CN113450749B - 一种免负压源低频推挽调制流体声源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种免负压源低频推挽调制流体声源系统，其包括流体动力源子系统和调制部件子系统。流体动力源子系统包括负压室、液体输送装置以及高压室，负压室、液体输送装置以及高压室通过管道依次连接。调制部件子系统包括驱动装置、转子装置以及定子装置，转子装置和定子装置相互贴合，转子装置对定子装置间歇性的导通。用流体调制发声，克服了固体强度约束引起的辐射声强限制，实现了声源尺寸的小型化，降低声源工作带宽内频响的不均匀性；通过内外联通实现向周围介质周期性的射出和吸入流量，使声源内外压力平衡，满足大海深工作需要；用一个液体输送装置在声源内部同时产生高压区和负压区，简化推挽调制的结构，降低了成本，提高了可靠性。

Description

一种免负压源低频推挽调制流体声源系统
技术领域
本发明涉及水声换能器领域，尤其涉及一种免负压源低频推挽调制流体声源系统。
背景技术
低频宽带水声换能器广泛应用于水声通信、海洋地质勘探、目标探测与水声对抗等。为了提高目标与环境的探测或作用距离、获取更多接收信息，实际应用中希望换能器同时兼顾低频、高声强、大海深和宽带的特点。具有此声学特点的常见换能器一般通过压电材料或磁致伸缩材料激励固体结构振动而发声。首先，固体结构振动实现宽带方式主要是多模耦合，工作带宽内不均匀性较大。其次，振动幅度受换能材料自身强度的限制，所产生声波辐射强度的提高存在瓶颈。再次，换能器需包含耐压结构以适应深海工作条件，声源结构与工艺复杂，成本较高且可靠性不足。此外，结构振动方式实现低频高效辐射，尺寸普遍较大，面临安装和使用的不便。
调制流体声源通过对高压流体(气体或液体)的调制作用产生高强度压力扰动，进而形成高声强声波辐射。所产生声波的强度和频率分别通过流体压力和调制频率控制，因而发声频率可在较宽的低频频段内连续调节。调制流体声源换能效率一般在10％～30％左右。阻碍声源效率提高的原因是发声过程中，声源出口流量在最大值到零之间变化，体积速度流量保持正值，大量的流体功率以类似直流分量的形式通过声源而并未做功。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供一种免负压源低频推挽调制流体声源系统，旨在解决无法突破声源级限制且内频响均匀性差的问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：一种免负压源低频推挽调制流体声源系统，其特征在于，所述系统包括流体动力源子系统和调制部件子系统；
所述流体动力源子系统包括负压室、液体输送装置以及高压室，所述负压室、所述液体输送装置以及所述高压室通过管道依次连接；
所述调制部件子系统包括驱动装置、转子装置以及定子装置，所述转子装置和所述定子装置相互贴合；
所述驱动装置的输出轴与所述转子装置连接，以用于驱动所述转子装置旋转；
所述定子装置上开设有与所述负压室的入口连通的第一开孔以及与所述高压室的出口连通的第二开孔；
所述转子装置上开设有与外部环境连通的至少一个第三开孔，所述第三开孔能够分别与所述第一开孔、所述第二开孔间歇地连通；
所述负压室和所述高压室均形成为球状结构，所述球状结构的球壁均为弹性壁面。
可选地，所述液体输送装置为水泵，所述水泵的入口与所述负压室的出口连接，所述水泵的出口与所述高压室的入口连接。
可选地，所述液体输送装置为叶轮，所述叶轮与所述驱动装置的输出轴连接，所述叶轮的入口与所述负压室的出口连接，所述叶轮的出口与所述高压室的入口连接。
可选地，所述转子装置为圆盘，所述圆盘上开设有至少一个所述第三开孔，至少一个所述第三开孔依次间隔分布于同一个圆的圆周上，所述圆的中心与所述圆盘的旋转中心重合，所述驱动装置的输出轴与所述转子装置的连接点位于所述圆盘的旋转中心。
可选地，所述驱动装置包括第一驱动装置和第二驱动装置；所述转子装置包括第一转子装置和第二转子装置；所述定子装置包括第一定子装置和第二定子装置；
所述第一驱动装置输出轴与所述第一转子装置连接，所述第二驱动装置的输出轴与所述第二转子装置连接；
所述第一定子装置上开设有两个所述第一开孔，所述第一转子装置上开设有两个所述第三开孔，所述第一开孔能够与所述第三开孔间歇地接通，两个所述第三开孔以所述第一转子装置的旋转轴中心对称分布；
所述第二定子装置上开设有两个所述第二开孔，所述第二转子装置上开设有两个所述第三开孔，所述第二开孔能够与所述第三开孔间歇地接通，两个所述第三开孔以所述第二转子装置的旋转轴中心对称分布。
可选地，所述第一转子装置的旋转轴与所述第二转子装置的旋转轴之间的距离小于声源发声频率对应的波长；
第一转子装置和第二转子装置之间的旋转角度相差90度。
可选地，所述转子装置能够在第一状态、第二状态以及第三状态之间切换；
所述第一状态为所述第一开孔与所述第三开孔接通；
所述第二状态为所述第二开孔与所述第三开孔接通；
所述第三状态为所述第一开孔和第二开孔均未与所述第三开孔接通。
可选地，所述系统还包括低频辐射子系统，所述低频辐射子系统为渐扩管，所述渐扩管的缩小端设置于所述定子装置上，所述转子装置设置于所述渐扩管内。
可选地，所述负压室、所述液体输送装置以及所述高压室沿弧形管道分布。
可选地，所述驱动装置为水密电机。
(三)有益效果
本发明的免负压源低频推挽调制流体声源系统，由于采用流体调制发声代替传统固体结构振动发声，相对于现有技术而言，其可以有效克服固体强度约束引起的辐射声强限制，实现了低频声源尺寸的小型化，降低声源工作带宽内频响的不均匀性；
通过内外联通的结构实现向周围介质周期性的射出和吸入流量，使声源内外压力平衡，满足大海深工作需要；
采用一个液体输送装置在声源内部同时产生高压区和负压区，免除额外负压源的使用，简化推挽调制的实现结构，降低成本和提高可靠性。
附图说明
图1为本发明的免负压源低频推挽调制流体声源系统的实施例1的结构示意图；
图2为本发明的免负压源低频推挽调制流体声源系统的实施例2的结构示意图；
图3为本发明的免负压源低频推挽调制流体声源系统的实施例3的结构示意图；
图4为本发明的免负压源低频推挽调制流体声源系统的实施例3中转子装置标记点位的示意图；
图5为本发明的免负压源低频推挽调制流体声源系统的实施例4的结构示意图。
【附图标记说明】
1：液体输送装置；2：管道；3：高压室；4：负压室；5：弹性壁面；6：定子装置；7：第一开孔；8：转子装置；9：第三开孔；10：输出轴；11：驱动装置；12：渐扩管；13：第二开孔。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”等方位名词以图1的定向为参照。
本发明实施例提出的一种免负压源低频推挽调制流体声源系统，旨在解决无法突破声源级限制且内频响均匀性差的问题。系统包括流体动力源子系统和调制部件子系统。其中，流体动力源子系统包括负压室4、液体输送装置1以及高压室3，负压室4、液体输送装置1以及高压室3通过管道2依次连接，并且负压室4、液体输送装置1以及高压室3沿弧形管道2分布，弧形管道2使高压室3的出口和负压室4的入口设置于同一平面内，并且弧形管道2降低水流阻力，提高液体输送的效率；调制部件子系统包括驱动装置11、转子装置8以及定子装置6，转子装置8和定子装置6相互贴合，驱动装置11采用水密电机。驱动装置11的输出轴10与转子装置8连接，以用于驱动转子装置8旋转。在定子装置6上开设有与负压室4的入口连通的第一开孔7以及与高压室3的出口连通的第二开孔；而在转子装置8上开设有与外部环境连通的至少一个第三开孔9，第三开孔9能够分别与第一开孔7和第二开孔间歇地连通，当第一开孔7与第三开孔9接通时，第二开孔无法与第三开孔9接通。流体动力源子系统设置有高压室3、负压室4和液体输送装置1，在调制部件子系统的调制下实现平衡位置对应的流量为零、体积速度在正负值间交替变化。具有内外压力平衡(全海深)、结构紧凑(小型化)、结构工艺简单(低成本、性能可靠)和高换能效率等特点，具备在宽频带范围内持续产生低频强声波的能力。负压室4和高压室3均形成为球状结构，球状结构的球壁均为弹性壁面5，弹性壁面5能通过形变来改变高压室3和负压室4的体积，具有很好的储水和加压效果。一方面，当高压室3的出口关闭而负压室4入口导通时，液体输送装置1通过负压室4的入口吸入流量并将吸入的流量输送给高压室3，由于高压室3出口封闭，流量储存于负压室4和高压室3内，负压室4和高压室3通过自身膨胀有效地提高了储水能力；当高压室3的出口导通而负压室4的入口封闭时，液体输送装置1通过高压室3的出口向外高速射流，并且，由于高压室3处于膨胀的高压状态，对高速射流起到了很好的加压效果。另一方面，高速射流结束后，负压室4处于负压状态，当负压室4的入口再次导通，而高压室3的出口再次封闭时，液体输送装置1通过负压室4的入口快速吸入流量，在负压室4的入口处形成高速射流，而处于负压状态的负压室4能够增加吸入流量时的负压值，从而有效地提高了射流效率。
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1：
如图1所示，流体动力源子系统包括负压室4、液体输送装置1以及高压室3，负压室4、液体输送装置1以及高压室3通过管道2依次连接；调制部件子系统包括驱动装置11、转子装置8以及定子装置6，转子装置8和定子装置6相互贴合，驱动装置11采用水密电机。驱动装置11的输出轴10与转子装置8连接，以用于驱动转子装置8旋转。在定子装置6上开设有与负压室4的入口连通的第一开孔7以及与高压室3的出口连通的第二开孔；而在转子装置8上开设有与外部环境连通的至少一个第三开孔9，第三开孔9能够分别与第一开孔7和第二开孔间歇地连通，当第一开孔7与第三开孔9接通时，第二开孔无法与第三开孔9接通。本发明以海水为工作介质，对流体进行调制发声的低频声源装置。通过安装于管道2内的液体输送装置1、高压室3和负压室4在流体动力源子系统中产生高压区和负压区，在定子装置6的出口和入口产生高速射流。驱动装置11驱动转子装置8运动，转子装置8一次间隔导通定子装置6的出口和入口，从而对高速射流进行了调制。免负压源低频推挽调制流体声源系统周期性地射出和吸入流量，产生正压与负压扰动，从而实现向外辐射声波。采用流体调制发声代替传统固体结构振动发声，有效克服固体强度约束引起的辐射声强限制，实现了低频声源尺寸的小型化，降低声源工作带宽内频响的不均匀性。通过对海水介质的推挽调制，提高流体发声的换能效率。通过内外联通的结构实现向周围介质周期性的射出和吸入流量，使声源内外压力平衡，满足大海深工作需要。采用一个液体输送装置1在声源内部同时产生高压区和负压区，免除额外负压源的使用，简化推挽调制的实现结构，降低成本和提高可靠性。
负压室4和高压室3均形成为球状结构，球状结构的球壁均为弹性壁面5，弹性壁面5能通过形变来改变高压室3和负压室4的体积，具有很好的储水和加压效果。一方面，当高压室3的出口关闭而负压室4入口导通时，液体输送装置1通过负压室4的入口吸入流量并将吸入的流量输送给高压室3，由于高压室3出口封闭，流量储存于负压室4和高压室3内，负压室4和高压室3通过自身膨胀有效地提高了储水能力；当高压室3的出口导通而负压室4的入口封闭时，液体输送装置1通过高压室3的出口向外高速射流，并且，由于高压室3处于膨胀的高压状态，对高速射流起到了很好的加压效果。另一方面，高速射流结束后，负压室4处于负压状态，当负压室4的入口再次导通，而高压室3的出口再次封闭时，液体输送装置1通过负压室4的入口快速吸入流量，在负压室4的入口处形成高速射流，而处于负压状态的负压室4能够增加吸入流量时的负压值，从而有效地提高了射流效率。
进一步地，如图1所示，液体输送装置1可以为水泵，水泵的入口与负压室4的出口连接，水泵的出口与高压室3的入口连接。水泵可以为多种形式的液体输送泵，为高速射流提供有效动力。
实施例2：
如图2所示，液体输送装置1也可以为单独的叶轮，叶轮与驱动装置11的输出轴10连接，叶轮的入口与负压室4的出口连接，叶轮的出口与高压室3的入口连接。叶轮直接与驱动装置11的输出轴10连接，通过驱动装置11来驱动叶轮旋转，进而输送液体形成高速射流，有效地减少了电机的使用数量，充分利用驱动装置11的驱动能力，其中，驱动装置11可以采用双输出轴10的水密电机或者单轴输出的水密电机。另外，通过对水泵(或叶轮)部件、转子与电机的功率和尺寸等参数的调节，可形成不同工作频段和不同功率的系列水声换能器装置。
更进一步地，转子装置8为圆盘状结构，圆盘上开设有至少一个第三开孔9，至少一个第三开孔9依次间隔分布于同一个圆的圆周上，圆的中心与圆盘的旋转中心重合，驱动装置11的输出轴10与转子装置8的连接点位于圆盘状结构的旋转中心。转子装置8在驱动装置11的驱动下旋转运动，圆盘状结构的转子装置8能有效地提高旋转平衡的能力，避免旋转过程中转子装置8出现抖动而影响电机转速进而影响声源频率的情况发生，有效地提高了转子装置8的稳定性。定子装置6为整块的板材，板材可以为圆形板或者长条版，板材上开设有第一开孔7和第二开孔，负压室4的入口与第一开孔7连接，高压室3的出口与第二开孔连接。转子装置8与定子装置6紧密贴合且相互密封，只有当第三开孔9与第一开孔7或者第二开孔对接时才能将定子装置6导通，有效地保证了高速射流时间隔的准确性。
实施例3：
如图3所示，负压室4的入口和高压室3的出口单独设置调制部件子系统进行调制，定子装置6和转子装置8均采用实施例1中的结构，在定子装置6和转子装置8上均开设有两个开孔。具体地，驱动装置11包括第一驱动装置和第二驱动装置，转子装置8包括第一转子装置和第二转子装置，定子装置6包括第一定子装置和第二定子装置。其中，第一驱动装置的输出轴10与第一转子装置连接，第二驱动装置的输出轴10与第二转子装置连接。第一定子装置上开设有两个第一开孔7，第一转子装置上开设有两个第三开孔9，第一开孔7能够与第三开孔9间歇地接通，两个第三开孔9以第一转子装置的旋转轴中心对称分布。第二定子装置上开设有两个第二开孔，第二转子装置上开设有两个第三开孔9，第二开孔能够与第三开孔9间歇地接通，两个第三开孔9以第二转子装置的旋转轴中心对称分布。发声过程中，高压室3和负压室4内的流体在位于定子装置6的开孔内部形成高速射流。在一个调制周期内，两个驱动装置11驱动转子装置8绕轴线旋转，先后分别完成对高压区高速射流和负压区高速射流的切割调制，先后分别在两个转子装置8出口产生正压和负压流场扰动。最终，在声源附近产生高强度正负压交替流场扰动，形成高效低频声辐射。
进一步地，如图4所示，第一转子装置的旋转轴与第二转子装置的旋转轴之间的距离为L，其中L应小于声源发声频率对应的波长。第一转子装置和第二转子装置之间的旋转角度相差90度。第一转子装置上依次间隔90度标记A、B、C和D四个点，且A、B、C和D四个点位于同一个以第一转子装置为的旋转中心为圆心的圆的圆周上，第二转子装置上依次间隔90度标记a、b、c和d四个点，且a、b、c和d四个点位于同一个以第二转子装置为的旋转中心为圆心的圆的圆周上，当第一定子装置上的两个第一开孔7刚好与A和C重合时，第二定子装置上的两个第二开孔刚好与b和d重合；当第一定子装置上的两个第一开孔7刚好与B和D重合时，第二定子装置上的两个第二开孔刚好与a和c重合，保证了在第一开孔7导通时第二开孔处于封闭状态，而第二开孔导通时第一开孔7处于封闭状态。并且第一驱动装置和第二驱动装置均与同步器连接，保证两个电机之间的旋转角度始终相差90度。
具体地，转子装置8能够在第一状态、第二状态以及第三状态之间切换。其中，第一状态为第一开孔7与第三开孔9接通。第二状态为第二开孔与第三开孔9接通。第三状态为第一开孔7和第二开孔均未与第三开孔9接通。第一状态、第二状态以及第三状态实现了动力源子系统周期性地射出和吸入流量。
实施例4：
如图5所示，系统还包括低频辐射子系统，低频辐射子系统为渐扩管12，渐扩管12能将声辐射的能量聚集到了一个方向上集中发射。渐扩管12的缩小端上设置于定子装置6上，转子装置8设置于渐扩管12内。渐扩管12的扩大端为开口的自由端，渐扩管12的缩小端上设置有封板，封板上开设有第一开口和第二开口，第一开口与第一开孔7相对设置，第二开口与第二开孔相对设置。流体动力源子系统和调制部件子系统在低频辐射子系统内部产生高强度正负压交替流场扰动，在声源出口形成高效低频声辐射，通过低频辐射子系统将声辐射集中发出，有效地提高了声辐射的发射效率。
最后，流体动力源子系统设置有高压室3、负压室4和液体输送装置1，在调制部件子系统的调制下实现平衡位置对应的流量为零、体积速度在正负值间交替变化，具有内外压力平衡、结构紧凑、结构工艺简单和换能效率高等特点，适应于全海域，结构简单、成本低且性能稳定，具备在宽频带范围内持续产生低频强声波的能力。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种免负压源低频推挽调制流体声源系统，其特征在于，所述系统包括流体动力源子系统和调制部件子系统；
所述流体动力源子系统包括负压室、液体输送装置以及高压室，所述负压室、所述液体输送装置以及所述高压室通过管道依次连接，所述负压室、所述液体输送装置以及所述高压室沿弧形管道分布；
所述调制部件子系统包括驱动装置、转子装置以及定子装置，所述转子装置和所述定子装置相互贴合；
所述驱动装置的输出轴与所述转子装置连接，以用于驱动所述转子装置旋转；
所述定子装置上开设有与所述负压室的入口连通的第一开孔以及与所述高压室的出口连通的第二开孔；
所述转子装置上开设有与外部环境连通的至少一个第三开孔，所述第三开孔能够分别与所述第一开孔、所述第二开孔间歇地连通；
所述负压室和所述高压室均形成为球状结构，所述球状结构的球壁均为弹性壁面；
所述转子装置为圆盘，所述圆盘上开设有至少一个所述第三开孔，所述第三开孔依次间隔分布于同一个圆的圆周上，所述圆的中心与所述圆盘的旋转中心重合，所述驱动装置的输出轴与所述转子装置的连接点位于所述圆盘的旋转中心；
所述驱动装置包括第一驱动装置和第二驱动装置；所述转子装置包括第一转子装置和第二转子装置；所述定子装置包括第一定子装置和第二定子装置；所述第一驱动装置输出轴与所述第一转子装置连接，所述第二驱动装置的输出轴与所述第二转子装置连接；所述第一转子装置的旋转轴与所述第二转子装置的旋转轴之间的距离小于声源发声频率对应的波长；第一转子装置和第二转子装置之间的旋转角度相差90度。
2.如权利要求1所述的免负压源低频推挽调制流体声源系统，其特征在于，所述液体输送装置为水泵，所述水泵的入口与所述负压室的出口连接，所述水泵的出口与所述高压室的入口连接。
3.如权利要求1所述的免负压源低频推挽调制流体声源系统，其特征在于，所述液体输送装置为叶轮，所述叶轮与所述驱动装置的输出轴连接，所述叶轮的入口与所述负压室的出口连接，所述叶轮的出口与所述高压室的入口连接。
4.如权利要求1所述的免负压源低频推挽调制流体声源系统，其特征在于，所述第一定子装置上开设有两个所述第一开孔，所述第一转子装置上开设有两个所述第三开孔，所述第一开孔能够与所述第三开孔间歇地接通，两个所述第三开孔以所述第一转子装置的旋转轴中心对称分布；
所述第二定子装置上开设有两个所述第二开孔，所述第二转子装置上开设有两个所述第三开孔，所述第二开孔能够与所述第三开孔间歇地接通，两个所述第三开孔以所述第二转子装置的旋转轴中心对称分布。
5.如权利要求4所述的免负压源低频推挽调制流体声源系统，其特征在于，所述转子装置能够在第一状态、第二状态以及第三状态之间切换；
所述第一状态为所述第一开孔与所述第三开孔接通；
所述第二状态为所述第二开孔与所述第三开孔接通；
所述第三状态为所述第一开孔和第二开孔均未与所述第三开孔接通。
6.如权利要求1-5中任一项所述的免负压源低频推挽调制流体声源系统，其特征在于，所述系统还包括低频辐射子系统，所述低频辐射子系统为渐扩管，所述渐扩管的缩小端设置于所述定子装置上，所述转子装置设置于所述渐扩管内。
7.如权利要求1-5中任一项所述的免负压源低频推挽调制流体声源系统，其特征在于，所述驱动装置为水密电机。
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