CN218587329U - 一种多谐振宽带复合棒换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多谐振宽带复合棒换能器,包括前质量块、前驱动晶堆、中间质量块、后质量块、后驱动晶堆、电极片、螺杆、前螺母和后螺母，中间质量块与螺杆一体成型而构成一体化螺杆，螺杆两端具有外螺纹，其余部分为光滑表面，中间质量块位于螺杆中间位置并突出于螺杆圆周面设置，螺杆前端依次套设有前驱动晶堆、电极片和前质量块，螺杆后端依次套设有后驱动晶堆、电极片和后质量块，并通过前端的前螺母依次将前质量块、电极片、前驱动晶堆和中间质量块夹紧。本实用新型可消除对应频率的发送电压响应曲线凹坑，拓宽换能器工作频带的作用。

Description

一种多谐振宽带复合棒换能器

技术领域：

本实用新型涉及水声换能器技术领域，具体涉及一种多谐振宽带复合棒换能器。

背景技术：

随着水声技术的发展和海洋军事的需求,水声换能器主要朝着宽带、低频、大功率、小尺寸方向发展。纵振换能器由于设计理论成熟,制作工艺简单、性能稳定、尺寸小、强功率、容易布阵等诸多优点，在各类水声设备中得以广泛应用。拓展纵振换能器的技术手段是利用换能器的两个或多个相邻的谐振模态，使换能器各个模态的振动位移在一定频率范围内相互叠加，从而消除换能器发送电压响应曲线的凹谷。目前常见的方法有设计辐射盖板形状使换能器的纵振模态和辐射盖板的弯曲模态耦合，利用匹配层产生新的谐振频率模态并改变纵振模态频率，将压电陶瓷堆分组分别激励以产生较近的两阶纵振模态等。通过单个或多个方法的采用，纵振换能器的带宽通常可达数个倍频程。

将压电陶瓷堆分组分别激励以产生较近的两阶纵振模态的宽带纵振换能器称为双激励换能器。其相较于普通的纵振换能器，主要区别为有一中间质量块将纵振换能器的压电晶堆分为前后两组压电晶堆。通过合理设计2个谐振峰来拓宽换能器的带宽，在低频时，前质量块、前压电晶堆和中间质量块共同构成等效前质量块，高频时，后质量块、后压电晶堆和中间质量块共同构成等效后质量块。在文献中，研究人员指出，在某些频率范围内，会出现螺杆基频与换能器的谐振峰反相叠加，造成换能器发送电压响应曲线出现很深的凹谷。

图1为常规双激励加匹配层纵振换能器，在某频率上，换能器的振动状态如图所示，图中的箭头代表该点的振速的方向与大小。此时换能器振动节点在换能器中后段，而螺杆则与换能器节点的前半部分振动反相，螺杆的振动削减了部分前质量块的振动，导致换能器在该频点的声辐射能力下降，整体工作频带缩窄。

实用新型内容：

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种多谐振宽带复合棒换能器，以克服上述螺杆基频与换能器谐振峰反相叠加导致的换能器带宽降低的问题，起到消除对应频率的发送电压响应曲线凹坑，拓宽换能器工作频带的作用。

本实用新型的技术解决方案是，提供一种多谐振宽带复合棒换能器,包括前质量块、前驱动晶堆、中间质量块、后质量块、后驱动晶堆、电极片、螺杆、前螺母和后螺母，中间质量块与螺杆一体成型而构成一体化螺杆，螺杆两端具有外螺纹，其余部分为光滑表面，中间质量块位于螺杆中间位置并突出于螺杆圆周面设置，螺杆前端依次套设有前驱动晶堆、电极片和前质量块，螺杆后端依次套设有后驱动晶堆、电极片和后质量块，并通过前端的前螺母依次将前质量块、电极片、前驱动晶堆和中间质量块夹紧，以及通过后端的后螺母依次将后质量块、电极片、后驱动晶堆和中间质量块夹紧。本实用新型将中间质量块与螺杆设计为一体结构，使螺杆与晶堆中部的振动状态相关联，改变了螺杆在振动过程中的受驱动方式，使螺杆单向振动的模态不会被激发出来，从而不会反相抵消换能器前质量块的纵向振动。最终起到消除发送电压响应曲线凹坑，拓宽换能器工作频带的作用。并且，一体化螺杆为整块金属加工而成。优选由质地较硬的材料加工而成，中间质量块外径大于等于驱动材料外径，一体化螺杆两端具有螺纹，用于装配时通过前螺母和后螺母夹紧驱动材料施加预应力。驱动材料指前驱动晶堆和后驱动晶堆中所有的压电材料圆片，通常，前驱动晶堆由4个压电材料圆片和电极片堆叠而成，后晶堆是6个压电材料圆片与电极片堆叠而成。电极片为现有技术内容，一般为铍青铜材质，主要用于联通驱动材料银电极与供电线。电极片与供电线按照特定顺序连接，确保所有驱动材料同相振动。

作为优选，还包括匹配层，匹配层粘接于前质量块前端面。

作为优选，匹配层为添加有硅微粉的环氧树脂灌注固化而成，按质量份数计，环氧树脂和硅微粉的比例为1:0.5-1:2.5。并且，匹配层直径与前质量块最大直径适配。

作为优选，前质量块为铝、镁合金构成，两直径不一致的圆形孔分别从前质量块的前后两个面向内部延伸并在前质量块内部相交，两个孔圆形孔均与前质量块2同轴，其中，直径较小的孔位于前质量块直径较小的面，直径大的孔位于前质量块直径较大的面。直径较小的孔直径需大于一体化螺杆10直径且又小于驱动材料中心孔直径，直径较大的孔需满足含一体化螺杆10螺杆与前螺母3的安装空间需求。

作为优选，前驱动晶堆和后驱动晶堆为压电陶瓷、压电单晶或磁致伸缩材料三种材料中的一种或两种构成。

作为优选，中间质量块的外径大于等于前驱动晶堆和后驱动晶堆的驱动材料圆片的外径。

进一步的，后质量块为不锈钢或钨合金等密度较大的金属材料构成，后质量块的外径大于等于前驱动晶堆和后驱动晶堆的驱动材料圆片的外径，且后质量块的中央通孔的直径大于螺杆的直径且小于前驱动晶堆和后驱动晶堆的驱动材料圆片的中央通孔直径。

采用以上方案后与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：本实用新型和传统双激励加匹配层的纵振换能器相比，能够降低换能器响应曲线的起伏，增大换能器工作带宽。与常规的中质量块开槽的方案相比，完全消除了因螺杆与换能器反相振动的模态与对应频率换能器响应曲线的凹坑，常规方案只能降低该频率处响应曲线下降幅度。

附图说明：

图1为传统双激励加匹配层纵振换能器振动模态图。

图2为本实用新型的多谐振宽带复合棒换能器结构剖面图。

图3为本实用新型的多谐振宽带复合棒换能器振动模态图。

图4为带中间质量块的螺杆结构示意图。

图5为前质量块结构示意图。

图6为换能器结构示意图。

图7为本实用新型换能器与传统换能器发送电压响应对比图。

具体实施方式：

下面结合附图就具体实施方式对本实用新型作进一步说明：

参照图2,6所示，本实用新型实施例的多谐振宽带复合棒换能器,包括匹配层1，前质量块2、前驱动晶堆4、中间质量块5、后质量块7、后驱动晶堆6、电极片9、螺杆10、前螺母3和后螺母8，中间质量5块与螺杆10一体成型而构成一体化螺杆，螺杆10两端具有外螺纹，其余部分为光滑表面，中间质量块5位于螺杆10中间位置并突出于螺杆圆周面设置，螺杆10前端依次套设有前驱动晶堆4、电极片9和前质量块2，螺杆10后端依次套设有后驱动晶堆6、电极片9和后质量块7，并通过前端的前螺母3依次将前质量块2、电极片9、前驱动晶堆4和中间质量块5夹紧，以及通过后端的后螺母8依次将后质量块7、电极片9、后驱动晶堆6和中间质量块5夹紧，匹配层1粘接于前质量块2前端面。其中，中间质量块5两端的螺杆长度根据对应驱动晶堆和质量块决定。前、后螺母通过螺杆向内夹紧，在前、后驱动晶堆上施加预应力。

本实用新型通过前、后驱动晶堆和匹配层1，使换能器具有三个靠近的振动模态，三个模态相互耦合使换能器具有宽带发射特性。

本实施例中，匹配层1由与硅微粉调配后的环氧树脂灌注而成，其直径与前质量块2的最大直径相同，起到引入一个新的谐振峰的作用，同时还能够密封前质量块2上的孔。按质量份数计，硅微粉和环氧树脂的比例为1:0.8。

具体的，本实例中，首先将前驱动晶堆4和电极片9套入螺杆10前端，与现有技术一致，相邻两片压电陶瓷极化方向相反排列；接着将前质量块前辐射头直径较小的面向内套入螺杆10前端，并通过前螺母3将前质量块2、前驱动晶堆3、螺杆10初步夹紧。然后将后驱动晶堆6、电极片9和后质量块7套入螺杆10后端，同样的，与现有技术一样同时确保后压电晶堆相邻两片压电陶瓷极化方向相反排列，通过后螺母8初步夹紧后驱动晶堆6、电极片9、后质量块7和螺杆10。之前的安装步骤中，为了更好效果，在将部件套入螺杆10之前，还需要将部件与其他部件接触的表面涂抹环氧树脂胶。接下来通过夹具调整各部件位置，保证已装配到螺杆上的部件与螺杆10的同轴性，并在前质量块2和后质量块7上施加一定的压力，拧紧前螺母2和后螺母8后方可卸掉施加的压力。最后通过模具在前质量块2的前方灌注形成匹配层1。

一体化的螺杆与中质量块，使得螺杆振动状态不仅与换能器前后质量块有关，还与中质量块有关，中质量块改变了螺杆的振动状态，消除了换能器工作频带内螺杆与换能器其他结构反相振动的模态，拓宽了换能器工作带宽。

如图7，本实用新型与现有的同激励方式的多谐振宽带复合棒换能器相比，具有较宽的工作频带，同时本实用新型的改进几乎不会对换能器工作频带内低频部分的声学性能有影响，对提高换能器工作带宽具有重要意义。

以上仅就本实用新型较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本实用新型说明书所做的等效结构或等效流程变换，均包括在本实用新型的专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多谐振宽带复合棒换能器,包括前质量块、前驱动晶堆、中间质量块、后质量块、后驱动晶堆、电极片、螺杆、前螺母和后螺母，其特征在于：中间质量块与螺杆一体成型，螺杆两端具有外螺纹，其余部分为光滑表面，中间质量块位于螺杆中间位置并突出于螺杆圆周面设置，螺杆前端依次套设有前驱动晶堆、电极片和前质量块，螺杆后端依次套设有后驱动晶堆、电极片和后质量块，并通过前端的前螺母依次将前质量块、电极片、前驱动晶堆和中间质量块夹紧，以及通过后端的后螺母依次将后质量块、电极片、后驱动晶堆和中间质量块夹紧。

2.根据权利要求1所述的多谐振宽带复合棒换能器，其特征在于：还包括匹配层，匹配层粘接于前质量块前端面。

3.根据权利要求1所述的多谐振宽带复合棒换能器，其特征在于：前质量块为铝、镁合金构成，两直径不一致的圆形孔分别从前质量块的前后两个面向内部延伸并在前质量块内部相交，两个孔圆形孔均与前质量块2同轴，其中，直径较小的孔位于前质量块直径较小的面，直径大的孔位于前质量块直径较大的面。

4.根据权利要求1所述的多谐振宽带复合棒换能器，其特征在于：前驱动晶堆和后驱动晶堆为压电陶瓷、压电单晶或磁致伸缩材料三种材料中的任一种构成。

5.根据权利要求2所述的多谐振宽带复合棒换能器，其特征在于：匹配层直径与前质量块最大直径适配。

6.根据权利要求1所述的多谐振宽带复合棒换能器，其特征在于：中间质量块的外径大于等于前驱动晶堆和后驱动晶堆的驱动材料圆片的外径。

7.根据权利要求1所述的多谐振宽带复合棒换能器，其特征在于：后质量块为不锈钢或钨合金构成，后质量块的外径大于等于前驱动晶堆和后驱动晶堆的驱动材料圆片的外径，且后质量块的中央通孔的直径大于螺杆的直径且小于前驱动晶堆和后驱动晶堆的驱动材料圆片的中央通孔直径。

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