CN112509541A - 一种应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器及系统，包括压电陶瓷组、硬质泡沫、PCB电路板A、PCB电路板B、屏蔽铜网A、屏蔽铜网B和输出电缆线，其中屏蔽铜网A、PCB电路板A、硬质泡沫、压电陶瓷组和PCB电路板B依次连接，所述的压电陶瓷组由N个压电陶瓷柱组成，所述的硬质泡沫中间有与压电陶瓷柱尺寸、数量一致的孔，用于放置N个压电陶瓷柱；所述的PCB电路板A和PCB电路板B为多孔印刷电路板，电路板中孔的位置与压电陶瓷柱位置一致。本发明针对外界辐射到换能器表面的声波，系统根据计算建模、控制过程，激励换能器振动，可实现换能器表面振动的调节，使得换能器表面空间声场反射系数降低。
Description
技术领域
本发明涉及换能器领域，主要是一种应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器及系统。
背景技术
潜艇凭借其优良的隐身性能，能够隐蔽地实现深入渗透，执行侦察、探测、打击、封锁等多种作战任务，是获取水下信息优势，实施“反介入、区域拒止”战略目标的核心兵力，在未来水下信息战中将扮演越来越重要的角色。潜艇提高隐身能力是潜艇作战能力的重要保障。
由于隐身潜艇的噪声级已接近海洋环境噪声，导致被动声纳的探测能力越来越弱，于是发展低频主动声纳成为探测隐身潜艇的主要方式，如美国的HELRAS航空吊放声纳，工作频率为1.3～1.5kHz，声源级219dB；美国的战略型SURTASS LFA主被动拖曳线列阵声纳，工作频率100～500Hz，声源级235dB，对隐身潜艇的探测能力超过100km。低频声纳的发展，对潜艇的低频隐身性能提出了更高的要求，传统消声瓦采用的是被动吸声工作方式，对2kHz以下的声波吸收性能有限，更是无法满足1kHz以下吸声的需求，于是主动吸声成为解决低频声波吸收最为有效的技术途径。
针对目前各国海军大力发展的低频主动声纳，需研制具有对低频主动脉冲吸声功能的换能器，即采用主动吸声的方式，调节换能器界面处的输入阻抗，使之与水相匹配，最终实现用小尺寸换能器提升潜艇的低频隐身性能。故有必要研制一种应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器，来实现上述功能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，实现控制换能器表面声阻抗而提供一种的应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器及系统，可对换能器表面振动进行调节，验证了水下主动吸声的可行性，为未来新型潜艇实现全频段隐身奠定了技术基础。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器，包括压电陶瓷组、硬质泡沫、PCB电路板A、PCB电路板B、屏蔽铜网A、屏蔽铜网B和输出电缆线，其中屏蔽铜网A、PCB电路板A、硬质泡沫、压电陶瓷组和PCB电路板B依次连接，所述的压电陶瓷组由N个压电陶瓷柱组成，所述的硬质泡沫中间有与压电陶瓷柱尺寸、数量一致的孔，用于放置N个压电陶瓷柱；所述的PCB电路板A和PCB电路板B为多孔印刷电路板，电路板中孔的位置与压电陶瓷柱位置一致，N个压电陶瓷柱的一端与PCB电路板B焊接，N个压电陶瓷柱的另一端穿过硬质泡沫与PCB电路板A焊接；所述输出电缆引出换能器的正负极，连接到激励源上激励换能器振动。所述的屏蔽铜网作用为在换能器使用过程中，避免驱动陶瓷振动大电压与水听器接收信号的小电压共存之间相互干扰。
所述的硬质泡沫为去耦材料，使得水声换能器抗具有抗横向模态耦合特性，实现水声换能器在工作频段内表面均匀振动。
所述的压电陶瓷组作为有源驱动，通过PCB电路板A、PCB电路板B并联起来，压电陶瓷沿厚度方向极化。
本发明还公开了一种应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器系统，包括小尺寸低频非谐振水声换能器和信号拾取器，小尺寸低频非谐振水声换能器通过吸声结构层与信号拾取器相连接，针对外界辐射到换能器表面的声波，系统根据计算建模、控制过程，激励换能器振动，可实现换能器表面振动的调节，使得换能器表面空间声场反射系数降低。
本发明的有益效果为：压电陶瓷拼装及多孔印刷电路板焊接，有效地提高了换能器低频发射电压响应，小尺寸低频非谐振水声换能器工作频率最低达到500Hz，实现Φ200mm的圆形面时发射电压响应达到1k@85dB；采用硬质泡沫去耦材料，实现了平板型发射换能器在工作频段内表面均匀振动，为低频反射声波物理抵消奠定了基础。
附图说明
图1：小尺寸低频非谐振水声换能器结构分解图；
图2：小尺寸低频非谐振水声换能器系统组成框图；
图3：小尺寸低频非谐振水声换能工作流程图；
图4：小尺寸低频非谐振水声换能器发射电压响应图。
附图标记说明：1-屏蔽铜网A、2-PCB电路板A、3-硬质泡沫、4-压电陶瓷组、5-PCB电路板B、6-屏蔽铜网B、10-小尺寸低频非谐振水声换能器、11-吸声结构层、12-信号拾取器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
参见图1，为采用本发明实现的小尺寸低频非谐振水声换能器结构分解图。本实施条例中屏蔽铜网尺寸为Φ200mmX0.2mm，PCB电路板尺寸为Φ200mmX0.5mm，硬质泡沫尺寸为Φ200mmX6mm，压电陶瓷组尺寸为4mmX4mmX6mm。
参见图2，为本发明的小尺寸低频非谐振水声换能器系统组成框图。
参见图3，为本发明的小尺寸低频非谐振水声换能工作流程图。
参见图4，为本发明的小尺寸低频非谐振水声换能器发射电压响应图。
本发明公开了一种应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器，包括压电陶瓷组4、硬质泡沫3、PCB电路板A2、PCB电路板B5、屏蔽铜网A1、屏蔽铜网B6和输出电缆线，其中屏蔽铜网A1、PCB电路板A2、硬质泡沫3、压电陶瓷组4和PCB电路板B5依次连接，所述的压电陶瓷组4由N个压电陶瓷柱组成。所述的硬质泡沫3为去耦材料，使得水声换能器抗具有抗横向模态耦合特性，实现水声换能器在工作频段内表面均匀振动。所述的硬质泡沫3中间有与压电陶瓷柱尺寸、数量一致的孔，用于放置N个压电陶瓷柱；所述的PCB电路板A2和PCB电路板B5为多孔印刷电路板，电路板中孔的位置与压电陶瓷柱位置一致，N个压电陶瓷柱的一端与PCB电路板B5焊接，N个压电陶瓷柱的另一端穿过硬质泡沫3与PCB电路板A2焊接；所述的压电陶瓷组4作为有源驱动，通过PCB电路板A2、PCB电路板B5并联起来，压电陶瓷沿厚度方向极化。所述输出电缆引出换能器的正负极，连接到激励源上激励换能器振动。
如图2所示，本发明公开了一种应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器系统，包括小尺寸低频非谐振水声换能器10和信号拾取器12，小尺寸低频非谐振水声换能器10通过吸声结构层11与信号拾取器12相连接，针对外界辐射到换能器表面的声波，系统根据计算建模、控制过程，激励换能器振动，可实现换能器表面振动的调节，使得换能器表面空间声场反射系数降低。
本发明所述的一种应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器，其主要包括以下步骤：
步骤一：根据小尺寸低频非谐振水声换能器工作频段，计算出压电陶瓷组厚度、截面积尺寸等；
步骤二：根据小尺寸低频非谐振水声换能器尺寸及发送电压响应需求，得出压电陶瓷柱数量；
步骤三：根据小尺寸低频非谐振水声换能器性能要求，选择硬质泡沫去耦材料，并在硬质泡沫上设计与压电陶瓷柱尺寸、数量一致的孔，硬质泡沫可抑制压电陶瓷的横向振动模态，实现换能器表面均匀振动；
步骤四：将一薄层密封胶均匀涂抹在硬质泡沫外表面，可避免灌注时胶流入硬质泡沫孔内产生气泡；
步骤五：将压电陶瓷柱塞入硬质泡沫中，正极在上，负极在下，每个陶瓷颗粒相对独立；
步骤六：分别将带有与压电陶瓷柱数量一致孔的PCB盖在压电陶瓷正负极两面上，PCB板内部为导通状态，外部采用绝缘漆处理保持绝缘；
步骤七：将压电陶瓷组与PCB板焊接起来；
步骤八：将导线焊接在上下PCB板内侧，引出换能器正负极；
步骤九：用水密聚氨酯将装配完成的换能器进行灌注，实现换能器的密封；
步骤十：根据小尺寸低频非谐振水声换能器中大电压激励与小电压接收共存特性，将屏蔽铜网设置于小电压传输路径中，减少对小电压信号干扰；
步骤十一：根据工作环境中水听器接收到的外界声波参数，在系统中建立传输模型，并生成控制信号；
步骤十二：将控制信号作为功放信号源激励换能器，调节换能器表面振动，实现声波传输的阻抗匹配；
步骤十三：根据小尺寸低频非谐振水声换能器振动发射的声波可实现对工作环境中声波的抵消，使得换能器表面空间声场反射系数降低。
步骤十四：当工作环境中水听器接收信号参数发生变化时，重复步骤十一～步骤十三。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器，其特征在于：包括压电陶瓷组(4)、硬质泡沫(3)、PCB电路板A(2)、PCB电路板B(5)、屏蔽铜网A(1)、屏蔽铜网B(6)和输出电缆线，其中屏蔽铜网A(1)、PCB电路板A(2)、硬质泡沫(3)、压电陶瓷组(4)和PCB电路板B(5)依次连接，所述的压电陶瓷组(4)由N个压电陶瓷柱组成，所述的硬质泡沫(3)中间有与压电陶瓷柱尺寸、数量一致的孔，用于放置N个压电陶瓷柱；所述的PCB电路板A(2)和PCB电路板B(5)为多孔印刷电路板，电路板中孔的位置与压电陶瓷柱位置一致，N个压电陶瓷柱的一端与PCB电路板B(5)焊接，N个压电陶瓷柱的另一端穿过硬质泡沫(3)与PCB电路板A(2)焊接；所述输出电缆引出换能器的正负极，连接到激励源上激励换能器振动。
2.根据权利要求1所述的应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器，其特征在于：所述的硬质泡沫(3)为去耦材料，使得水声换能器抗具有抗横向模态耦合特性，实现水声换能器在工作频段内表面均匀振动。
3.根据权利要求1所述的应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器，其特征在于：所述的压电陶瓷组(4)作为有源驱动，通过PCB电路板A(2)、PCB电路板B(5)并联起来，压电陶瓷沿厚度方向极化。
4.一种应用于主动吸声的小尺寸低频非谐振水声换能器系统，其特征在于：包括小尺寸低频非谐振水声换能器(10)和信号拾取器(12)，小尺寸低频非谐振水声换能器(10)通过吸声结构层(11)与信号拾取器(12)相连接，针对外界辐射到换能器表面的声波，系统根据计算建模、控制过程，激励换能器振动，可实现换能器表面振动的调节，使得换能器表面空间声场反射系数降低。
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