专利名称：采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于声学传感器领域，具体地说，本实用新型涉及一种由两级弯曲梁组成的复合梁超低频水声换能器。
背景技术：
随着现代声纳技术的发展和声纳技术应用领域的不断扩大，声纳的低端工作频率已经延伸到几百赫兹，在某些新的领域中甚至采用几十赫兹的工作频率。所以，进行超低频水声换能器的研制已凸显必要性。
实现水声换能器的超低频辐射有多种方法。日本曾经研制出用于海洋层析探测的稀土低频大功率圆环换能器，谐振频率是30Hz，其外形结构的最大尺寸是2m，空气中重量为5吨。
另外一种谐振频率为200Hz的multiport换能器，长度尺寸为2.46m，最大直径为0.73m。
动圈式换能器(Moving-Coil Transducers)也是实现低频辐射比较好的声源，其结构主要由磁路和连接振动线圈的刚性活塞两部分组成，通常采用压缩气体作为压力释放机构解决耐静水压问题。它是低频、宽带、低功率的换能器类型，其低功率的原因在于磁感应系数和电线长度与负载电流的乘积之间的相互限制。动圈式换能器的另一个缺点是，其性能受到工作深度的影响较大。
早在20世纪60年代，美国人图利斯(Toulis)提出了弯曲伸张式换能器(简称弯张换能器)的概念，如文献1History of the flextensional electroacoustictransducer，Kenneth D.Rolt，J.A.S.A，87(3)，19901340p-1349p。弯张换能器的结构形式复杂多样，现在研制成功的实例已不下百余种，归纳起来，公认的弯张换能器有7种类型。弯张换能器是获得低频大功率和宽带声信号的小巧的声源，从工作原理上讲，弯张换能器是有源元件和机械结构的耦合振动系统，它一般是利用有源元件的伸张振动(在长度方向或径向)，通过绞链机构使机械机构(壳体)做弯曲振动。它借助杠杆原理，可使有源元件沿伸张方向的小的位移在壳体外表面得到不同程度的放大，从而达到提高体积速度的目的。弯张换能器的壳体通常是曲面的反转体、曲线的回旋体或封闭曲线的平移体。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种采用两级复合弯曲梁构成换能器壳体，使有限尺寸的结构具有更低的谐振频率的，采用了两级振幅放大的设计原理，使驱动元件的激励位移通过两级弯曲梁的两次振幅放大，转换成辐射面更大的体积位移，具有更大的辐射能力的超低频水声换能器。
为达到上述发明目的，本实用新型提供的采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器，包括弯张壳体、驱动元件、质量轭和过渡块；其特征在于，所述质量轭为T形质量轭；所述弯张壳体为复合梁弯张壳体，该壳体由一级弯曲梁4、二级弯曲梁11、第一突起1和第二突起12，和在所述一级弯曲梁4的内壁上设置第一突起1和第二突起12，T形质量轭9设置在2个突起之间，并与一级弯曲梁4连接组成，近似于“弓”形截面的平移体，由两段弯曲梁(分为一级弯曲梁和二级弯曲梁)组成“弓”形闭合曲面，且结构上下两部分对称，平移体的两端面均不封闭；所述驱动元件、第一过渡块2和第二过渡块10组成换能器的内腔装配单元，该装配单元长度方向的尺寸要大于突起与T形质量轭9之间的距离；在每一装配单元的驱动元件(稀土超磁致伸缩材料8或压电陶瓷堆7)两外面分别设置第一过渡块2和第二过渡块10，至少一个驱动元件及其左右两侧的过渡块安装在一级弯曲梁和T形质量轭之间。
上述技术方案中，所述驱动元件包括2个以上，对称排列安装在一级弯曲梁和T形质量轭之间；所述驱动元件采用多片压电陶瓷片黏结而成的压电陶瓷堆，陶瓷片在电路形式上采用并联连接。所述驱动元件包括一中心带有通孔的线圈轴，线圈轴上缠绕有线圈5，线圈轴内插入一根稀土超磁致伸缩圆棒6并在其两端面各放置一圆片状的稀土永磁8。
上述技术方案中，所述一级弯曲梁4和二级弯曲梁11可以采用相同或不同的壁厚以调整谐振频率。
上述技术方案中，所述质量轭的厚度要大于复合梁弯张壳体的厚度。
上述技术方案中，所述第一过渡块呈凹圆弧的方块状，第二过渡块呈长方块状。
上述技术方案中，所述第一突起1与第一过渡块2相接触的面呈凸圆弧状，第一过渡块2的表面呈凹圆弧状。
上述技术方案中，所述一级弯曲梁4、二级弯曲梁11、质量轭和过渡块采用不锈钢、钢、钛合金、铝或玻璃纤维制作。
本实用新型的优点在于本实用新型的采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器，是利用弯曲谐振频率比较低的特点，设计了一种全新的换能器结构形式。该种新结构中采用了两级复合弯曲梁构成换能器壳体，使有限尺寸的结构具有更低的谐振频率；结构中还采用了两级振幅放大的设计原理，使驱动元件的激励位移通过两级弯曲梁的两次振幅放大，转换成辐射面更大的体积位移，提高了换能器的辐射能力。所以，本实用新型换能器的结构形式更有利于实现超低频、大功率辐射。
图1是本实用新型用稀土超磁致伸缩材料做驱动元件的超低频水声换能器结构示意图图2是本实用新型用压电陶瓷堆做驱动元件的超低频水声换能器结构示意图图面说明1-第一突起 2-第一过渡块 4-一级弯曲梁5-线圈 6-稀土圆棒7-压电陶瓷堆8-稀土永磁 9-质量轭 10-第二过渡块11-二级弯曲梁 12-第二突起具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。
实施例1参考图1，制作一本实用新型的采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器，该水声换能器的外壳由一级弯曲梁4、二级弯曲梁11、T形质量轭9和第一突起1组成，均采用不锈钢材料加工制作。一级弯曲梁4和二级弯曲梁11组成复合弯曲梁，其截面形状近似于“弓”形，复合梁弯张壳体是“弓”形截面的平移体，平移体的两端面均不封闭。本实施例的T形质量轭的厚度为40mm，在本实施例中一级弯曲梁4和二级弯曲梁11采用相同的壁厚，其壁厚为15mm。
第一突起1与一级弯曲梁4连接，该第一突起1的表面是凸圆弧形状，这样的表面处理可以使其在装配过程及换能器工作时，与凹圆弧第一过渡块2的表面有较好的机械耦合并可以自动调节驱动元件的水平平衡，改善驱动元件的受力状况。一级弯曲梁4与第一突起1连接之处，作为复合梁弯张壳体弯曲振动的激励点，激励力由驱动元件提供。
本实施例的质量轭9为T形质量轭，它与一级弯曲梁4连接，它的作用是作为驱动元件的尾质量，为了保证复合梁弯张壳体的激励点处具有较大的激励力，T形质量轭9要具有足够的刚度，不易产生弯曲变形，其厚度要大于壳体壁厚。
驱动元件、凹圆弧第一过渡块2和第二过渡块10组成换能器的内腔装配单元。
装配单元长度方向的尺寸要大于第一突起1与T形质量轭9之间的距离，本实施例的内腔装配单元长度方向的尺寸比第一突起1与T形质量轭9之间的距离大0.5mm。本实施例的驱动元件由一中心带有通孔的线圈轴，线圈轴上缠绕有线圈5，线圈轴内插入一根超磁致伸缩稀土圆棒6，例如稀土Terfenol-D圆棒，并在稀土圆棒6两端面各贴放一圆片状的稀土永磁8。在换能器装配时，通过扩张第一突起1与T形质量轭9之间的距离，使之大于装配单元的长度尺寸，将装配单元置于其中并释放扩张力，可以使装配单元固定于第一突起1与T形质量轭9之间，并对驱动元件施加预应力。本实施例的换能器共装配有四组对称排列的驱动单元。
换能器工作时，线圈5通电后产生交变磁场，稀土圆棒6在交变磁场和稀土永磁8提供的静态偏置磁场作用下，产生磁致伸缩振动。由于T形质量轭9与一级弯曲梁4相比具有足够的刚度，稀土圆棒6产生的振动位移通过稀土永磁8、凹圆弧第一过渡块2和第一突起1激励一级弯曲梁4和二级弯曲梁11作弯曲振动。由于梁的弯曲振动具有振幅放大效应，一级弯曲梁4激励点处的振动位移首先在上顶点(两段弯曲梁相交处)得到放大，同时由于二级弯曲梁11的放大作用，其中心腹点处的位移得到了两级放大。所以本实用新型换能器的两级弯曲梁可以使稀土圆棒6所产生的较小的振动位移，经过两次振幅的放大，转换成辐射面更大的体积位移，提高了换能器的辐射能力。因此，此种结构的换能器的特点是，在有限的尺寸下具有更低的谐振频率、更大的辐射能力。
本实施例中的一级弯曲梁4、二级弯曲梁11、凹圆弧第一过渡块2、第二过渡块10除了采用不锈钢制作外，还可以使用钢、钛合金、铝或玻璃纤维制作。
实施例2如图2所示，本实施例采用压电陶瓷堆7作为驱动元件，该压电陶瓷堆7采用长方形压电陶瓷片黏接而成，陶瓷片在电路形式上采用并联连接。压电陶瓷堆7的预应力施加方式与实施例1相同。
本实施例的其它部分与实施例1完全相同。
权利要求1.一种采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器，包括弯张壳体、驱动元件、质量轭和过渡块；其特征在于，所述质量轭为T形质量轭；所述弯张壳体为复合梁弯张壳体，该壳体由一级弯曲梁(4)、二级弯曲梁(11)、第一突起(1)和第二突起(12)，其中所述一级弯曲梁(4)的内壁上设置第一突起(1)和第二突起(12)，T形质量轭(9)设置在2个突起之间，并与一级弯曲梁(4)连接组成，并且一级弯曲梁和二级弯曲梁组成“弓”形闭合曲面，呈“弓”形截面平移体，且结构上下两部分对称，平移体的两端面均不封闭；所述过渡块包括第一过渡块(2)和第二过渡块(10)；所述驱动元件、第一过渡块(2)和第二过渡块(10)组成换能器的内腔装配单元，该装配单元长度方向的尺寸要大于突起与T形质量轭(9)之间的距离；在每一装配单元的驱动元件两外面分别设置第一过渡块(2)和第二过渡块(10)，至少一个驱动元件及其左右两侧的过渡块安装在一级弯曲梁和T形质量轭之间。
2.按权利要求1所述采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器，其特征在于，所述驱动元件包括2个以上，对称排列安装在一级弯曲梁和T形质量轭之间。
3.按权利要求1或2所述采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器，其特征在于，所述驱动元件为一中心带有通孔的线圈轴，线圈轴上缠绕有线圈(5)，线圈轴内插入一根稀土圆棒(6)并在其两端面各放置一圆片状的稀土永磁(8)。
4.按权利要求1或2所述采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器，其特征在于，所述驱动元件为采用多片压电陶瓷片黏结而成的压电陶瓷堆，陶瓷片在电路形式上采用并联连接。
5.按权利要求1所述采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器，其特征在于，所述一级弯曲梁(4)和二级弯曲梁(11)的壁厚相同或不同。
6.按权利要求1所述采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器，其特征在于，所述第一过渡块呈凹圆弧的方块状，第二过渡块呈长方块状。
7.按权利要求1所述采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器，其特征在于，所述第一突起(1)与第一过渡块(2)相接触的面呈凸圆弧状，其第一过渡块(2)与第一突起(1)相接触的表面呈凹圆弧状。
8.按权利要求1所述采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器，其特征在于，所述T形质量轭的厚度大于复合梁弯张壳体的厚度。
9.按权利要求1所述采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器，其特征在于，所述一级弯曲梁(4)、二级弯曲梁(11)、质量轭和过渡块采用不锈钢、钢、钛合金、铝或玻璃纤维制作。
专利摘要本实用新型涉及采用弯曲梁结构的壳体制作的超低频水声换能器，它包括由一级弯曲梁、二级弯曲梁、第一突起和第二突起，和在一级弯曲梁的内壁上设置第一突起和第二突起，T形质量轭设置在2个突起之间，并与一级弯曲梁连接组成复合梁弯张壳体，由一级弯曲梁和二级弯曲梁组成“弓”形闭合曲面，且结构上下两部分对称，平移体的两端面均不封闭；所述驱动元件、第一过渡块和第二过渡块组成换能器的内腔装配单元，装配单元长度方向的尺寸要大于突起与T形质量轭之间的距离；在驱动元件两外面分别设置第一过渡块和第二过渡块，驱动元件及其左右两侧的过渡块安装在一级弯曲梁和T形质量轭之间。该换能器的结构形式更有利于实现超低频、大功率辐射。
文档编号G10K9/12GK2906818SQ20062000814
公开日2007年5月30日 申请日期2006年3月17日 优先权日2006年3月17日
发明者刘永平, 莫喜平 申请人:中国科学院声学研究所