专利名称：碟型发射换能器的制作方法
技本领域本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及到一种碟型发射换能器。该换能器可以应用于低频主动声呐(LFAS)、远程水声通信、海底声层析成像以及海洋资源勘探开发等领域。
背景技术：
21世纪是海洋的世纪。声波是唯一能够在海洋中远距离传播的信息载体。在军事领域，声学方法是水下目标探测、定位、识别、导航、通信的主要手段；在民用领域，声学方法对于海上石油、天然气资源勘探以及海底地层成像，更是具有举足轻重的地位。
随着目标隐身技术的发展，传统的被动声呐正在失去优势地位，低频主动声纳(LFAS)日益成为隐身目标探测与识别的主要手段，而低频大功率发射换能器则是低频主动声纳的关键技术之一。发射换能器在主动声纳设备中负责将电磁振荡能转换成机械振动能，从而推动水介质进行振动，向水中辐射声能。为了提高对隐身潜艇的远程探测能力，必须大幅度降低换能器的工作频率，提高发射声功率。
在水声领域的各种应用中，单个发射换能器常常不能满足指向性、发射声功率以及信息处理等多方面的要求，往往必须由换能器阵元组成各种基阵完成各种任务。这些基阵通常以固定在艇上或者拖曳的方式工作，因此受到安装平台的严重限制，为了布阵和安装方便，必须大幅度减小低频大功率发射换能器阵元的体积和重量。
因此，低频、大功率、小尺寸、高效率的发射换能器是各种水声应用提出必然要求，是亟待解决的科学技术问题。
低频大功率换能器设计的主要困难是一、为了提高发射效率和发射功率，换能器必须工作在共振状态，而经典的纵振模式换能器尺寸通常与波长成正比，因此越低的工作频率，也就意味着越庞大的换能器尺寸，同时意味着巨大的重量和成本，以及制造和布设的难度；二、低频换能器的辐射功率与频率及辐射面积平方成正比，意味着频率降低或面积减小10倍，辐射功率将减小100倍，因此，如果在减小尺寸的同时，保持或增加低频时换能器的辐射功率，需要更大的体积速度，即更大的驱动功率来补偿，而这往往是不可实现的。
因此，降低工作频率与减小尺寸是一对矛盾，增大辐射功率与减小尺寸也是一对矛盾。而且，降低频率与增大辐射功率同样是一对矛盾。
目前解决以上问题的主要方法有一是结构上采用弯曲振动模式代替传统的涨缩振动模式，降低共振频率，相应的代表是I型、II型、III型、IV型、V型弯张换能器，其中以IV型、V型弯张换能器最为常用，环状换能器也曾经一度使用过，但效率较低；二是应用具有更大顺性和伸缩系数的材料代替传统的压电陶瓷材料，提高效率和振动位移，典型的代表是超磁致伸缩材料、弛豫铁电单晶材料与压电复合材料。
参考图1，IV型弯张换能器的壳体12为一凸卵圆、扁平卵圆或椭圆管，也可做成凹形(凹形也称VI I型弯张)。压电陶瓷晶片堆11沿椭圆管的长轴紧密安装于壳体内部，当激励它作伸缩振动时，驱动椭圆管作弯曲振动。短轴方向的位移被放大，通常为长轴方向的二至四倍。椭圆管在两端被密封形成腔体。这类换能器通过螺杆或装配时预先使椭圆管变形，给晶片堆施加预应力(压力)，以满足在最大深度满功率工作时偏置应力的需要。IV型弯张换能器的缺点是辐射面上有节线，部分辐射声能被抵消，单根压电陶瓷堆(或稀土棒)驱动，空间利用率不高，功率容量有限；V型弯张换能器一般被称为蛤壳换能器(如图2所示)，应用一个陶瓷环作为驱动器，也称圆环-壳型弯张换能器，V型弯张换能器由两个对称的球壳22紧夹住一个压电陶瓷驱动圆环21组成，球壳也可做成凹面形的(凹形也称VI型弯张)。很大尺寸的驱动环可以由做成矩形的压电陶瓷条和金属锲形条拼镶而成。驱动环作径向振动时，推动球壳作弯曲振动。V型弯张换能器的缺点是大尺寸的驱动环不易加工，环状驱动器的空间利用率不高，功率容量有限，而且V型弯张换能器利用压电材料的d31参数，不如利用d33参数的发射电压响应高；月牙型(Moonie)弯张换能器(见图3)和钹式(Cymbal)换能器(见图4)是两种小型V型换能器。月牙型弯张换能器具有月牙型外壳32，利用单片压电驱动元件31的径向振动来激励壳体的弯张振动模式。与V型弯张换能器相比，它的体积和重量均很小，压电驱动单元是压电陶瓷片而不是压电陶瓷环，而且粘结的部位略有不同。Cymbal换能器是Moonie的改进型，具有钹式形状的金属壳42，壳的厚度比Moonie弯张换能器的厚度小得多，这样的设计减小了集中在换能器的粘接边缘的应力，大大提高了将压电陶瓷片41的径向振动耦合为金属壳的轴向振动位移的效率。Moonie与Cymbal换能器均由单片压电陶瓷或单晶材料驱动，功率容量较小，一般用作水听器。也有将多个钹式换能器组合起来，提高辐射功率，或者组合起来作驱动器，驱动一块金属板用作发射使用，但功率容量仍很低。
环状换能器(Ring transducer)(如图5所示)，由一些长度振子按照“星”形插入圆环内作为驱动器，以外部的圆环作为辐射面。每个长度振子由多片压电陶瓷51和尾质量52组成。有两个主要的谐振频率可以应用，一是圆环自身的谐振频率(圆环的呼吸模态)稍低的谐振频率，二是每个长度振子的谐振频率(类似Tonpilz换能器的纵振动模态)稍高的谐振频率。环状换能器的缺点是工作频率无法做到很低，圆环面辐射效率也很低，而且辐射面与驱动器平面垂直，没有很好地利用空间，体积较大。
发明内容
本发明克服了纵振模式换能器(包括环状换能器)的低频尺寸大、效率低以及V型弯张换能器的功率容量不够大、空间利用率不高、制作工艺难度较大的缺点，提出一种碟型发射换能器，该碟型发射换能器具有结构紧凑、尺寸小、频率低、功率容量超大、发射效率以及发送电压响应高的特点，且制作工艺较简单。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的一种碟型发射换能器，包括一个星形组合驱动器和两个碟形外壳，星形组合驱动器是由中心支撑块、环形连接件和不少于三个的驱动臂组成，每个驱动臂设有电极引线，驱动臂的一端与中心支撑块连接，驱动臂的另一端与环形连接件连接，两个外壳正扣或反扣分别固定在星形组合驱动器的环形连接件上，形成中凹或中凸的圆碟外形。通过驱动臂的纵向振动推动环形连接件做径向振动，从而激励两个外壳的弯张振动模态，向媒质辐射声波。
两个外壳可为平顶锥壳形或球冠形，外壳可用环氧树脂浇粘连接在环形连接件上，并由贯穿两个外壳外缘的多个螺栓相互固定。
驱动臂可由多片环形压电片叠压制成，并设有电极片引出电极引线；驱动臂也可由超磁致伸缩棒制成，超磁致伸缩棒周围由导线绕成线圈。
环形连接件可由与驱动臂数目相同的过渡块拼接而成，过渡块和驱动臂通过贯穿的螺栓固定在中心支撑块上，用于施加预应力。中心支撑块可以是等边多边形、圆形或环形。
过渡块的水平剖面可为喇叭形。
外壳固定在星形组合驱动器的环形连接件上，使星形组合驱动器内形成一封闭的空间，在该空间内可填充油性液体、顺性或阻尼材料，在两个外壳上可设有小孔或毛细管，用于提供压力平衡，或扩展带宽。
在环形连接件的外侧，位于两个外壳之间可设有密封圈。
本发明的技术效果本发明的关键是由星形组合驱动器产生的纵向振动提供环形连接件的径向振动，利用环形连接件与外壳之间的固定连接，激励外壳的弯曲振动，由外壳向媒质中辐射声波。本发明带来的技术效果主要有(1)本发明利用的是两个外壳的弯曲振动模态，由外壳向媒质辐射声波，从而在更小尺寸外壳上实现低频辐射，与复合棒换能器或和环状换能器相比，同体积的换能器具有更低的频率、更大的辐射面积和更高辐射效率，因而具有更高的发射响应；而且辐射面与驱动器平面平行，提高了空间利用率；(2)本发明的换能器采用外壳结构在一阶模态振动时辐射面没有节线，而且辐射面与驱动器位移放大比很大，相对于IV型弯张换能器，具有更高的辐射效率；(3)本发明的驱动器利用压电材料的d33系数工作，比起V型弯张换能器(或月牙型或钹式换能器)利用压电材料的d31系数而言，有更高的发射响应；(4)本发明采用的星形组合驱动器的驱动臂数目可以随尺寸调整，而且可以尽可能增加压电片的数量，增加驱动材料的总体积，与IV型弯张换能器采用单根驱动棒或V型弯张换能器采用驱动圆环相比，可以提供更大的功率容量，更充分利用空间，具有更紧凑的结构和更小的体积，并具有更高的效率和发射电压响应；(5)本发明采用贯穿螺栓对驱动臂施加预应力，相对IV型或V型弯张换能器，更方便操作；而且本发明两个外壳采用螺栓相互固定，可以施加换能器厚度方向的预应力，从而更加适应深水工作，这是IV型或V型弯张换能器所不具备的；(6)本发明的外壳和星形组合驱动器构成一个内部完全封闭的碟状体，只需沿圆周灌注密封胶即可防水，相对IV型弯张换能器，防水和密封十分简单，性能更好；(7)本发明在换能器内部空腔部分灌注油性液体，并通过外壳上的微孔即可实现压力平衡，从而适应超大深水工作；(8)本发明在换能器内部填充顺性或阻尼材料，即可有效扩展换能器的工作带宽；(9)本发明的换能器相对于IV型或V型弯张换能器，在同频率、同功率要求下，具有更紧凑结构，更小尺寸，更轻重量，尤其适合于布阵需要；(10)本发明采用对称结构，部件可以标准化，因而制备工艺简单。
下面结合附图，对本发明做出详细描述。
图1为IV型弯张换能器结构示意图；图2为V型弯张换能器结构示意图；图3为月牙型(Moonie)弯张换能器结构示意图；图4为钹式(Cymbal)弯张换能器结构示意图；图5为环形换能器结构示意图；图6a为本发明中凸圆碟外形换能器的中心剖面示意图；
图6b为本发明中凹圆碟外形换能器的中心剖面示意图；图7为本发明换能器的一种8臂星形组合驱动器示意图；图8为本发明换能器整体外形俯视示意图。
具体实施例方式
参考图6、图7、图8，本发明实现一个具有圆碟外形的低频、小尺寸、高发射电压响应的大功率发射换能器。该换能器包括由中心支撑块1、N个(N≥3)纵振模式的驱动臂2以及环状连接件3组成星形组合驱动器和两个平顶锥壳形或球冠形外壳4，环形连接件3与两个外壳4用胶或用螺栓紧密固定连接，利用星形组合驱动器的环状连接件径向振动，驱动外壳，激励外壳的弯曲振动模态；以外壳为辐射面向介质中辐射声波。
实现本发明发射换能器的具体工艺过程为(1)以一定厚度的N(N≥3)边多边形金属或硬度很大的非金属材料制作成中心支撑块1；(2)由多片压电陶瓷环叠成陶瓷堆形成N个驱动臂2，在陶瓷堆中间插入电极片，从电极片上引出电极引线；(3)用金属或者其它高强度弹性材料制成N个喇叭型过渡块，拼接过渡块形成环形连接件3；(4)通过贯穿过渡块、压电陶瓷堆的高强度螺栓5，与支撑块相连，并施加预应力，在陶瓷堆两端，可加入一定厚度的金属片，提供保护；(5)由中心支撑块、N个驱动臂以及N个喇叭型过渡块组合一起，构成星形组合驱动器；(6)电极电缆线9由环状驱动器侧面引出；(7)将两个金属或高强度复合材料制成的平顶锥壳形或球冠形外壳4，用环氧树脂浇粘接在环形连接件3上，外壳的外缘用螺栓6紧密固定；两个外壳可以正扣在环形连接件3上，(如图6a所示)，两个外壳可以反扣在在环形连接件3上，(如图6b所示)。
(8)在环形连接件外侧灌密封胶形成密封圈7，将整个换能器封装起来。
(9)为了适应超大深水工作，实现压力平衡，或者扩展带宽，可以在在本发明换能器的外壳之间空腔内填充油性液体、顺性或阻尼材料等填充物8，并外壳上设置孔洞或毛细管。
综上所述，本发明公开了一种碟型发射换能器及其实现方法。上面描述的应用场景和实施例，并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
权利要求
1.一种碟型发射换能器，包括一个星形组合驱动器和两个碟形外壳，星形组合驱动器是由中心支撑块、环形连接件和不少于三个的驱动臂组成，每个驱动臂设有电极引线，驱动臂的一端与中心支撑块连接，驱动臂的另一端与环形连接件连接，两个外壳分别正扣或反扣固定在星形组合驱动器的环形连接件上，形成中凹或中凸的圆碟外形。
2.如权利要求1所述的碟型发射换能器，其特征在于驱动臂由多片环形压电片叠压制成，并设有电极片，从电极片上引出电极引线。
3.如权利要求1所述的碟型发射换能器，其特征在于驱动臂由超磁致伸缩棒制成，超磁致伸缩棒周围由导线缠绕成线圈，引出电极引线。
4.如权利要求1所述的碟形发射换能器，其特征在于两个外壳为平顶锥壳形或球冠形，外壳用胶分别粘接在环形连接件上，并由贯穿外壳外缘的多个螺栓相互固定。
5.如权利要求1所述的碟型发射换能器，其特征在于环形连接件由与驱动臂数目相同的过渡块拼接而成，过渡块和驱动臂通过贯穿的螺栓固定在中心支撑块上。
6.如权利要求5所述的碟型发射换能器，其特征在于过渡块的水平剖面为喇叭形。。
7.如权利要求1所述的碟型发射换能器，其特征在于外壳固定在星形组合驱动器的环形连接件上，使星形组合驱动器与外壳之间形成一封闭的空间，在该空间内填充油性液体、顺性或阻尼材料。
8.如权利要求1所述的碟型发射换能器，其特征在于外壳用螺栓固定在环形连接件上。
9.如权利要求4、5或7所述的碟型发射换能器，其特征在于在环形连接件的外侧，位于两个外壳之间设有密封圈。
10.如权利要求1或7所述的碟型形发射换能器，其特征在于在两个外壳上设有孔。
全文摘要
本发明提供了一种碟型发射换能器，属于水声换能器技术领域。该换能器包括一个由中心支撑块、多个纵振模式的驱动臂以及环状连接件组成的星形组合驱动器和两个碟形外壳。星形组合驱动器的环状连接件与两个外壳紧密固定连接。利用驱动臂纵振模式产生环状连接件的径向振动，驱动碟形外壳，激励外壳的弯曲振动模态，并以外壳为辐射面向介质中辐射声波。本发明换能器可以应用于低频主动声呐(LFAS)、远程水声通信、海底声层析成像以及海洋资源勘探开发等领域。
文档编号G10K9/128GK101093667SQ200610090118
公开日2007年12月26日 申请日期2006年6月23日 优先权日2006年6月23日
发明者李朝晖, 黄爱根, 栾桂冬, 张金铎 申请人:北京大学