CN113301478A - 一种加筋式的凹筒型弯张换能器结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种加筋式的凹筒型弯张换能器结构及方法，属于水声技术领域；包括上质量块、下质量块、预应力螺栓、压电陶瓷、电极片和壳体；所述上质量块和下质量块通过预应力螺栓同轴连接，凹筒型壳体设置于外围；壳体由多个沿周向设置的弯曲梁构成，相邻弯曲梁之间设置有间隙；弯曲梁的两端分别固定于上质量块与下质量块的外周面；弯曲梁的外弧面上固定有型面一致的条形筋板，所述筋板宽度在3.5‑14mm范围内，厚度在3‑6mm范围内。本发明通过添加不同宽度和厚度的筋板，任意调控换能器的谐振频率范围，减少了弯曲梁制作的成本和时间，通过给多个换能器添加不同的筋板结构，就能获得不同频率范围的换能器。对客体进行了开缝处理，使其容易产生径向弯曲振动。
Description
技术领域
本发明属于水声技术领域，具体涉及一种加筋式的凹筒型弯张换能器结构及方法。
背景技术
声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在海洋中远距离传递信息与传播能量的载体，水声技术如声呐也因此成为水下通讯导航、水下目标探测与识别等领域的重要手段。
水声换能器是声呐探测设备的核心部件，水声换能器能在水域中将输入的电信号转化为声信号并以声波的形式发射出去探测目标，同时还能将从被探测物反射回来的声信号转化为电信号，经过计算机的处理后，就能完成对目标物的检测、定位、跟踪和识别等功能，可以说水声换能器的诞生标志着水声技术发展的开始，水声换能器一次次的技术进步是水声技术长足发展的重要前提和基础。
目前很多领域包括医疗、交通、工业等已经使用到了水声换能器，不同的应用领域对水声换能器有着不一样的的指标要求，比如主动声呐远程探测及海底资源勘查中要求发射换能器具有低频、大功率的发射特性；噪声模拟器、声呐校准系统中要求发射换能器具有超低频、超宽带发射特性，总的来说当前水声换能器的发展和研究朝着低频、大功率方向发展，具备这些特性的弯张换能器所以成为研究的重点。
这其中I类凹筒型弯张换能器具有着小尺寸、低频大功率的优点，因此被广泛应用在水下通讯、海洋探测上面。传统的凹筒型弯张换能器主要由两端的质量块(外径相同)、弯曲壳体、驱动材料、电极片、螺栓构成，螺栓连接两个质量块的中心，驱动材料(一般是环状压电陶瓷)和电极片堆叠在螺栓上，电极片在两个压电陶瓷中间，传统的凹筒型弯张换能器的壳体是整块的实体(没有狭缝)，通过螺钉固定在上下端的质量块上。根据文献(《凹筒弯张换能器研究》李志)证明，该类型换能器的谐振频率主要由弯曲壳体的材料和结构参数决定，壳体的变动对换能器的谐振频率影响很大，其他结构的影响较小，当壳体已经确定时，换能器的谐振频率就很难有大幅度的变动，再加上其他的结构需要适配壳体，参数也没办法随意改动，考虑到现实的换能器应用在其他频率范围的需求，再次设计和制作一个新的换能器无疑是很消耗时间和成本的，这时候如果能在原有换能器的基础上进行改动来使得谐振频率改变就很方便快捷了。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种加筋式的凹筒型弯张换能器结构，通过在换能器的弯曲梁上增加筋板，能够任意调控换能器的谐振频率范围。
本发明的技术方案是：一种加筋式的凹筒型弯张换能器结构，包括上质量块、下质量块、预应力螺栓、压电陶瓷、电极片和壳体；所述上质量块和下质量块通过预应力螺栓同轴连接，多个压电陶瓷和电极片同轴套装于预应力螺栓上，且每个电极片位于相邻两个压电陶瓷之间；所述壳体为凹筒型，设置于外围；其特征在于：所述壳体由多个弯曲梁构成，多个弯曲梁沿周向均布，相邻弯曲梁之间设置有间隙；所述弯曲梁的两端分别固定于上质量块与下质量块的外周面；
所述弯曲梁的外弧面上固定有型面一致的条形筋板，所述筋板宽度在3.5-14mm范围内，厚度在3-6mm范围内。
本发明的进一步技术方案是：所述筋板的宽度是其所在弯曲梁宽度的30％以内。
本发明的进一步技术方案是：所述相邻弯曲梁之间的间隙为1mm时，能够达到较低谐振频率1900Hz；同时能够减小壳体径向刚度，使其更容易弯曲。
本发明的进一步技术方案是：所述弯曲梁采用硬铝材料制成，曲率半径为200mm，厚度为4.5mm。
本发明的进一步技术方案是：所述弯曲梁的数量为8-12个。
本发明的进一步技术方案是：所述压电陶瓷呈现圆环状，并组成压电晶堆，压电陶瓷采用PZT-4材料制成，高度为5mm，厚度为8.5mm,内径为13mm，外径为30mm，压电陶瓷处于并联连接状态。
本发明的进一步技术方案是：所述压电陶瓷堆与上、下质量块之间设置有绝缘垫片，以保证换能器的工作性能。
本发明的进一步技术方案是：所述上质量块与下质量块的内径均为6.5mm，所述预应力螺栓的半径为6.5mm。
本发明的进一步技术方案是：所述上质量块、下质量块与预应力螺栓均采用钢材料制成。
一种加筋式的凹筒型弯张换能器结构的装配方法，具体步骤如下：
步骤一：首先，采用环氧树脂将所述压电陶瓷、电极片与装有预应力螺栓的下质量块进行粘接，然后再安装另一端的上质量块，在所述压电陶瓷与上、下质量块之间设置有加绝缘垫片，以保证换能器的工作性能；
步骤二：使用工具整理粘接所述电极片和压电陶瓷；再对换能器施加预应力，用预应力螺栓固定，在这一过程中要保证陶瓷激励器受到足够的预应力；
步骤三：用干燥箱将步骤二制作的换能器进行烘干处理，烘干后完成换能器焊接电极的工作；先将所述压电陶瓷的正极焊接在一起，引出一条线，再将负极焊接在一起，引出第二条线，最后通过输出电缆线从上质量块处引出；
步骤四：用螺栓将所有的弯曲梁沿周向紧固于上质量块和下质量块上；
步骤五：进行最后的封装工作；密封使用的橡胶套胶料不能渗入弯曲板条的间隙，防止产生谐振频率升高、功率减小的后果，橡胶材料还需要与换能器壳体完美贴合，避免产生非线性“拍打”现象而使得换能器发射效率降低。
有益效果
本发明的有益效果在于：
1、该加筋式的凹筒型弯张换能器结构，通过板条结构的弯曲梁，减小了壳体径向刚度，使其更容易弯曲振动，从而有更好的发射性能，与传统的换能器相比，声源级有很大的提高，原因是当换能器工作在呼吸模态上，即轴向和径向振动位移一致时，能够得到最大的体积速度，为了使其容易产生径向弯曲振动，所以进行了开缝处理，当壳体未开缝时，换能器在水中没有明显的呼吸模态，只有纵向振动，声源级也就较低；
2、该加筋式的凹筒型弯张换能器结构，通过添加不同宽度和厚度的筋板可以得到加筋厚度、宽度与换能器谐振频率的影响关系，这样就可以任意调控换能器的谐振频率范围，减少了弯曲梁制作的成本和时间，通过给多个换能器添加不同的筋板结构，就能获得不同频率范围的换能器，这样就能组合成某一频率范围的多个换能器组成的基阵；进一步优选中，筋板宽度范围在单个弯曲梁宽度的30％以内时增加较为明显，通过得到的关系图可以合适的控制和实现换能器的谐振频率调整，满足工作需求。
3、仿真数据表明，随着筋板宽度和厚度的增加，换能器受到的最大静水压力逐渐变小，证明了筋板结构可以增强壳体的整体强度，壳体强度的增加使得换能器耐静水压力能力也得到了提升，可以更好地满足深水工作的要求。进一步优选中，当筋板厚度在5mm以上时，最大静水压力降低较为明显，证明了加筋结构能提高换能器耐静水压力的作用。
4、在进一步优选方案中，将相邻弯曲梁之间的间隙限定为1mm时，能够满足低频要求；当间隙增大时，换能器刚度减小趋势略微小于质量变化，所以整体谐振频率会提高。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明压电陶瓷堆示意图；
图3为本发明水声换能器压电陶瓷片的正负极排布示意图；
图4为本发明换能器弯曲梁间距Q与谐振频率的关系图；
图5为本发明换能器开缝数量与声源级、谐振频率的关系图；
图6为本发明加筋宽度D和厚度L对换能器谐振频率的影响；
图7为本发明加筋后对换能器承受最大静水压力的影响。
附图标记说明：1-上质量块、2-下质量块、3-预应力螺栓、4-弯曲梁、5-压电陶瓷、6-电极片、7-电缆线。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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发明的限制。
参照图1和图2所示，本发明一种加筋式的凹筒型弯张换能器结构，包括上质量块1与下质量块2，上质量块1与下质量块2之间分别安装有预应力螺栓3、弯曲梁4、压电陶瓷5与电极片6，预应力螺栓3用来固定上质量块1与下质量块2并给压电陶瓷5施加一定的预应力。
本实施例中，上质量块1、下质量块2与预应力螺栓3均采用钢材料制成，便于施加预应力，上质量块1与下质量块2的形状大小相同，上质量块1与下质量块2的内径均为6.5mm，预应力螺栓3的半径为6.5mm。
本实施例中，弯曲梁4沿轴方向进行了开缝处理，这样做的目的是减小弯曲梁4径向的刚度，更容易弯曲，通过弯曲梁4开缝可以减小径向的刚度，易于受激励从而产生弯曲振动，如果弯曲梁4开缝过多也会降低换能器的轴向刚度，从而会限制换能器声源级的提高，也不利于换能器的深水工作，因此需要确定合理的开缝数量，开缝数在8-12是比较好的选择，这里选择了8条弯曲梁数量。弯曲梁4采用硬铝材料制成，硬铝的价格低、弹性模量较小且密度低，选用硬铝可以获得重量较轻、工作频率较低的换能器，弯曲梁4的曲率半径为200mm，厚度为4.5mm，相邻压电陶瓷5组成压电晶堆，压电陶瓷5采用PZT-4材料制成，PZT-4具有良好的压电性能，压电陶瓷5呈现圆环状，压电陶瓷5的高度为5mm，厚度为8.5mm,外径为30mm，压电陶瓷5之间采用并联连接。
本实施例中，弯曲梁4与上质量块1和下质量块2之间设置有贴合部分，相邻两个弯曲梁4分别通过螺钉设置在上质量块1与下质量块2的两端。
本发明的工作原理及使用流程：上质量块1、下质量块2与预应力螺栓3均采用钢材料制成，便于施加预应力，弯曲梁4沿轴方向进行开缝处理，这样做的目的是减小弯曲梁4径向的刚度，更容易弯曲，通过弯曲梁4开缝可以减小径向的刚度，易于受激励从而产生弯曲振动，如果弯曲梁4开缝过多也会降低换能器的轴向刚度，从而会限制换能器声源级的提高，也不利于换能器的深水工作，因此需要确定合理的开缝数量，开缝数在8-12是比较好的选择，弯曲梁4采用硬铝材料制成，硬铝的价格低、弹性模量较小且密度低，选用硬铝可以获得重量较轻、工作频率较低的换能器，弯曲梁4的曲率半径为126mm，厚度为4.5mm，相邻压电陶瓷5组成压电晶堆，压电陶瓷5采用PZT-4材料制成，PZT-4具有良好的压电性能。
具体的装配过程为：
(1)用环氧树脂将压电陶瓷5、电极片6等与装有应力螺栓3的质量块2进行粘接，之后再安装另一端的质量块1，要注意压电陶瓷堆与两端质量块之间还要加绝缘垫片，以保证换能器的工作性能；
(2)使用工具整理粘接电极片6和压电陶瓷(电极片在两片压电陶瓷之间)，接着再对换能器施加一定的预应力并用预应力螺栓3固定，在这一过程中要保证陶瓷激励器受到足够的预应力；
(3)用干燥箱将制作的换能器进行烘干处理，烘干后完成换能器焊接电极的工作，先将压电陶瓷5的正极焊接在一起，引出一条线，再将负极焊接在一起，引出第二条线，最后通过输出电缆线7从上质量块1处引出形成图一的结构；
(4)用螺栓将所有的弯曲梁4紧固在质量块1和2上；
(5)进行最后的封装工作，要注意密封使用的橡胶套胶料不能渗入弯曲板条的间隙，防止产生谐振频率升高、功率减小的后果，橡胶材料还需要与换能器壳体完美贴合，避免产生非线性“拍打”现象而使得换能器发射效率降低。如图3所示，为装配完成后的水声换能器压电陶瓷片的正负极排布示意图。
如图4所示，本发明换能器谐振频率随弯曲梁间距的增加而变大，原因是当间距增大时，换能器刚度减小趋势略微小于质量变化，所以整体谐振频率会提高，考虑到低频的要求所以采用的间距为1mm。
如图5所示，研究换能器开缝数与声源级、谐振频率的关系可以发现，当开缝数在8-12时有较高的声源级和较低的谐振频率，本发明中开缝数量为8。
如图6所示，宽度D变化范围在3.5-14mm，厚度L变化范围在3-6mm的筋板，换能器谐振频率随加筋宽度和厚度的增加而变大，且宽度范围在单个弯曲梁宽度的30％以内时增加较为明显，通过得到的关系图可以合适的控制和实现换能器的谐振频率调整，满足工作需求。
如图7所示，随着筋板厚度和宽度的提升，换能器上的最大流体静压力开始降低，且当厚度在5mm以上时，最大静水压力降低较为明显，证明了加筋结构能提高换能器耐静水压力的作用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种加筋式的凹筒型弯张换能器结构，包括上质量块、下质量块、预应力螺栓、压电陶瓷、电极片和壳体；所述上质量块和下质量块通过预应力螺栓同轴连接，多个压电陶瓷和电极片同轴套装于预应力螺栓上，且每个电极片位于相邻两个压电陶瓷之间；所述壳体为凹筒型，设置于外围；其特征在于：所述壳体由多个弯曲梁构成，多个弯曲梁沿周向均布，相邻弯曲梁之间设置有间隙；所述弯曲梁的两端分别固定于上质量块与下质量块的外周面；
所述弯曲梁的外弧面上固定有型面一致的条形筋板，所述筋板宽度在3.5-14mm范围内，厚度在3-6mm范围内。
2.根据权利要求1所述加筋式的凹筒型弯张换能器结构，其特征在于：所述筋板的宽度是其所在弯曲梁宽度的30％以内。
3.根据权利要求1所述加筋式的凹筒型弯张换能器结构，其特征在于：所述相邻弯曲梁之间的间隙为1mm时，能够达到较低谐振频率1900Hz；同时能够减小壳体径向刚度，使其更容易弯曲。
4.根据权利要求1所述加筋式的凹筒型弯张换能器结构，其特征在于：所述弯曲梁采用硬铝材料制成，曲率半径为200mm，厚度为4.5mm。
5.根据权利要求1所述加筋式的凹筒型弯张换能器结构，其特征在于：所述弯曲梁的数量为8-12个。
6.根据权利要求1所述加筋式的凹筒型弯张换能器结构，其特征在于：所述压电陶瓷呈现圆环状，并组成压电晶堆，压电陶瓷采用PZT-4材料制成，高度为5mm，厚度为8.5mm,内径为13mm，外径为30mm，压电陶瓷处于并联连接状态。
7.根据权利要求1所述加筋式的凹筒型弯张换能器结构，其特征在于：所述压电陶瓷与上、下质量块之间设置有绝缘垫片，以保证换能器的工作性能。
8.根据权利要求1所述加筋式的凹筒型弯张换能器结构，其特征在于：所述上质量块与下质量块的内径均为6.5mm，所述预应力螺栓的半径为6.5mm。
9.根据权利要求1所述加筋式的凹筒型弯张换能器结构，其特征在于：所述上质量块、下质量块与预应力螺栓均采用钢材料制成。
10.一种权利要求1所述加筋式的凹筒型弯张换能器结构的装配方法，具体步骤如下：
步骤一：首先，采用环氧树脂将所述压电陶瓷、电极片与装有预应力螺栓的下质量块进行粘接，然后再安装另一端的上质量块，在所述压电陶瓷与上、下质量块之间设置有加绝缘垫片，以保证换能器的工作性能；
步骤二：使用工具整理粘接所述电极片和压电陶瓷；再对换能器施加预应力，用预应力螺栓固定，在这一过程中要保证陶瓷激励器受到足够的预应力；
步骤三：用干燥箱将步骤二制作的换能器进行烘干处理，烘干后完成换能器焊接电极的工作；先将所述压电陶瓷的正极焊接在一起，引出一条线，再将负极焊接在一起，引出第二条线，最后通过输出电缆线从上质量块处引出；
步骤四：用螺栓将所有的弯曲梁沿周向紧固于上质量块和下质量块上；
步骤五：进行最后的封装工作；密封使用的橡胶套胶料不能渗入弯曲板条的间隙，防止产生谐振频率升高、功率减小的后果，橡胶材料还需要与换能器壳体完美贴合，避免产生非线性“拍打”现象而使得换能器发射效率降低。
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