CN209646933U - 一种多面体球形换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多面体球形换能器，包括金属垫片、压电陶瓷片、金属框架、电缆头配件和密封层，所述金属垫片为多边形，且其上下表面分别固定有一个压电陶瓷片，一个金属垫片与两个压电陶瓷片形成三叠片，多个三叠片与金属框架固定连接形成一个闭合的类球形，电缆头配件连接在金属框架上，所述密封层包裹在整个装置的最外层。本实用新型的换能器结构简单，成本较低，可弥补压电陶瓷球换能器的缺点，实现全指向性工作。

Description

一种多面体球形换能器

技术领域

本实用新型属于声纳技术领域，具体涉及到一种多面体球形换能器。

背景技术

水声换能器是声纳的重要组成部分，在水声工程中起着关键的作用，水声换能器技术是声纳技术发展的重要前提。水声换能器的种类有很多，其中三叠片换能器因具有谐振频率低、结构简单、性能稳定等优点，被广泛应用于水声技术、海洋开发、声波测井等研究领域。球形换能器也是一种较为常见的水声换能器，通常被用作全指向换能器。

压电陶瓷球为一种常见的球形换能器，主要存在以下缺点：（1）压电陶瓷球的谐振频率主要与其径向尺寸成反比，用作低频的大尺寸陶瓷球制作工艺较难，需采用等静压成型，内外圆精磨等工艺；（2）压电陶瓷球在烧结过程中极易发生变形，烧成时需要特殊的烧成曲线以及各种辅助烧结工艺；（3）压电陶瓷的耐张力性能较差，压电陶瓷球振动时较大的表面张力限制了其大功率发射特性。

因此，需要开发一种新型结构替代传统压电陶瓷球，实现全指向性的性能特点。

实用新型内容

对于现有压电陶瓷球换能器存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种多面体球形换能器，用于声纳技术中的换能器，解决现有压电陶瓷球换能器制备工艺复杂大功率发射性能差的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种多面体球形换能器，其特征在于，包括金属垫片、压电陶瓷片、金属框架、电缆头配件和密封层，所述金属垫片为多边形，且其上下表面分别固定有一个压电陶瓷片，一个金属垫片与两个压电陶瓷片形成三叠片，多个三叠片与金属框架固定连接形成一个闭合的类球形，电缆头配件连接在金属框架上，所述密封层包裹在整个装置的最外层。

进一步地，金属垫片的厚度为2-8mm；更为优选地，所述金属垫片的厚度为5mm。

进一步地，所述压电陶瓷片为圆环或圆片，依据压电陶瓷片的形状不同，其整个结构的声学性能也不同。

进一步地，压电陶瓷片采用PZT-4材料。

进一步地，压电陶瓷片的厚度为2-8mm；更为优选地，压电陶瓷片的厚度为5mm。

进一步地，压电陶瓷片的外直径为50-70mm；优选地，压电陶瓷片的外直径为60mm。

进一步地，所述金属垫片为正多边形；更为优选地，所述金属垫片为正五边形或正六边形；最优选地，所述金属垫片为正五边形，金属框架为正十二面体金属框架；还可以选择的是正五边形金属垫片与正六边形金属垫片的混合，例如12个正五边形金属垫片和20个正六边形金属垫片。

进一步地，所述正五边形金属垫片的内切圆的直径为100-150mm；优选地，所述正五边形金属垫片地内切圆地直径为120mm。

进一步地，所述压电陶瓷片与金属垫片通过环氧树脂粘接。

进一步地，所述金属框架与三叠片通过螺钉固定连接或通过柔性材料去耦固定。

进一步地，所述金属垫片和金属框架的材料可以为金属铝、黄铜、低膨胀合金；更为优选地，所述金属为金属铝。

进一步地，所述密封层为聚氨酯。

进一步地，所述电缆头配件包括电缆头、金属垫圈和固定螺帽，金属垫圈套设在电缆头上，电缆头与固定螺帽螺纹连接，电缆头固定在金属框架上。

进一步地，所述电缆头的配件还包括橡胶垫圈，所述橡胶垫圈套设在电缆头上，位于金属垫圈的上层。

进一步地，所述电缆头的配件中有两个金属垫圈和两个橡胶垫圈，金属垫圈与橡胶垫圈以夹层的方式叠加套设在电缆头上。

一种多面体球形换能器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将两个压电陶瓷片采用并联的方式固定在金属垫片的上下表面，两个压电陶瓷片与一个金属垫片组成一个三叠片；

（2）将多个三叠片固定在金属框架上，构成一个闭合的类球形多面体；

（3）将电缆配件固定在金属框架上，电缆通过电缆配件与结构连接；

（4）采用整体灌注的方式对整个结构进行水密处理，在整个结构的外层形成密封层。

在符合本领域公知常识的基础上，上述各优选条件可任意组合，既得本实用新型实施例。

本实用新型的有益效果是：

（1）本实用新型的多面体球形换能器，包括金属垫片、压电陶瓷片、金属框架、电缆头配件和密封层，一个金属垫片与两个压电陶瓷片形成三叠片，多个三叠片与金属框架固定连接形成一个闭合的类球形，电缆头配件连接在金属框架上，所述密封层包裹在整个装置的最外层。此种换能器的优点在于压电陶瓷片的制作比压电陶瓷球的制造工艺简单，利用压电陶瓷片与金属垫片形成三叠片，同时具有三叠片的优良性能，且成本低，能够实现换能器全空间辐射特性。

（2）本实用新型所述金属垫片为正五边形，金属框架为正十二面体金属框架，金属垫片的厚度为5mm，金属垫片的内切圆直径为120mm，压电陶瓷片的内直径为15mm、外直径为60mm、厚度为5mm。此种换能器共采用24片压电陶瓷，整体换能器直径为292mm，重约19kg，经过实际测试，此种数据参数下的换能器，水中的谐振频率约为4100Hz，最大发射电压响应约为136.9dB。

(3)本实用新型所述金属框架与三叠片通过螺钉固定连接,可以使三叠片在空气背衬的条件下以固定边界的方式进行工作，本实用新型的三叠片还可以是自由边界，通过柔性材料与金属框架去耦固定。

（4）本实用新型电缆头的配件中有两个金属垫圈和两个橡胶垫圈，金属垫圈与橡胶垫圈以夹层的方式叠加套设在电缆头上，起到固定和密封双重作用。

附图说明：

图1是本实用新型实施例1中的多面体球形换能器整体结构示意图；

图2是本实用新型中的电缆配件结构示意图；

图3是本实用新型实施例1中实测的发射电压响应曲线；

其中，1-金属垫片，2-压电陶瓷片，3-金属框架，4-密封层，5-金属垫圈，6-橡胶垫圈，7-固定螺帽，8-电缆头，9-电缆，10-电缆配件，图3中的横坐标为频率、单位为Hz，纵坐标为发射电压响应、单位为dB。

具体实施方式：

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型的技术方案做进一步详述。

实施例1

一种多面体球形换能器，包括金属垫片、压电陶瓷片、金属框架、电缆头配件和密封层，所述金属垫片为正五边形，金属垫片的材质为金属铝，金属垫片的厚度为5mm，金属垫片的内切圆直径为120mm，且其上下表面分别固定有一个压电陶瓷片，压电陶瓷片采用PZT-4材料，压电陶瓷片为圆环形，压电陶瓷片的内直径为15mm、外直径为60mm、厚度为5mm，压电陶瓷片与金属垫片通过环氧树脂粘接，一个金属垫片与两个压电陶瓷片形成三叠片，此种换能器共采用24片压电陶瓷，每个三叠片的边缘均匀分布10个M10的螺孔，金属框架上也有对应少为10个M10的螺孔，12个三叠片与金属框架通过螺钉固定连接形成一个闭合的类球形多面体，电缆头配件包括电缆头、固定螺帽、两个金属垫圈和两个橡胶垫圈，金属垫圈与橡胶垫圈以夹层的方式叠加套设在电缆头上，电缆头与固定螺帽螺纹连接，电缆头固定在金属框架上，密封层为聚氨酯，采用整体灌注的方式对整个结构进行水密处理，在整个结构的外层形成聚氨酯密封层。整体换能器直径为292mm，重约19kg，经过实际测试，此种数据参数下的换能器，水中的谐振频率约为4100Hz，最大发射电压响应约为136.9dB。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种多面体球形换能器，其特征在于，包括金属垫片、压电陶瓷片、金属框架、电缆头配件和密封层，所述金属垫片为多边形，且其上下表面分别固定有一个压电陶瓷片，一个金属垫片与两个压电陶瓷片形成三叠片，多个三叠片与金属框架固定连接形成一个闭合的类球形，电缆头配件连接在金属框架上，所述密封层包裹在整个装置的最外层。

2.根据权利要求1所述的一种多面体球形换能器，其特征在于，所述金属垫片为正五边形，金属框架为正十二面体金属框架，压电陶瓷片的形状为圆环状。

3.根据权利要求2所述的一种多面体球形换能器，其特征在于，所述压电陶瓷片与金属垫片通过环氧树脂粘接。

4.根据权利要求2所述的一种多面体球形换能器，其特征在于，所述金属框架与三叠片通过螺钉固定连接。

5.根据权利要求2所述的一种多面体球形换能器，其特征在于，所述金属框架与三叠片通过柔性材料去耦固定。

6.根据权利要求2所述的一种多面体球形换能器，其特征在于，所述金属垫片和金属框架的材料为金属铝，压电陶瓷片采用PZT-4材料。

7.根据权利要求6所述的一种多面体球形换能器，其特征在于金属垫片的厚度为5mm，金属垫片的内切圆直径为120mm，压电陶瓷片的内直径为15mm、外直径为60mm、厚度为5mm。

8.根据权利要求7所述的一种多面体球形换能器，其特征在于，所述密封层为聚氨酯。

9.根据权利要求1所述的一种多面体球形换能器，其特征在于，所述电缆头配件包括电缆头、金属垫圈和固定螺帽，金属垫圈套设在电缆头上，电缆头与固定螺帽螺纹连接，电缆头固定在金属框架上。