定位孔设置在反声障板的中心处；
第一圆形定位孔和第二圆形定位孔同心且尺寸相同；
定位块的圆柱形顶部尺寸与第一圆形定位孔和第二圆形定位孔尺寸一致，定位块的圆柱形顶部穿过第二定位孔和第一定位孔与反声障板和压电陶瓷球壳紧固连接，定位块的圆柱形顶部进入压电陶瓷球壳；
定位块设置有导线孔，调谐电路与压电陶瓷球壳通过穿过导线孔的导线连接。
优选地，还包括金属壳和端盖；
金属壳顶面与反声障板底面连接；
金属壳顶部设置有安装孔，定位块底部与安装孔连接；
端盖设置在金属壳底部，与金属壳连接形成容置空间，调谐电路设置在容置空间内。
优选地，还包括水密橡胶；
水密橡胶采用聚氨酯材料，高温浇注一体成型，与金属壳、反声障板和压电陶瓷球壳紧固连接。
优选地，端盖设置有凹槽，凹槽内设置有密封圈，密封圈与金属壳内壁连接。
优选地，端盖底部设置有通孔，导线穿过通孔通向半空间辐射高频宽带换能器外部，通孔与导线间的缝隙通过环氧胶填充。
优选地，反声障板采用硬质泡沫塑料，反声障板的密度为0.5-0.8g/cm3，声压反射系数为0.85-0.95。
优选地，压电陶瓷球壳的谐振频率大于20kHz。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、通过设置包覆压电陶瓷球壳底部角度小于180度的反声障板，使得压电陶瓷球壳的辐射声波角度大于180度，辐射声波与反声障板的反射声波叠加形成指向性角度约为180度的出射声波，满足半空间辐射的要求，解决了传统水声换能器指向性角度较小，不能满足半空间辐射要求的问题；
2、通过设置反射面延长线与压电陶瓷球壳球心距离为工作频率波长0.25倍的反声障板，使得压电陶瓷球壳的辐射声波和反声障板的反射声波的叠加均匀过度，解决了传统水声换能器指向性波束中间有明显凹谷的问题，提升了指向性能；
3、通过设置与压电陶瓷球壳串联连接的谐振电路，拓宽了水声换能器的工作频带，解决了球形换能器工作带宽较窄无法满足宽带辐射要求的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为半空间辐射高频宽带换能器的结构示意图；
图2为反声障板和压电陶瓷球壳的结构示意图；
图3为金属壳的结构示意图；
图4为半空间辐射高频宽带换能器的剖面结构示意图；
图5为传统的水声换能器的25kHz指向性图；
图6为半空间辐射高频宽带换能器的25kHz指向性图；
图7为半空间辐射高频宽带换能器发送电压响应曲线图。
图中：
Figure BDA0002669741860000031
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
图1～图4为本发明提供的一种半空间辐射高频宽带换能器的示意图。
根据本发明提供的半空间辐射高频宽带换能器，包括压电陶瓷球壳1、水密橡胶2、反声障板3、定位块4、导线5、调谐电路6、金属壳7和端盖10。
压电陶瓷球壳1是一体成型的压电陶瓷整球，常规制备压电陶瓷球壳1方法是将平面型压电陶瓷复合材料切割、弯曲再拼接成型，制作工艺复杂，其切割、拼接等工序必然给压电陶瓷球壳1带来不一致性，这导致主波束范围内起伏较大，而本发明采用的一体成型的压电陶瓷球壳1的均匀性和一致性较好，使得主波束范围内起伏较小。压电陶瓷球壳1底部设置有贯通球面的第一圆形定位孔，优选地，第一圆形定位孔直径为8mm，压电陶瓷球壳1直径为62mm，壁厚为2mm，采用PZT-4压电陶瓷复合材料，压电陶瓷球壳1的谐振频率即工作频率大于20kHz，属于高频工作频率。压电陶瓷球壳1能够将电压信号转换成振动能量，通过振动辐射出辐射声波。
反声障板3能够发出反射声波。反声障板3设置有球形凹座、反射面12和第二圆形定位孔且其直径大于压电陶瓷球壳1。第二圆形定位孔贯通包覆面和底面并位于反声障板3的中心处，第二圆形定位孔与第一圆形定位孔尺寸相同。反声障板3的球形凹座与压电陶瓷球壳1通过环氧胶水紧密无缝粘接，连接使得反声障板3的第二圆形定位孔与压电陶瓷球壳1的第一圆形定位孔同心且反声障板3反射面12的法线与压电陶瓷球壳1连接处的切线垂直，反声障板3的球形凹座包覆压电陶瓷球壳1底部，反声障板3包覆压电陶瓷球壳1底部的角度小于180度，这使得压电陶瓷球壳1发出的辐射声波角度大于180度，辐射声波与反声障板3发出的反射声波叠加形成指向性角度约为180度的出射声波，拓宽了指向性角度，具备半空间辐射的能力，传统的压电陶瓷球壳1包覆角度为180度的水声换能器其出射声波的指向性角度只有约120度甚至低于120度，其指向性角度较小，不能满足半空间辐射的要求。
优选地，反声障板3的两个反射面12的夹角为90度，反声障板3采用硬质泡沫塑料，反声障板3的密度为0.5-0.8g/cm3，声压反射系数为0.85-0.95，反射面12的延长线与压电陶瓷球壳1球心的距离d为工作频率波长λ的0.25倍，工作频率波长λ为工作频率对应的水中波长。这能够使得压电陶瓷球壳1发出的辐射声波和反声障板3发出的反射声波的叠加均匀过度，消除传统水声换能器指向性波束中间的凹谷，提升指向性能，还能够使反射声波正好叠加在出射声波的波束边沿处，从而增大了换能器波束开角，拓宽指向性角度。
定位块4的作用是定位压电陶瓷球壳1和反声障板3。定位块4设置有圆柱形顶部，其圆柱形顶部尺寸与第一圆形定位孔和第二圆形定位孔尺寸一致，定位块4的圆柱形顶部穿过第二定位孔和第一定位孔与反声障板3和压电陶瓷球壳1紧固连接，定位块4的圆柱形顶部进入压电陶瓷球壳1。定位块4还设置有导线孔，导线5能够从导线孔中穿过连接压电陶瓷球壳1。
金属壳7顶部设置有安装孔，定位块4底部与安装孔紧密无缝连接。金属壳7顶面与反声障板3底面通过环氧树脂胶水紧密无缝粘接。端盖10安装在金属壳7底部，与金属壳7紧密连接共同形成容置空间，调谐电路6设置在容置空间内，调谐电路6通过硅橡胶与金属壳7固定粘接。
调谐电路6与压电陶瓷球壳1通过穿过导线孔的导线5串联连接。压电陶瓷球壳1按照壁厚方向极化，其内壁为正极，外壁为负极，内壁焊接正极导线，导线5从探入压电陶瓷球壳1内的定位块4圆柱形顶部的导线孔穿出，外壁焊接负极导线，导线5从位于压电陶瓷球壳1外的定位块4圆柱形顶部的导线孔穿出，连接调谐电路6，调谐电路6能够在压电陶瓷球壳1的谐振频率附近再产生一个谐振峰，两个谐振峰的耦合拓宽了水声换能器的工作频带，形成宽带换能器。
端盖10设置有凹槽，凹槽内设置有密封圈8，密封圈8与金属壳7内壁紧密连接，使得金属壳7与端盖10形成的容置空间保持水密。端盖10底部还设置有通孔，连接压电陶瓷球壳1内壁的导线5以及连接调谐电路6的导线5穿过通孔通向半空间辐射高频宽带换能器外部，通孔与导线5间的缝隙通过环氧胶9填充以保持水密。
水密橡胶2包覆部分金属壳7、反声障板3和压电陶瓷球壳1，与金属壳7、反声障板3和压电陶瓷球壳1紧固连接，其具备水密作用还能够耐腐蚀。水密橡胶2采用聚氨酯材料，高温浇注一体成型，金属壳7底部设置有浇注口11，在模具内通过浇注口11对水声换能器浇注聚氨酯并在高温中固化成型，形成的水密橡胶2外表面光滑，无浇注口余料残留。优选地，为提升水密性能，金属壳7的外侧面还设置有多处凹槽，这能够增加与水密橡胶2的粘接强度。
图5为传统的水声换能器的25kHz指向性图，图6为本发明提供的半空间辐射高频宽带换能器的25kHz指向性图，对比图5和图6可知，本发明提供的半空间辐射高频宽带换能器的指向性曲线更光滑，波束范围内平滑起伏小。图7为本发明提供的半空间辐射高频宽带换能器发送电压响应曲线图，从图7可知，本发明提供的半空间辐射高频宽带换能器的-10dB工作带宽从18kHz至51kHz。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种半空间辐射高频宽带换能器，其特征在于，包括压电陶瓷球壳(1)和反声障板(3)；
所述反声障板(3)包覆压电陶瓷球壳(1)底部，反声障板(3)包覆压电陶瓷球壳(1)底部的角度小于180度；
所述反声障板(3)设置有反射面(12)，反射面(12)的延长线与压电陶瓷球壳(1)球心的距离d为工作频率波长λ的0.25倍。
2.根据权利要求1所述的半空间辐射高频宽带换能器，其特征在于，还包括调谐电路(6)，所述调谐电路(6)与压电陶瓷球壳(1)通过导线(5)连接。
3.根据权利要求2所述的半空间辐射高频宽带换能器，其特征在于，所述压电陶瓷球壳(1)是一体成型的压电陶瓷整球。
4.根据权利要求3所述的半空间辐射高频宽带换能器，其特征在于，还包括定位块(4)；
所述压电陶瓷球壳(1)底部设置有贯通球面的第一圆形定位孔；
所述反声障板(3)设置有贯通包覆面和底面的第二圆形定位孔，第二圆形定位孔设置在反声障板(3)的中心处；
所述第一圆形定位孔和第二圆形定位孔同心且尺寸相同；
所述定位块(4)的圆柱形顶部尺寸与第一圆形定位孔和第二圆形定位孔尺寸一致，定位块(4)的圆柱形顶部穿过第二定位孔和第一定位孔与反声障板(3)和压电陶瓷球壳(1)紧固连接，定位块(4)的圆柱形顶部进入压电陶瓷球壳(1)；
所述定位块(4)设置有导线孔，调谐电路(6)与压电陶瓷球壳(1)通过穿过导线孔的导线(5)连接。
5.根据权利要求4所述的半空间辐射高频宽带换能器，其特征在于，还包括金属壳(7)和端盖(10)；
所述金属壳(7)顶面与反声障板(3)底面连接；
所述金属壳(7)顶部设置有安装孔，定位块(4)底部与安装孔连接；
所述端盖(10)设置在金属壳(7)底部，与金属壳(7)连接形成容置空间，调谐电路(6)设置在所述容置空间内。
6.根据权利要求5所述的半空间辐射高频宽带换能器，其特征在于，还包括水密橡胶(2)；
所述水密橡胶(2)采用聚氨酯材料，高温浇注一体成型，与金属壳(7)、反声障板(3)和压电陶瓷球壳(1)紧固连接。
7.根据权利要求5所述的半空间辐射高频宽带换能器，其特征在于，所述端盖(10)设置有凹槽，所述凹槽内设置有密封圈(8)，密封圈(8)与金属壳(7)内壁连接。
8.根据权利要求5所述的半空间辐射高频宽带换能器，其特征在于，所述端盖(10)底部设置有通孔，导线(5)穿过通孔通向半空间辐射高频宽带换能器外部，通孔与导线(5)间的缝隙通过环氧胶(9)填充。
9.根据权利要求1所述的半空间辐射高频宽带换能器，其特征在于，所述反声障板(3)采用硬质泡沫塑料，反声障板(3)的密度为0.5-0.8g/cm3，声压反射系数为0.85-0.95。
10.根据权利要求4所述的半空间辐射高频宽带换能器，其特征在于，所述压电陶瓷球壳(1)的谐振频率大于20kHz。
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