CN112954543B - 一种双端开缝压电圆环水声发射换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双端开缝压电圆环水声发射换能器，包括压电圆环，在压电圆环的上端和下端均设有若干纵向开缝，且上端的若干纵向开缝与下端的若干纵向开缝一一正对布置，所有的纵向开缝的深度和宽度均相同，且纵向开缝的深度为压电圆环长度的20％‑30％，各端纵向开缝的宽度占所在端部的圆周的长度的5％‑10％，在正弦电压激励下，压电圆环产生双端弯曲振动模态。本发明所述的一种双端开缝压电圆环水声发射换能器，可应用于水声通信节点等圆柱形水下通信装备，且实现压电圆环的双端弯曲振动，实现低频声波发射。
Description
技术领域
本发明属于水声换能器技术领域，尤其是涉及一种双端开缝压电圆环水声发射换能器。
背景技术
声波是目前水下远距离信息传输的最优方式。声波的频率越高，水介质对声波的吸收损失越大，声波传播的距离越近。对于水下声通信而言，要进行信息以声波为载体在水介质中的远距离传输，必须要求水声发射换能器具有低频声波发射的特性。目前水声通信装备中应用最多的圆环型水声发射换能器，该类型的水声发射换能器无论是采用径向极化圆环还是切向极化镶拼压电圆环构建，其结构的谐振频率正比于圆环的直径，谐振频率系数α＝41kHz/2.54cm，圆环水声发射换能器难于在较小的尺寸下发射低频声波。但对于水声通信节点等水下通信装备迫切需要圆环形低频水声发射换能器以提高水下声通信的距离。因此，需要开发一种在不改变传统圆环型水声发射换能器尺寸的前提下实现低频声波发射的水声发射换能器。
采用弯曲振动代替传统圆环水声发射换能器的径向振动，可以有效的解决圆环水声发射换能器的低频声波发射问题。因此目前的低频水声发射换能器主要是利用弯曲圆盘结构、弯张结构实现低频声波发射，但这些弯曲形式发射换能器的外形都是非圆环型的不规则结构，难于应用于水声通信节点等圆柱形水下通信装备，因此需要开发一种圆环型结构、利用弯曲振动实现水下低频声波发射的水声发射换能器。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种双端开缝压电圆环水声发射换能器，可应用于水声通信节点等圆柱形水下通信装备，且实现压电圆环的双端弯曲振动，实现低频声波发射。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种双端开缝压电圆环水声发射换能器，包括压电圆环，在压电圆环的上端和下端均设有若干纵向开缝，且上端的若干纵向开缝与下端的若干纵向开缝一一正对布置，所有的纵向开缝的深度和宽度均相同，且纵向开缝的深度为压电圆环长度的20％-30％，各端纵向开缝的宽度占所在端部的圆周的长度的5％-10％，在正弦电压激励下，压电圆环产生双端弯曲振动模态。
进一步的，所述压电圆环为整体式压电陶瓷圆环，所述整体式压电陶瓷圆环的极化方向为沿着圆环的径向方向，整体式压电陶瓷圆环的电激励方式为圆环内表面为正极，外表面为负极。
进一步的，所述压电圆环为镶拼式压电圆环，所述镶拼式压电圆环包括镂空金属圆环和若干镶拼压电驱动块，在每个镂空金属圆环的镂空处分别固定一个镶拼压电驱动块，所述镶拼压电驱动块由多片切向极化的压电陶瓷条与铜制电极交叉排列拼接而成，且相邻的两片压电陶瓷条的极化方向相反。
进一步的，所述镶拼压电驱动块的水平投影为扇形，镶拼压电驱动块的极化方向是与扇形圆弧平行的切向方向，压电陶瓷条的电激励方式为侧向加电，一侧为正极，一侧为负极。
进一步的，每端的纵向开缝的数目为8-12条，纵向开缝的宽度为1mm。
进一步的，所述镂空金属圆环为在整体式金属圆环的中部沿圆周方向开设四个扇形安装孔而成，且相邻两个扇形安装孔之间为连接片，所述扇形安装孔的尺寸与镶拼压电驱动块的尺寸相匹配，在镂空金属圆环的上下两端各开设8条纵向开缝，且其中4条纵向开缝正对四个连接片开设。
进一步的，所述铜制电极由0.5mm黄铜片制成，在铜制电极上开设有导线穿线孔和若干减重孔，所述穿线孔为圆形，直径为1.5mm，用于承托激励正、负极导线，并与正负导线进行焊接；所述减重孔设置四个，所述减重孔为圆形，直径为15mm。
进一步的，所述铜制电极的面积与压电陶瓷条侧向面积相等，且采用环氧树脂粘接剂对铜制电极与压电陶瓷条的侧向粘接。
进一步的，在压电圆环的外表面完全包覆有聚氨酯橡胶。
相对于现有技术，本发明所述的一种双端开缝压电圆环水声发射换能器具有以下优势：
本发明实现了压电圆环的弯曲振动，解决了圆环水声发射换能器难于发射低频声波的问题；
本发明提出一种双端开缝圆环水声发射换能器；圆环水声发射换能器结构简单，规则，可用于水声通信。本发明利用压电圆环双端开缝将径向振动转化为开缝结构的弯曲振动，有效降低了结构的振动频率，能够在不改变结构尺寸与外形的条件下降低圆环水声发射换能器的工作频率。
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为本发明所述的双端开缝径向极化压电圆环的立体结构示意图；
图2为本发明所述的双端开缝径向极化压电圆环的极化方向及电激励方式示意图；
图3为本发明所述的双端开缝压电圆环在正弦电压激励下的振动模态示意图；
图4为本发明所述的双端开缝镶拼压电圆环的立体结构示意图；
图5为镂空金属圆环的结构示意图；
图6为本发明所述的镶拼压电驱动块的立体结构示意图；
图7为本发明所述的镶拼压电驱动块的极化方向及电激励方式示意图；
图8为本发明所述的铜制电极的结构示意图；
图9为外表面全包裹聚氨酯橡胶的的双端开缝压电圆环水声发射换能器的立体结构示意图；
图10为外表面全包裹聚氨酯橡胶的的双端开缝压电圆环水声发射换能器的剖视结构示意图。
附图标记说明：
1-整体式压电陶瓷圆环，2-镶拼式压电圆环，3-整体式压电陶瓷圆环的极化方向，4-纵向开缝，5-整体式压电陶瓷圆环的电激励方式，6-双端弯曲振动模态，7-铜制电极，8-镶拼压电驱动块，9-镂空金属圆环，10-镶拼压电驱动块的极化方向，11-压电陶瓷条，12-穿线孔，13-减重孔，14-聚氨酯橡胶，15-压电陶瓷条的电激励方式，16-双端开缝压电圆环水声发射换能器，17-扇形安装孔，18-连接片。
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10所示，一种双端开缝压电圆环水声发射换能器，包括压电圆环，在压电圆环的上端和下端均设有若干纵向开缝4，且上端的若干纵向开缝与下端的若干纵向开缝一一正对布置，所有的纵向开缝4的深度和宽度均相同，且纵向开缝4的深度为压电圆环长度的20％-30％，各端纵向开缝4的宽度占所在端部的圆周的长度的5％-10％，在正弦电压激励下，压电圆环产生双端弯曲振动模态6。
第一种形式为：双端开缝径向极化压电圆环，压电圆环为整体式压电陶瓷圆环1，所述整体式压电陶瓷圆环的极化方向3为沿着圆环的径向方向，整体式压电陶瓷圆环的电激励方式5为圆环内表面为正极，外表面为负极。
第二种形式为：双端开缝镶拼压电圆环，压电圆环为镶拼式压电圆环2，所述镶拼式压电圆环2包括镂空金属圆环9和若干镶拼压电驱动块8，在每个镂空金属圆环9的镂空处分别固定一个镶拼压电驱动块8，所述镶拼压电驱动块8由多片切向极化的压电陶瓷条11与铜制电极7交叉排列拼接而成，且相邻的两片压电陶瓷条11的极化方向相反。镶拼压电驱动块8由偶数片压电陶瓷条11与奇数片铜制电极7通过环氧树脂粘接剂粘接构成。压电陶瓷条与铜制电极的数量关系为
N1＝N2+1
其中，N1为铜制电极的数量，N2为压电陶瓷条的数量。
镶拼压电驱动块8的水平投影为扇形，镶拼压电驱动块的极化方向10是与扇形圆弧平行的切向方向，压电陶瓷条的电激励方式15为侧向加电，一侧为正极，一侧为负极。
每端的纵向开缝4的数目为8-12条，纵向开缝4的宽度为1mm。
所述镂空金属圆环9为在整体式金属圆环的中部沿圆周方向开设四个扇形安装孔17而成，且相邻两个扇形安装孔17之间为连接片18，所述扇形安装孔17的尺寸与镶拼压电驱动块8的尺寸相匹配，在镂空金属圆环9的上下两端各开设8条纵向开缝4，且其中4条纵向开缝4正对四个连接片18开设。
铜制电极7由0.5mm黄铜片制成，在铜制电极7上开设有导线穿线孔12和若干减重孔13，所述穿线孔12为圆形，直径为1.5mm，用于承托激励正、负极导线，并与正负导线进行焊接；所述减重孔13设置四个，所述减重孔13为圆形，直径为15mm，主要作用是为铜制电极7减重。
铜制电极7的面积与压电陶瓷条11侧向面积相等，且采用环氧树脂粘接剂对铜制电极7与压电陶瓷条11的侧向粘接。
可以在压电圆环的外表面完全包覆有防水作用的聚氨酯橡胶14，构成双端开缝压电圆环水声换能器16。
本发明的特点将径压电圆环的两端沿着纵向开缝，使得圆环具有纵向开缝，使得压电圆环的振动模态由径向振动模态变为双端弯曲振动模态6，极大的降低了圆环的基础谐振频率，从而实现圆环换能器的低频发射。
本申请的具体装配过程如下：
步骤一：当压电圆环是整体是压电陶瓷圆环1时，将整体式压电陶瓷圆环1内外表面焊接金属导线；
步骤二：当压电圆环为镶拼式压电圆环2时，首先将压电陶瓷条5与铜制电极7采用环氧树脂进行粘接，构成镶拼压电驱动块8；然后将镶拼压电驱动块8放置于镂空金属圆环9的扇形安装孔17，并采用环氧树脂进行粘接；最后将金属导线穿过导线穿线孔12，采用焊接方式连接，使各压电陶瓷条的正、负电极实现电联通；
步骤三：对步骤一和步骤二中连接电线后的压电圆环外表面全包覆聚氨酯橡胶，起到防水作用，构成双端开缝压电圆环水声发射换能器16，施加驱动电压岂可产生低频振动。
本发明的双端开缝压电圆环水声发射换能器在水中工作时，在对端开缝径向极化压电圆环1，双端开缝镶拼压电圆环2施加固定频率的交变电场时，将产生弯曲振动模态6，达到降低圆环换能器发射频率的目的。
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 (7)
1.一种双端开缝压电圆环水声发射换能器，其特征在于：包括压电圆环，在压电圆环的上端和下端均设有若干纵向开缝(4)，且上端的若干纵向开缝与下端的若干纵向开缝一一正对布置，所有的纵向开缝(4)的深度和宽度均相同，且纵向开缝(4)的深度为压电圆环长度的20％-30％，各端纵向开缝(4)的宽度占所在端部的圆周的长度的5％-10％，在正弦电压激励下，压电圆环产生双端弯曲振动模态(6)；
所述压电圆环为镶拼式压电圆环(2)，所述镶拼式压电圆环(2)包括镂空金属圆环(9)和若干镶拼压电驱动块(8)，在每个镂空金属圆环(9)的镂空处分别固定一个镶拼压电驱动块(8)，所述镶拼压电驱动块(8)由多片切向极化的压电陶瓷条(11)与铜制电极(7)交叉排列拼接而成，且相邻的两片压电陶瓷条(11)的极化方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种双端开缝压电圆环水声发射换能器，其特征在于：所述镶拼压电驱动块(8)的水平投影为扇形，镶拼压电驱动块的极化方向(10)是与扇形圆弧平行的切向方向，压电陶瓷条的电激励方式(15)为侧向加电，一侧为正极，一侧为负极。
3.根据权利要求1所述的一种双端开缝压电圆环水声发射换能器，其特征在于：每端的纵向开缝(4)的数目为8-12条，纵向开缝(4)的宽度为1mm。
4.根据权利要求1所述的一种双端开缝压电圆环水声发射换能器，其特征在于：所述镂空金属圆环(9)为在整体式金属圆环的中部沿圆周方向开设四个扇形安装孔(17)而成，且相邻两个扇形安装孔(17)之间为连接片(18)，所述扇形安装孔(17)的尺寸与镶拼压电驱动块(8)的尺寸相匹配，在镂空金属圆环(9)的上下两端各开设8条纵向开缝(4)，且其中4条纵向开缝(4)正对四个连接片(18)开设。
5.根据权利要求1所述的一种双端开缝压电圆环水声发射换能器，其特征在于：所述铜制电极(7)由0.5mm黄铜片制成，在铜制电极(7)上开设有导线穿线孔(12)和若干减重孔(13)，所述穿线孔(12)为圆形，直径为1.5mm，用于承托激励正、负极导线，并与正负导线进行焊接；所述减重孔(13)设置四个，所述减重孔(13)为圆形，直径为15mm。
6.根据权利要求1所述的一种双端开缝压电圆环水声发射换能器，其特征在于：所述铜制电极(7)的面积与压电陶瓷条(11)侧向面积相等，且采用环氧树脂粘接剂对铜制电极(7)与压电陶瓷条(11)的侧向粘接。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种双端开缝压电圆环水声发射换能器，其特征在于：在压电圆环的外表面完全包覆有聚氨酯橡胶(14)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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