CN85200255U

CN85200255U - 15khz-25khz水声标准发射换能器

Info

Publication number: CN85200255U
Application number: CN 85200255
Authority: CN
Inventors: 华明龙
Original assignee: NANJING POLYTECHNICAL COLLEGE
Current assignee: NANJING POLYTECHNICAL COLLEGE
Priority date: 1985-04-01
Filing date: 1985-04-01
Publication date: 1986-01-01

Abstract

15KHZ-25KHZ水声标准发射换能器为15KHZ-25KHZ范围内发射声压级Se(1米处、1伏时)平坦、均匀的发射换能器，在上述频率范围内Se不均匀性＜3dB。水平方向性均匀，在最不利频率时方向性不均匀性＜3dB，垂直方向性图的主瓣-3dB处开角大，在上述频率范围内的最不利频率时，-3dB处方向性开角＞50°。换能器能够悬挂重锤5公斤，可工作在水深40米。换能器为短圆柱形。用PZT-4材料制成，可作互易法校准时的互易换能器。换能器可作为水声实验室标准发射声源。也可作为鱼雷及水下武器工厂和水下武器试验场的标准水下噪声源。

Description

本发明属于水声和水下噪声声学换能器。

一般的标准水声发射换能器的辐射声压频率响应曲线是向上升的倾斜线。例如丹麦B.K公司8100型8103型标准测量水听器的辐射声压频率响应曲线典型地说明了是一个单峰形曲线，曲线峰点的频率，即是谐振频率，其主要原因是一般水声换能器的设计都是工作在单一振动模式上，即设计压电元件时，将它的各种振动模式的谐振频率错开很远。

本发明的目的是制造一种适于水声实验室及水下噪声试验场应用的标准水声发射换能器。在常用的频率范围15KHZ－25KHZ内辐射声压频率响应曲线平坦均匀、水平方向性均匀、垂直方向性开角比较大的标准水声辐射声源。它的用途可以作为水声实验室互易校准时的互易换能器，作比较法校准其它被测水听器的发射声源，作鱼雷检验时的模拟噪声源，作海上水声测量时的标准水下声源等等。

本发明是利用PZT－4薄壁陶瓷短圆管来作成短圆柱形水声换能器。这样就可以满足方向性要求。压电陶瓷短圆管内壁和外壁为银层电极，径向极化。径向极化的压电陶瓷圆管在电场E₃的作用下，在径向均匀辐射声能的情况下，压电方程为：

S₁＝S^E ₁₁T₁＋S^E ₁₂T₂＋S^E ₁₃T₃＋d₃₁E₃

S₂＝S^E ₁₂T₁＋S^E ₁₁T₂＋S^E ₁₃T₃＋d₃₁E₃（1）

S₃＝S^E ₁₃T₁＋S^E ₁₃T₂＋S^E ₃₃T₃＋d₃₃E₃

其中：1－轴向，2－周向（切向），3－径向（壁厚）。

S₁，S₂，S₃－沿轴向，周向，壁厚（径向）的应变。

S^E－压电陶瓷材料的柔性系数，S^E ₁₁＝S^E ₂₂，

S^E ₁₃＝S^E ₂₃＝S^E ₃₁＝S^E ₃₂。

T₁，T₂，T₃－正应力。

d₃₁d₃₃－压电系数，d₃₁＝d₃₂。

E₃－沿壁厚方向的电场强度。

在电声转换线性变化的情况下（换能器的工作情况一般都必须满足线性的条件），（1）式可以分解为三个部分：

其中

（2）式、（3）式、（4）式相加就等于（1）式，这符合线性压电效应的原理。

（2）式中的d₃₁E₃代表轴向压电应变，它所引起的振动，即为轴向振动模式，轴向振动模式的谐振频率即为圆管的纵向谐振频率f₁

f₁＝ (C)/(2l) （6）

C－压电陶瓷圆管材料中的声速，

（7）

l－压电陶瓷圆管的长度。ρ－压电陶瓷的密度。

（3）式中的d₃₂E₃（＝d₃₁E₃）为周向（切向）压电应变，它是在电场E₃作用下沿圆管的周向引起压电形变，引起周向的伸长或缩短，从而反映到圆管的径向也产生伸长或缩短，即引起径向振动，这种振动模式称为周向振动模式（习惯上称为径向振动模式），这种振动模式就是惯常的圆管形换能器所工作的模式。在周向振动模式情况下压电圆管的谐振频率为f_R

f_R＝ (C)/(2πR_C) （8）

其中R_C为圆管的平均半径。

（4）式中的d₃₃E₃为壁厚方向的压电应变，它引起压电圆管壁厚方向的厚度振动（径向振动）模式。它的谐振频率在本换能器情况下远高于f₁和f_R，出现壁厚振动模式的振动频率范围远高于轴向振动和周向振动模式的频率范围，所以这里不讨论壁厚振动模式。为了符合本条件，所以选用的压电陶瓷圆管为薄壁短圆管。

如图1所示，本发明在频率范围为15KHZ－25KHZ内辐射声压频响曲线为平坦均匀的。在上述频率范围内辐射声压是利用压电圆管两种振动模式振动的叠加，以此来获得平坦的辐射声压频响曲线。

本发明在常用的频率范围15KHZ－25KHZ内辐射声压频率响应曲线平坦均匀、水平方向性均匀，垂直方向性开角比较大，可以作为水声实验室互易校准时的互易换能器和比较法校准其它被测水听器的发射声源，鱼雷检验时的模拟噪声源以及海上水声测量时的标准水下声源等。

附图说明：

图1是本发明的辐射声压频率响应曲线。

图中：1是周向振动模式｜ (P)/(PR) ｜理论值，2是轴向振动模式｜ (P¹)/(P_R) ｜理论值，3是周向和轴向振动模式线性叠加曲线，4是换能器辐射声压频响实测值（＋）。

图2是本发明的结构图。

图3是离换能器声中心1米远处，外加电压1伏时辐射声压级S_e频率响应曲线。

图4是20KHZ时水平方向性图。

图5是25KHZ时水平方向性图。

图6是25KHZ时垂直方向性图。

本发明的实施例是这样的：薄壁压电陶瓷短圆管的尺寸选择为：外直径90mm，内直径86mm，管长l＝45mm，壁厚t＝2.0mm。

压电圆管的边界条件为：圆管外表面为均匀对称的水介质，外表面辐射声能，圆管的内表面为空气。圆管的两端面为声屏蔽，不接触水。

压电陶瓷圆管材料为PZT－4，周向谐振频率f_R＝11.39KHZ。轴向谐振频率f₁＝36.70KHZ。

压电陶瓷园管周向振动模式辐射声压频响曲线、轴向振动模式辐射声压频响曲线及两种振动模式的线性叠加如图1中曲线1、2、3所示（理论值）。装配好的换能器辐射声压频响曲线的实测值如图1中曲线4。实测结果在（15－25）KHZ范围内声压频响曲线比理论值要平坦些。主要原因是理论值线性叠加时未考虑两种振动模式的相位差。

换能器的结构图如图2。它由以下几个主要部件组成：PZT压电陶瓷圆管〔1〕，软木橡胶垫圈〔2〕，上盖螺杆〔3〕，底座〔4〕，压电圆管外表面硫化聚氨脂透声橡胶或氯丁橡胶〔5〕（2mm厚）。锁紧螺母〔6〕，水密接头〔7〕，压紧电缆半圆环〔8〕，定位螺母〔9〕，压紧螺母〔10〕，硫化氯丁橡胶〔11〕，电缆〔12〕，固定螺母〔13〕，〔14〕，O形密封圈〔15〕，

压电圆管装于上盖〔3〕及底座〔4〕之间，将压电圆管内外表面焊上两根电线，穿过底座〔4〕中小孔焊接于水密接头的阴性接插座上（由固定螺母〔13〕固定），然后在换能器（圆管）表面硫化一层厚为2mm的聚氨脂橡胶层，聚氯脂橡胶应为透声的及不渗水的。也可以氯丁透声橡胶。换能器工作完毕后，可旋松螺母〔6〕，拔出水密接头〔7〕，而使换能器头与电缆部分脱开，换能器头可以放置木箱中。水密接头〔7〕与电缆〔12〕之间硫化氯丁橡胶〔11〕。

水密接头中有2个“O”形密封圈，可保证工作深度40米不漏水。

换能器在水下工作时，为保持铅垂位置，可悬挂重锤5公斤，挂于螺杆〔3〕的头部小孔内。

在悬挂重锤情况下，定位螺母〔9〕可系结尼龙绳索等吊挂换能器，以防电缆断裂。

测试结果：

（1）离换能器声中心1米远处，外加电压1伏时辐射声压级S_e频率响应如下：

f(KHZ)	10.0	12.5	16.0	20.0	25.0	26.0
							Se(dB/米·伏)	131.4	129.8	130.5	132.1	131.7	132.1

0dB参考级为1微帕（1μρa）

辐射声压级频响曲线见图3。

（2）水平方向性测试结果

f(KHZ)	在360°范围内方向性不均匀性（dB)
		12.5	＜0.60
16.0	＜0.30
		20.0	＜0.39
25.0	＜2.10

水平方向性随频率增高而变化，频率愈高，方向性不均匀性愈大，20KHZ时水平方向性图测试结果如图4。25KHZ时水平方向性图如图5。

（3）垂直方向性图测试结果

垂直方向性图最不利的情况是f＝25KHZ时的方向性图，如图6，垂直方向性图主瓣下降3lB处张角＞60°。频率愈低，方向性图主瓣－3dB处开角愈大。

Claims

1、一种标准水声发射换能器，由压电陶瓷管上下盖，透声橡胶水密接头组成，其特征在于压电陶瓷管为PZT-4薄壁压电短圆管。

2、按照权利要求1所述的标准水声发射换能器，其特征在于压电陶瓷圆管尺寸为外直径90mm，内直径86mm，管长45mm，采用PZT－4压电材料。