CN112216262A - 一种超结构水声发射换能器 - Google Patents
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Abstract
一种超结构水声发射换能器，包括外壳以及设置在外壳内部密封空间的电动式驱动元件以及超结构辐射盖板，超结构辐射盖板由基板以及固定在基板上的多个附加质量单元组成，电动式驱动元件包括软磁材料底座，软磁材料底座上开设有环形凹槽，环形凹槽当中放置有永磁材料芯体，由软磁材料底座顶部至永磁材料芯体与软磁材料底座之间的缝隙插入安装线圈骨架，线圈骨架上缠绕线圈，软磁材料底座的中心掏空并设置有螺旋弹簧，螺旋弹簧通过连接件与基板相连，所述的连接件具有能够与线圈骨架固定的平板面。本发明水声发射换能器的尺寸小，能够在中低频范围形成连续的声发射宽带。
Description
技术领域
本发明属于换能器设计领域，具体涉及一种超结构水声发射换能器。
背景技术
由于减振降噪和消声瓦技术的进步，各国潜艇辐射噪声级逐年降低，中高频的自噪声逐渐被解决，残留噪声频段越来越向1kHz以下的低频集中。尤其是近年来，随着声隐身技术的发展，潜艇的隐蔽性能和机动性能实现了大幅度提高，安静型潜艇的辐射噪声级(1kHz处)甚至已经低于海域内的背景噪声，大大增加了水下探潜的难度。欧美国家开始尝试利用主动声呐进行远程主动探测，因此，具有低频、宽带、大功率、深水、小尺寸等特性的水声换能器成为国内外学者研究的焦点。目前，应用成熟的低频水声发射换能器主要利用弯曲振动、液腔共振以及电动式激励的方法来实现。其中利用弯曲振动的换能器通过壳体的弯曲振动辐射声波，并且壳体具有辐射放大效应，因此能够以较小尺寸实现低频大功率的声发射。但是利用弯曲振动的换能器要想实现1kHz以下低频宽带工作，则往往需要有很大的体积与质量。利用液腔振动的换能器虽然能够实现1kHz以下水声发射，但其尺寸和重量也很大。电动式换能器通常利用交流线圈在磁场中的反作用力驱动活塞或振膜向水中辐射声能，是甚低频段宽带、低功率换能器的首选类型，但是其1kHz以下全频段水声发射效率低，尺寸和重量很大。可以看到，传统低频换能器，实现工作频率1kHz以下低频宽带振动时，其体积、重量都非常大。因此，小尺寸的低频大宽带水声发射换能器具有重要的军事和工程应用价值。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中低频水声发射换能器效率低以及尺寸和重量较大的问题，提供一种超结构水声发射换能器，其尺寸小，能够在低频范围内形成连续的声发射宽带。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种超结构水声发射换能器，包括外壳以及设置在外壳内部密封空间的电动式驱动元件以及超结构辐射盖板，超结构辐射盖板由基板以及固定在基板上的多个附加质量单元组成，电动式驱动元件包括软磁材料底座，软磁材料底座上开设有环形凹槽，环形凹槽当中放置有永磁材料芯体，由软磁材料底座顶部至永磁材料芯体与软磁材料底座之间的缝隙插入安装线圈骨架，线圈骨架上缠绕线圈，软磁材料底座的中心掏空并设置有螺旋弹簧，螺旋弹簧通过连接件与基板相连，所述的连接件具有能够与线圈骨架固定的平板面。
优选的，每个附加质量单元能够在不同频段局域共振发射中低频声波，通过多个附加质量单元并列耦合的方式得到多个辐射声压级峰值，从而在中低频范围形成连续的声发射宽带，中低频范围包括30～5000Hz。
优选的，通过降低基板的厚度降低等效刚度和固有频率，在局域共振的作用下实现中低频声波发射，频率范围包括30～5000Hz。
优选的，声辐射频段通过调节所述附加质量单元的质量在中低频范围进行调整，中低频范围包括30～5000Hz。
优选的，所述基板的弹性模量越小、厚度越小或面积越大，或附加质量单元质量越大、距离中心位置越远，其声辐射频率越低。
优选的，所述的连接件中心设置有凸起的螺柱，螺柱由基板的中心穿过并通过安装紧固螺母进行固定连接。
优选的，所述的外壳包括固定在换能器基座上的后壳体以及固定在后壳体上的前壳体，所述的基板与前壳体之间粘接密封垫圈，防止水介质通过边缘的间隙进入换能器内部。
优选的，所述换能器基座的尾端带有螺纹，通过螺纹与外部气泵的胶管联结起来，从而为换能器结构内部提供压力保障。
优选的，所述的基板采用钢板或铝板，其弹性模量40GPa～200GPa，泊松比0.2～0.4，阻尼损耗因子为0.15～0.25；外壳采用刚性的铝合金材料制成，其弹性模量为70GPa以上；根据声辐射的下限频率选取螺旋弹簧的弹力参数，刚度越低则声辐射的下限频率越低，取值范围为20000～30000N/mm。
优选的，所述的永磁材料芯体采用钕铁硼材料制成，所述的软磁材料底座采用电工纯铁材料制成。
相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：针对水下中低频段的水声发射问题，本发明提供了一种小尺寸的中低频大宽带超结构水声发射换能器，其超结构辐射盖板由基板以及固定在基板上的多个附加质量单元组成，在电动式驱动元件的带动下，通过附加质量单元在不同频段局域共振发射中低频声波。本发明电动式驱动元件当给线圈中通以交变电流时，由于线圈紧紧缠绕在邻近的骨架上，通电线圈在磁场中受到在轴向作动的安培力后会直接将力传递到线圈骨架上，而连接件的一端与线圈骨架连接，另一端与辐射盖板连接，最终磁路中产生的力将作用于辐射盖板上，通过辐射盖板的局域共振将声信号平稳地辐射到水介质中。能够在中低频范围形成连续的声发射宽带，这与传统水声发射换能器相比具有很大的优越性。
附图说明
图1本发明的整体结构剖视图；
图2本发明超结构辐射盖板的结构示意图；
附图中：1-前壳体；2-密封垫圈；3-超结构辐射盖板；4-连接件；5-紧固螺母；6-后壳体；7-线圈骨架；8-外软磁环；9-永磁材料芯体；10-铝垫块；11-螺旋弹簧；12-软磁材料底座；13-线圈；14-换能器基座。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，图2，本发明的超结构水声发射换能器，包括外壳以及设置在外壳内部密封空间的电动式驱动元件以及超结构辐射盖板3，超结构辐射盖板3由基板以及固定在基板上的多个附加质量单元组成，实施例采用薄圆板和4个附加质量单元组成。超结构辐射盖板3的具体声辐射工作频段由薄圆板的厚度、面积和附加质量单元的质量和位置共同决定，当薄圆板的厚度和面积一致时，工作频段主要由不同的附加质量单元进行调节。附加质量单元在电动式驱动元件的激励下进行共振，从而实现低频下的声辐射；薄圆板的弹性模量越小、厚度越小、面积越大，附加质量单元质量越大，距离中心位置越远其声辐射频率越低。
电动式驱动元件包括软磁材料底座12，软磁材料底座12上开设有环形凹槽，环形凹槽当中放置有永磁材料芯体9，由软磁材料底座12顶部至永磁材料芯体9与软磁材料底座12之间的缝隙插入安装线圈骨架7，线圈骨架7上缠绕线圈13，软磁材料底座12的中心掏空并设置有螺旋弹簧11，螺旋弹簧11通过连接件4与基板相连，连接件4具有能够与线圈骨架7固定的平板面。当给线圈13中通以交变电流时，由于线圈13紧紧缠绕在线圈骨架7上，通电线圈在磁场中受到在轴向作动的安培力后会直接将力传递到线圈骨架7上，而连接件4的一端与线圈骨架7连接，另一端与辐射盖板3通过紧固螺母5连为整体，因此最终磁路中产生的力将作用于超结构辐射盖板3上，通过超结构辐射盖板3的局域共振将声信号平稳地辐射到水介质中。连接件4中心设置有凸起的螺柱，螺柱由基板的中心穿过并通过安装紧固螺母5进行固定连接。外壳包括固定在换能器基座14上的后壳体6以及固定在后壳体6上的前壳体1，基板与前壳体1之间粘接密封垫圈2，防止水介质通过边缘的间隙进入换能器内部。螺旋弹簧11的一端刚性连接在换能器基座14上，另一端与连接件4的底面刚性连接。
本发明的换能器基座14的尾端带有螺纹，通过螺纹与外部气泵的胶管联结起来，从而为换能器结构内部提供压力保障，保障换能器可以在一定压力条件下进行工作。
本发明部件的材料选取：
超结构辐射盖板3：弹性模量40GPa～200GPa，泊松比0.2～0.4，阻尼损耗因子为0.15～0.25，如钢板或硬铝板等；
外壳：应具有足够的刚性，为了减小整个结构的重量，材料可选取硬铝合金等，弹性模量为70GPa以上。
螺旋弹簧11：弹簧参数主要决定着结构声辐射带宽的下限频率，弹簧刚度越低，则声辐射的下限频率越低，可取为20000～30000N/mm。
永磁材料在选取时的主要参考依据是磁性能，实际可参照的指标有矫顽力、最大磁能积、磁饱和强度、剩磁强度和居里温度等参数。对于电动式激励部分的磁路，应该首先选择剩磁强度较大的永磁材料。常用的几种永磁材料中钕铁硼材料的磁性能更为优异，因此可采用钕铁硼作为磁路中的永磁体。
软磁材料中应用最为常见的是电工纯铁，该产品具有制作成本低，性价比高，矫顽力低，饱和磁感高磁性能稳定又无磁时效等优点，尤为突出的是，和硅钢、坡莫合金以及铁氧体等材料相比，电工纯铁具有更为优异的导磁率和较高的居里点，因此可采用电工纯铁作为磁路中的软磁材料。
本发明超结构水声发射换能器的制作步骤如下：
1.采用激光切割等方式，加工薄圆板、壳体及附加质量单元。
2.将薄圆板、壳体及附加质量单元等清理干净，除去表面的油污和氧化层。
3.将不同的附加质量单元固定在薄圆板的相应位置，形成超结构辐射盖板3，固定方式可采用焊接或其它工艺等，固定好之后，静止半小时左右。
4.将线圈13缠绕于线圈骨架7上，并将线圈骨架7与连接件4固定，拼接磁瓦形成电动式激励源。
5.超结构辐射盖板3与螺旋弹簧11通过连接件4和紧固螺母5进行固定连接，螺旋弹簧11另一端通过刚性连接固定在换能器基座14上。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明进行任何形式上的限定，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超结构水声发射换能器，其特征在于：包括外壳以及设置在外壳内部密封空间的电动式驱动元件以及超结构辐射盖板(3)，超结构辐射盖板(3)由基板以及固定在基板上的多个附加质量单元组成，电动式驱动元件包括软磁材料底座(12)，软磁材料底座(12)上开设有环形凹槽，环形凹槽当中放置有永磁材料芯体(9)，由软磁材料底座(12)顶部至永磁材料芯体(9)与软磁材料底座(12)之间的缝隙插入安装线圈骨架(7)，线圈骨架(7)上缠绕线圈(13)，软磁材料底座(12)的中心掏空并设置有螺旋弹簧(11)，螺旋弹簧(11)通过连接件(4)与基板相连，所述的连接件(4)具有能够与线圈骨架(7)固定的平板面。
2.根据权利要求1所述的超结构水声发射换能器，其特征在于：每个附加质量单元能够在不同频段局域共振发射中低频声波，通过多个附加质量单元并列耦合的方式得到多个辐射声压级峰值，从而在中低频范围形成连续的声发射宽带，中低频范围包括30～5000Hz。
3.根据权利要求1所述的超结构水声发射换能器，其特征在于：通过降低基板的厚度降低等效刚度和固有频率，在局域共振的作用下实现中低频声波发射，频率范围包括30～5000Hz。
4.根据权利要求1所述的超结构水声发射换能器，其特征在于：声辐射频段通过调节所述附加质量单元的质量在中低频范围进行调整，中低频范围包括30～5000Hz。
5.根据权利要求1所述的超结构水声发射换能器，其特征在于：基板的弹性模量越小、厚度越小或面积越大，或附加质量单元质量越大、距离中心位置越远，其声辐射频率越低。
6.根据权利要求1所述的超结构水声发射换能器，其特征在于：所述的连接件(4)中心设置有凸起的螺柱，螺柱由基板的中心穿过并通过安装紧固螺母(5)进行固定连接。
7.根据权利要求1所述的超结构水声发射换能器，其特征在于：所述的外壳包括固定在换能器基座(14)上的后壳体(6)以及固定在后壳体(6)上的前壳体(1)，所述的基板与前壳体(1)之间粘接密封垫圈(2)，防止水介质通过边缘的间隙进入换能器内部。
8.根据权利要求1所述的超结构水声发射换能器，其特征在于：换能器基座(14)的尾端带有螺纹，通过螺纹与外部气泵的胶管联结起来，从而为换能器结构内部提供压力保障。
9.根据权利要求1所述的超结构水声发射换能器，其特征在于：所述的基板采用钢板或铝板，其弹性模量40GPa～200GPa，泊松比0.2～0.4，阻尼损耗因子为0.15～0.25；外壳采用刚性的铝合金材料制成，其弹性模量为70GPa以上；根据声辐射的下限频率选取螺旋弹簧(11)的弹力参数，刚度越低则声辐射的下限频率越低，取值范围为20000～30000N/mm。
10.根据权利要求1所述的超结构水声发射换能器，其特征在于：所述的永磁材料芯体(9)采用钕铁硼材料制成，所述的软磁材料底座(12)采用电工纯铁材料制成。
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