CN213213840U - 深水用低频开缝液壁耦合换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种深水用低频开缝液壁耦合换能器，主要包括辐射盖板，辐射盖板位于换能器的上下两端，辐射盖板通过端盖A、压电陶瓷振子、端盖B与中间质量块依次粘接，并且中间穿有预应力螺杆进行固定，薄壁圆柱套筒为换能器外壳，薄壁圆柱套筒通过连接杆及去耦材料与中间质量块去耦连接，且在薄壁圆柱套筒的外壁去耦连接四根吊装杆，薄壁圆柱套筒的中心一圈进行开缝。本实用新型兼具低频甚低频、小尺寸、轻重量、宽带、大功率、高效率等关键性能，使用更方便，成本更低，为海洋声学层析潜标与系统集成提供技术依据，实现在较大范围内对中尺度过程实施监测提供技术手段，服务于远程水声探测与通信、国家海洋资源开发和国家海洋安全维护。

Description

深水用低频开缝液壁耦合换能器

技术领域

本实用新型涉及声学换能器的领域，具体涉及一种深水用低频开缝液壁耦合换能器。

背景技术

地球被海洋覆盖的区域大多数属于4000米水深以上的深海，由于唯有声波可以在海水中实现远程传播，因而要对海洋进行实时、动态、大范围监测需要借助海洋声学层析技术。海洋声学层析是利用海洋声场所携带的海洋内部信息对广阔海域内部拍下“快照”，需要使用若干个水声发射换能器及接收换能器。由于海洋中声波传播的吸收损失随频率的降低而降低，且要实现对海洋的实时、动态、大范围监测，需要发射换能器低频宽带工作。考虑到换能器的适装性和效率要求，换能器的体积和重量要尽可能小、发送电压响应、每瓦源级尽可能高，易阻抗匹配，从而降低整套系统的功耗和尺寸重量。

海洋声学层析、远程水声通信等技术领域需要耐高静水压、低频甚低频、小尺寸、轻重量、宽带、大功率、高效率的发射换能器，但是发射换能器的各项性能指标在理论上很难兼顾。例如，提高换能器的体积位移才能使其大功率发射，而提高换能器的体积位移需要增加换能器的辐射面积，这就意味着需要增加换能器的尺寸和有源材料的体积，因此，目前海洋声学层析、远程水声通信等技术领域应用的低频大功率换能器尺寸大，重量大。另外，深海应用的换能器必须使用电池供电，但经常更换废旧电池所需人力、物力资源大，因此需要发射换能器的电声转换效率高。

Janus-Helmholtz换能器是法国学者Y.Le Gall提出的一种换能器，由Janus换能器与Helmholtz谐振腔组合形成的换能器，Janus换能器是一种前后双面辐射的纵振动换能器，Janus源于希腊神话，描述前后两个面孔或四方四个面孔。Helmholtz谐振腔是由德国物理学家亥姆霍兹发现的一种腔体共振效应。Janus-Hammer Bell换能器是法国IXSEA公司的Frederic Mosca发明的一种换能器。Hammer Bell表示人名。

目前解决上述矛盾的主流方法是设计出基于Helmholtz液腔谐振机理的间接激励振动型换能器：

一是采用纵振激励Helmholtz液腔谐振工作的换能器，例如专利CN104282299A及专利CN104810013A发明的换能器，结构均是在一个复合棒换能器上套一个圆柱形外壳，复合棒换能器与外壳之间刚性并封闭连接，专利CN104282299A发明的换能器腔体内还放置了顺性管，而专利CN104810013A发明的换能器复合棒后质量块上的通孔还安装了亥姆霍兹管。此类换能器耐高静水压，具有可观的功率重量比，可辐射较高声功率。由于此类换能器工作在Helmholtz液腔谐振的状态下，因此无法规避Helmholtz液腔谐振带宽窄的特性，因此这种换能器Q值较高，工作频带窄；另外，Helmholtz液腔的尺寸越大，谐振频率越低，因此要想此类换能器的工作频率更低，换能器设计的就更笨重，使用起来就更不方便。

二是JH型换能器，例如专利CN102169685A及专利CN110010113A发明的换能器，结构均是在一个Janus换能器的两端套上圆柱形腔体与Janus换能器围成Helmholtz谐振腔，腔体内部流体与外界联通，Janus换能器与腔体刚性连接，其中，专利CN110010113A发明的换能器还在Janus换能器的辐射盖板前端设置了弯曲金属圆盘。此类换能器采用纵振激励Helmholtz液腔谐振工作，利用Helmholtz液腔谐振与Janus换能器辐射盖板振动模态耦合形成宽带发射，具有较高功率容量，轴向方向可辐射较高声功率。专利CN110010113A发明的换能器通过在Janus换能器的辐射盖板前端设置弯曲金属圆盘，可使换能器声能更集中于径向方向。由于此类换能器工作在Helmholtz液腔谐振与Janus换能器辐射盖板振动模态耦合的状态下，虽然拓宽了带宽，但是应用于海洋声层析和远程水声通信技术领域还是具有局限性。首先，将此类换能器设计在工作频率更低的情况下，Helmholtz液腔的尺寸更大，其尺寸重量也更大；另外，JH型换能器中的Helmholtz液腔谐振与Janus换能器辐射盖板谐振产生的声场存在180°固有相位差，于是换能器电声转换效率不够高。

三是专利US2013/0315037发明的JHB换能器，该换能器结构上与JH型换能器有相似之处，JHB换能器是在一个Janus换能器的两端套上两个厚圆环外壳，且外壳与Janus换能器间距较远，该换能器并没有像JH型换能器形成Helmholtz液腔，规避了低频Helmholtz液腔尺寸大的问题，在结构上相对紧凑。由于结构上的不同，因此JHB换能器与JH型换能器的工作原理也有所区别，JHB换能器是利用两个圆环的径向振动与Janus换能器纵向振动模态耦合工作，圆环的径向振动是通过海水激发的，由于圆环与海水接触面积大，因此换能器的声转换效率高。该换能器是在一个Janus换能器的两端套上两个厚圆环外壳，虽然规避了低频Helmholtz液腔尺寸大的问题，尺寸相对紧凑，但是两个厚圆环外壳依旧重量大；另外，要将圆环的径向振动谐振频率设置在500Hz以下，圆环的尺寸重量也需要设计的更大，这样一来，中心频率低于500Hz的JHB换能器使用起来也不方便。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种深水用低频开缝液壁耦合换能器。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的：这种深水用低频开缝液壁耦合换能器，主要包括端盖A、连接杆、辐射盖板、预应力螺杆、中间质量块、薄壁圆柱套筒、吊装杆、去耦材料、压电陶瓷振子、端盖B，辐射盖板位于换能器的上下两端，辐射盖板通过端盖A、压电陶瓷振子、端盖B与中间质量块依次粘接，并且中间穿有预应力螺杆进行固定，薄壁圆柱套筒为换能器外壳，薄壁圆柱套筒通过连接杆及去耦材料与中间质量块去耦连接，且在薄壁圆柱套筒的外壁去耦连接四根吊装杆，薄壁圆柱套筒的中心一圈进行开缝，形成四个开缝条。

所述两个辐射盖板、两个压电陶瓷振子、两个端盖A、两个端盖B依次与中间质量块粘接形成Janus换能器。

所述预应力螺杆与辐射盖板拧紧后采用聚氨脂灌注和橡胶硫化相结合的密封方式进行密封。

所述压电陶瓷振子中穿入预应力螺杆施加预应力后成为一种大功率激励源。

所述薄壁圆柱套筒与换能器围成的腔体开口呈轴向方向。

所述压电陶瓷振子均由偶数片压电陶瓷圆环并联粘接形成，压电陶瓷振子上下两面与端盖A、端盖B粘接。

所述换能器的两个辐射盖板先使用聚氨酯灌注密封，再使用透声橡胶硫化密封。

所述中间质量块处开四个对称的螺纹孔固定四根连接杆。

所述辐射盖板采用耐海水腐蚀的海水铝材料制造，预应力螺杆采用45号钢材料制造，薄壁圆柱套筒、端盖A、端盖B、连接杆、吊装杆及中间质量块均为316L不锈钢材料。

本实用新型的有益效果为：本实用新型兼具低频甚低频、小尺寸、轻重量、宽带、大功率、高效率等关键性能，使用更方便，成本更低，为海洋声学层析潜标与系统集成提供技术依据，实现在较大范围内对中尺度过程实施监测提供技术手段，服务于远程水声探测与通信、国家海洋资源开发和国家海洋安全维护。

附图说明

图1为本实用新型的结构剖视图。

图2为本实用新型的结构示意图。

图3为本实用新型的电声性能的海试数据示意图。

附图标记说明：端盖A1、连接杆2、辐射盖板3、预应力螺杆4、中间质量块5、薄壁圆柱套筒6、吊装杆7、去耦材料8、压电陶瓷振子9、端盖B10、开缝条11。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做详细的介绍：

实施例：如附图所示，这种深水用低频开缝液壁耦合换能器，主要包括端盖A1、连接杆2、辐射盖板3、预应力螺杆4、中间质量块5、薄壁圆柱套筒6、吊装杆7、去耦材料8、压电陶瓷振子9、端盖B10，辐射盖板3位于换能器的上下两端，辐射盖板3通过端盖A1、压电陶瓷振子9、端盖B10与中间质量块5依次粘接形成Janus换能器，并且中间穿有预应力螺杆4进行固定，预应力螺杆4与辐射盖板3拧紧后采用聚氨脂灌注和橡胶硫化相结合的密封方式进行密封。压电陶瓷振子9中穿入预应力螺杆4施加预应力后成为一种大功率激励源。这种较为紧凑的激励结构使换能器具有可观的功率重量比，相比于其他同频率的换能器尺寸更小，耐静水压更高。薄壁圆柱套筒6为换能器外壳，薄壁圆柱套筒6通过连接杆2及去耦材料8与中间质量块5去耦连接，且在薄壁圆柱套筒6的外壁去耦连接四根吊装杆7，薄壁圆柱套筒6的中心一圈进行开缝，形成四个开缝条11。中间质量块5处开四个对称的螺纹孔固定四根连接杆2，连接杆2与薄壁圆柱套筒6通过去耦材料8连接，且用螺丝紧固。薄壁圆柱套筒6与换能器围成的腔体开口呈轴向方向。换能器的两个辐射盖板3先使用聚氨酯灌注密封，再使用透声橡胶硫化密封，以提高换能器的水密可靠性。辐射盖板3采用耐海水腐蚀的海水铝材料制造，预应力螺杆4采用45号钢材料制造，薄壁圆柱套筒6、端盖A1、端盖B10、连接杆1、吊装杆7及中间质量块5均为316L不锈钢材料。

压电陶瓷振子9均由偶数片压电陶瓷圆环并联粘接形成，压电陶瓷振子9上下两面与端盖A1、端盖B10粘接。压电陶瓷振子9与端盖相粘接的压电陶瓷圆环面是负极，另一面是正极，然后将两个压电陶瓷振子9中穿入预应力螺杆4，一端与中间质量块5粘接，另一端分别与两个辐射盖板3粘接，并用螺丝紧固。所用粘结剂均为导电环氧树脂。两个压电陶瓷振子9的正极通过导线连通，引出一根正极线；两个压电陶瓷振子9的负极通过导线连通，引出一根负极线。

本实用新型外形尺寸约为Φ800mm*750mm，重量在200kg左右。在Janus换能器的中心通过四根连接杆2与开缝薄壁圆柱套筒6去耦连接形成开口呈轴向方向、径向有四个条状缝隙的Helmholtz谐振腔。压电陶瓷振子9激励低频Helmholtz谐振腔谐振，并通过海水激发开缝薄壁圆柱套筒6径向振动。这种开缝结构易于低频Helmholtz谐振腔激发开缝薄壁圆柱套筒6径向振动，使两种振动模态耦合(液壁耦合)形成低频甚低频、宽带发射。另外，具有相同谐振频率的Helmholtz谐振腔，开口呈轴向方向的Helmholtz谐振腔尺寸更小。

在换能器的设计当中，换能器的质量越大，其谐振频率越低；换能器的刚度越小，其谐振频率越低。本实用新型通过在薄壁圆柱套筒6的中心一圈进行开缝，有效地降低了薄壁圆柱套筒6的刚度，进一步降低了整个换能器的谐振频率。因此采用重量轻的薄壁圆柱套筒6也可以使薄壁圆柱套筒6工作在低的径向谐振频率下。

本实用新型克服了传统的JH型换能器电声转换效率低的缺点，传统JH型换能器的Helmholtz液腔谐振与Janus换能器辐射盖板谐振产生的声场存在180°固有相位差，于是这两种模态耦合使换能器电声转换效率不够高。而本实用新型其辐射声场是由Helmholtz谐振腔谐振与薄壁圆柱套筒6径向谐振产生的声场叠加形成的。通过在薄壁圆柱套筒6的中心一圈进行开缝，改变了Helmholtz谐振腔谐振与薄壁圆柱套筒6径向谐振的相位差，改善了两种谐振产生的声辐射之间的耦合情况，提高了换能器的电声转换效率。

本实用新型已应用于国家重点研发计划项目“海洋声学层析成像理论、技术与应用示范”的下设课题“深海声层析系统”中。于2018年11月，中国船舶重工集团第七一五研究所参与由中国船舶重工集团第七六〇研究所组织的“重点声学类和近海海洋生态类海洋仪器设备规范化海上试验”2018年度共享航次(北调993试验船)，前往东海海域进行海试验证了本实用新型的深海性能。试验结果证明本实用新型在1000米深海工作时中心频率为460kHz，-3dB带宽为120Hz，换能器声源级每伏发送响应为139dB，发射性能优异，易阻抗匹配，对换能器加电1000伏时，声源级可达199dB。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本实用新型的技术方案及实用新型构思加以等同替换或改变都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种深水用低频开缝液壁耦合换能器，其特征在于：主要包括端盖A(1)、连接杆(2)、辐射盖板(3)、预应力螺杆(4)、中间质量块(5)、薄壁圆柱套筒(6)、吊装杆(7)、去耦材料(8)、压电陶瓷振子(9)和端盖B(10)，辐射盖板(3)位于换能器的上下两端，辐射盖板(3)通过端盖A(1)、压电陶瓷振子(9)、端盖B(10)与中间质量块(5)依次粘接，并且中间穿有预应力螺杆(4)进行固定，薄壁圆柱套筒(6)为换能器外壳，薄壁圆柱套筒(6)通过连接杆(2)及去耦材料(8)与中间质量块(5)去耦连接，且在薄壁圆柱套筒(6)的外壁去耦连接四根吊装杆(7)，薄壁圆柱套筒(6)的中心一圈进行开缝，形成四个开缝条(11)。

2.根据权利要求1所述的深水用低频开缝液壁耦合换能器，其特征在于：所述两个辐射盖板(3)、两个压电陶瓷振子(9)、两个端盖A(1)、两个端盖B(10)依次与中间质量块(5)粘接形成Janus换能器。

3.根据权利要求1所述的深水用低频开缝液壁耦合换能器，其特征在于：所述预应力螺杆(4)与辐射盖板(3)拧紧后采用聚氨脂灌注和橡胶硫化相结合的密封方式进行密封。

4.根据权利要求1所述的深水用低频开缝液壁耦合换能器，其特征在于：所述压电陶瓷振子(9)中穿入预应力螺杆(4)施加预应力后成为一种大功率激励源。

5.根据权利要求1所述的深水用低频开缝液壁耦合换能器，其特征在于：所述薄壁圆柱套筒(6)与换能器围成的腔体开口呈轴向方向。

6.根据权利要求1所述的深水用低频开缝液壁耦合换能器，其特征在于：所述压电陶瓷振子(9)均由偶数片压电陶瓷圆环并联粘接形成，压电陶瓷振子(9)上下两面与端盖A(1)、端盖B(10)粘接。

7.根据权利要求1所述的深水用低频开缝液壁耦合换能器，其特征在于：所述换能器的两个辐射盖板(3)先使用聚氨酯灌注密封，再使用透声橡胶硫化密封。

8.根据权利要求1所述的深水用低频开缝液壁耦合换能器，其特征在于：所述中间质量块(5)处开四个对称的螺纹孔固定四根连接杆(2)。

9.根据权利要求1所述的深水用低频开缝液壁耦合换能器，其特征在于：所述辐射盖板(3)采用耐海水腐蚀的海水铝材料制造，预应力螺杆(4)采用45号钢材料制造，薄壁圆柱套筒(6)、端盖A(1)、端盖B(10)、连接杆(2)、吊装杆(7)及中间质量块(5)均为316L不锈钢材料。

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