CN210159911U - 一种小型化低频水声换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型化低频水声换能器，包括卧式磁致伸缩驱动器、声辐射面板、驱动转换机构；卧式磁致伸缩驱动器包括壳体、沿左右方向设于壳体中的线圈、定子、可沿轴向形变伸缩的穿设于定子中的Terfenol‑D磁致伸缩棒、分别连接在Terfenol‑D磁致伸缩棒两端的预紧力机构和作动力驱动杆；线圈用于在通过交流电流激励信号时为Terfenol‑D磁致伸缩棒提供外部激励磁场，以驱动Terfenol‑D磁致伸缩棒沿轴向产生正向或反向的形变伸缩；驱动转换机构用于放大作动力驱动杆的轴向位移，并将其转换为声辐射面板沿竖直方向的位移。本实用新型一种小型化低频水声换能器，采用卧式结构，能够尽可能地在较小的厚度空间范围内，增大磁致伸缩棒的长度，从而降低磁致伸缩驱动器有效工作频率。

Description

一种小型化低频水声换能器

技术领域

本实用新型涉及一种小型化低频水声换能器。

背景技术

随着不同类型的水下声发射换能器70多年来的发展，水声发射信号的频率覆盖了从10Hz到100MHz的范围。目前，10KHz以下的低频大功率水声发射换能器是一个研究热点，这种换能器可用于海底掩埋目标探测，导航，水下目标探测。为满足不同的作业工况，这种发射换能器应该具有轻薄便于携带，输出功率较大等特点，并且能很容易地覆盖安装在弯曲外表面上。

目前的水下发射换能器中，工作在在1KHz～100KHz频带范围内的换能器主要是Tonpilz型换能器和1-3型压电复合材料换能器。Tonpilz型换能器是一种典型的纵振式复合棒压电换能器，其特点是具有高功率容量的单面辐射，辐射面较小，振动模式单一；工作频率一般在10KHz～50KHz，厚度一般有几十厘米厚，且重达数公斤。1-3型压电复合材料换能器采用注塑成型工艺将压电陶瓷棒埋在聚合物中制造而成，可做成曲面形状，并且声阻抗与水相匹配，设计频率低于100kHz时厚度约为10mm，但其性能受陶瓷和聚合物的弹性系数、材料的宽高比、压电陶瓷的体积分割、压电陶瓷棒的排列方式等因素影响，并且该换能器的工艺复杂，价格昂贵。

在水声换能器设计过程中，低频大功率工作与小型化设计是一对对立存在的难题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种小型化低频水声换能器，厚度较薄，并且在减小换能器厚度的同时，最大限度的增加辐射面面积，增强换能器水声辐射效率。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种小型化低频水声换能器，包括卧式磁致伸缩驱动器、设于所述卧式磁致伸缩驱动器上方的声辐射面板、连接在所述声辐射面板与所述卧式磁致伸缩驱动器之间的驱动转换机构；

所述卧式磁致伸缩驱动器包括壳体、沿左右方向设于所述壳体中的线圈、固定的穿设于所述线圈中的定子、可沿轴向形变伸缩的穿设于所述定子中的Terfenol-D磁致伸缩棒、连接在所述Terfenol-D磁致伸缩棒一端的预紧力机构、一端连接在所述Terfenol-D磁致伸缩棒另一端的作动力驱动杆；

所述线圈，用于在通过交流电流激励信号时为所述Terfenol-D磁致伸缩棒提供外部激励磁场，以驱动所述Terfenol-D磁致伸缩棒沿轴向产生正向或反向的形变伸缩；

所述驱动转换机构，用于放大所述作动力驱动杆的轴向位移，并将其转换为所述声辐射面板沿竖直方向的位移。

优选地，所述预紧力机构包括固定端、活动端、多瓣沿圆周方向环绕的设于所述固定环和所述活动端之间的弹性瓣，每瓣所述弹性瓣的两端均分别与所述固定端和所述活动端连接，所述活动端与所述Terfenol-D磁致伸缩棒的一端连接，所述固定端穿出所述线圈并固定连接在所述壳体上。

更优选地，多瓣所述弹性瓣的环绕中心线与所述Terfenol-D磁致伸缩棒同轴延伸。

更优选地，多瓣所述弹性瓣的环绕半径沿靠近所述Terfenol-D磁致伸缩棒的方向逐渐减小。

优选地，所述驱动转换机构包括下端铰接在所述壳体上的第一杆、一端连接在所述第一杆上端的第二杆，所述声辐射面板连接在所述第二杆的另一端上，所述作动力驱动杆的另一端通过第一支点连接在所述第一杆上，所述第一杆沿竖直方向延伸，所述第二杆沿水平方向延伸。

更优选地，所述Terfenol-D磁致伸缩棒平行于所述第二杆，所述第一支点至所述第一杆下端的距离为L1，所述第一支点至所述第一杆上端的距离为L2，所述第二杆的长度为L3，其中，L3/L1＞1。

更优选地，所述第二杆的另一端通过第二支点与所述声辐射面板连接，所述第二支点位于所述声辐射面板的中心位置。

优选地，所述声辐射面板为碳纤维板、铝合金板或薄钢板。

优选地，所述预紧力机构由铜材料、钢材料或PVC塑料制成。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型一种小型化低频水声换能器，基于Terfenol-D磁致伸缩材料进行卧式换能器设计，从而实现小型化低频水声换能器的设计；为了尽可能地减少材料厚度，磁致伸缩驱动器采用卧式结构，并通过驱动转换机构将磁致伸缩棒的横向位移转化成声辐射面板的纵向位移，在减小换能器厚度的同时，最大限度地增加辐射面面积，增强换能器水声辐射效率；由于磁致伸缩驱动器的工作频率与磁致伸缩棒的几何尺寸有关，在相同的输出功率条件下，工作频率越低，所需要的磁致伸缩棒的直径与长度值越大，采用卧式结构，能够尽可能地在较小的厚度空间范围内，增大磁致伸缩棒的长度，从而降低磁致伸缩驱动器有效工作频率。

附图说明

附图1为本实用新型装置的结构示意图；

附图2为卧式磁致伸缩驱动器的结构示意图；

附图3为三个换能器的频响曲线图。

其中：1、卧式磁致伸缩驱动器；11、壳体；12、线圈；13、定子；14、Terfenol-D磁致伸缩棒；15、预紧力机构；151、固定端；152、弹性瓣；16、作动力驱动杆；2、声辐射面板；3、驱动转换机构；31、第一杆；32、第二杆；33、第一支点；34、第二支点；35、铰链。

具体实施方式

下面结合附图来对本实用新型的技术方案作进一步的阐述。

参见图1-2所示，上述一种小型化低频水声换能器，包括卧式磁致伸缩驱动器1、设于卧式磁致伸缩驱动器1上方的声辐射面板2、连接在声辐射面板2与卧式磁致伸缩驱动器1之间的驱动转换机构3。根据实际需要，声辐射面板2可以为碳纤维板、铝合金板或薄钢板等。

上述卧式磁致伸缩驱动器1包括壳体11、沿左右方向设于壳体11中的线圈12、固定的穿设于线圈12中的定子13、可沿轴向形变伸缩的穿设于定子13中的Terfenol-D磁致伸缩棒14、连接在Terfenol-D磁致伸缩棒14一端的预紧力机构15、一端连接在Terfenol-D磁致伸缩棒14另一端的作动力驱动杆16。在本实施例中，线圈12的轴心线沿水平方向延伸。由于Terfenol-D材料具有的很高磁致伸缩系数，用它做成的换能器具有载荷大、形变大、响应快和低频特性好等特点，本实用新型采用Terfenol-D材料设计一种新型小型化低频水声换能器，适用于不同工况下的水声探测作业。根据需要，预紧力机构15由铜材料、钢材料或PVC塑料等制成。线圈12、Terfenol-D磁致伸缩棒14、作动力驱动杆16均同轴延伸。

上述线圈12用于在通过交流电流激励信号时为Terfenol-D磁致伸缩棒14提供外部激励磁场，以驱动Terfenol-D磁致伸缩棒14沿轴向产生正向或反向的形变伸缩。通过这个设置，外部激励磁场由通过交流电流激励信号的线圈12提供，不同的交流电流激励信号产品不同的激励磁场，Terfenol-D磁致伸缩棒14产生相应的正向或反向的伸缩变形，以驱动的作动力驱动杆16做轴线往复运动，形成交变激励力。

上述驱动转换机构3用于放大作动力驱动杆16的轴向位移，并将其转换为声辐射面板2沿竖直方向的位移。

在本实施例中，驱动转换机构3包括下端（参见图1所示，图1中的下即为这里的下）铰接在壳体11上的第一杆31、右端（参见图1所示，图1中的右即为这里的右）连接在第一杆31上端的第二杆32，声辐射面板2连接在第二杆32的左端。作动力驱动杆的右端通过第一支点33连接在第一杆31中部，第一杆31沿竖直方向延伸，第二杆32沿水平方向延伸。第一杆31的下端通过铰链35铰接在壳体11上。

上述Terfenol-D磁致伸缩棒14平行于第二杆32，即沿水平方向延伸。第一支点33至第一杆31下端的距离为L1，第一支点33至第一杆31上端的距离为L2，第二杆32的长度为L3，其中，L3/L1＞1。通过这个设置，不仅将磁致伸缩棒的横向位移转化成声辐射面板2的纵向位移，同时也放大了该位移。由于第一杆31的转动幅度很小，因此位移放大的比例系数n≈L3/L1。第二杆32的左端通过第二支点34与声辐射面板2连接，第二支点34位于声辐射面板2的中心位置。通过该驱动转换机构3，将Terfenol-D磁致伸缩棒14沿轴向的往复伸缩形变转换成声辐射面板2沿上下方向的往复运动，用以辐射声波。

上述预紧力机构15包括位于左侧的固定端151、位于右侧的活动端、多瓣沿圆周方向环绕的设于固定环和活动端之间的弹性瓣152，每瓣弹性瓣152的两端均分别与固定端151和活动端连接，活动端与Terfenol-D磁致伸缩棒14的左端连接，固定端151穿出线圈12并固定连接在壳体11左侧。在本实施例中，多瓣弹性瓣152的环绕中心线与Terfenol-D磁致伸缩棒14同轴延伸；多瓣弹性瓣152的环绕半径沿靠近Terfenol-D磁致伸缩棒14的方向逐渐减小；多瓣弹性瓣152环绕组成圆锥体。

传统的磁致伸缩激励器的预压应力机构由一般由预紧螺母与弹簧组成，在磁致伸缩棒沿着应变方向施加轴向预应力，弹簧在长期使用过程中，会因为应力疲劳而出现预紧应力变化的情况，同时还由于弹簧的安装不能保证弹簧的轴线与磁致伸缩棒的轴线完全重合，从而出现受力不均的情况。当磁致伸缩棒存在受力不均时，即使预紧螺栓施加同样的作用力，同一批次生产的换能器依然会出现作动性能的差异，无法保证工艺一致性。针对这种情况，本实用新型装置通过设置多瓣圆锥体弹性结构作为预紧力挤压管，圆锥体管被均匀地切割为6-8部分作为弹性瓣152。当预紧力挤压管不受力时，弹性瓣152自然收拢成圆锥体状，当预紧力挤压管受到预紧力时，弹性瓣152自然向外张开，与定子13内避免贴合。该结构可以保证预紧力挤压管的轴线与磁致伸缩棒的轴线重合，同轴度得到保证，当预紧力相同的情况下，换能器的作动性能也相同。

使用预紧力挤压管给磁致伸缩棒施加预紧力后，可以使磁致伸缩棒内部磁畴在零磁场时尽可能沿垂直于轴向应力方向布列，在外部激励磁场作用下，磁致伸缩棒获得较大的轴向变形，从而得到较大的位移输出，调节磁致伸缩棒的预压力，可改变激励器的输出特性。

实施例1：

Terfenol-D磁致伸缩棒14直径φ为10mm，长度为8mm；驱动转换结构中，L1=12mm，L2=20mm，L3=30mm；声辐射面板2使用厚度为2mm、直径为150mm的薄钢板。使用有限元方法对该水声换能器数值建模后求解100Hz-4000Hz频率范围内，前4阶的谐振频率分别为300Hz、675Hz、1370Hz、2695Hz。使用PSV-400激光测振仪测量了200Hz-4000Hz频率范围内超磁致伸缩复合智能材料的谐振频率，得到前4阶的谐振频率分别为295Hz、676Hz、1346Hz、2663Hz。测量结果与仿真结果基本一致，趋势相同。

使用与实施例1相同工艺条件制作三个换能器，分别测量换能器表面加速度，测量换能器频率响应结果。从图3可以看出，采用相同工艺制作的换能器具有相同的谐振工作频率，换能器的厚度仅为不到4cm，主共振频带为1200Hz-1500Hz，满足换能器低频工作应用频带要求。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并加以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种小型化低频水声换能器，其特征在于：包括卧式磁致伸缩驱动器、设于所述卧式磁致伸缩驱动器上方的声辐射面板、连接在所述声辐射面板与所述卧式磁致伸缩驱动器之间的驱动转换机构；

所述卧式磁致伸缩驱动器包括壳体、沿左右方向设于所述壳体中的线圈、固定的穿设于所述线圈中的定子、可沿轴向形变伸缩的穿设于所述定子中的Terfenol-D磁致伸缩棒、连接在所述Terfenol-D磁致伸缩棒一端的预紧力机构、一端连接在所述Terfenol-D磁致伸缩棒另一端的作动力驱动杆；

所述线圈，用于在通过交流电流激励信号时为所述Terfenol-D磁致伸缩棒提供外部激励磁场，以驱动所述Terfenol-D磁致伸缩棒沿轴向产生正向或反向的形变伸缩；

所述驱动转换机构，用于放大所述作动力驱动杆的轴向位移，并将其转换为所述声辐射面板沿竖直方向的位移。

2.根据权利要求1所述的一种小型化低频水声换能器，其特征在于：所述预紧力机构包括固定端、活动端、多瓣沿圆周方向环绕的设于所述固定端和所述活动端之间的弹性瓣，每瓣所述弹性瓣的两端均分别与所述固定端和所述活动端连接，所述活动端与所述Terfenol-D磁致伸缩棒的一端连接，所述固定端穿出所述线圈并固定连接在所述壳体上。

3.根据权利要求2所述的一种小型化低频水声换能器，其特征在于：多瓣所述弹性瓣的环绕中心线与所述Terfenol-D磁致伸缩棒同轴延伸。

4.根据权利要求2所述的一种小型化低频水声换能器，其特征在于：多瓣所述弹性瓣的环绕半径沿靠近所述Terfenol-D磁致伸缩棒的方向逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的一种小型化低频水声换能器，其特征在于：所述驱动转换机构包括下端铰接在所述壳体上的第一杆、一端连接在所述第一杆上端的第二杆，所述声辐射面板连接在所述第二杆的另一端上，所述作动力驱动杆的另一端通过第一支点连接在所述第一杆上，所述第一杆沿竖直方向延伸，所述第二杆沿水平方向延伸。

6.根据权利要求5所述的一种小型化低频水声换能器，其特征在于：所述Terfenol-D磁致伸缩棒平行于所述第二杆，所述第一支点至所述第一杆下端的距离为L1，所述第一支点至所述第一杆上端的距离为L2，所述第二杆的长度为L3，其中，L3/L1＞1。

7.根据权利要求5所述的一种小型化低频水声换能器，其特征在于：所述第二杆的另一端通过第二支点与所述声辐射面板连接，所述第二支点位于所述声辐射面板的中心位置。

8.根据权利要求1所述的一种小型化低频水声换能器，其特征在于：所述声辐射面板为碳纤维板、铝合金板或薄钢板。

9.根据权利要求1所述的一种小型化低频水声换能器，其特征在于：所述预紧力机构由铜材料、钢材料或PVC塑料制成。

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