专利名称：一种超低频弯张式水声换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种声学传感器，具体地说是一种具有多重放大效应的超低频弯张式水声换能器。
背景技术：
超低频声波主要是指频率在IOOHz以下的声波，其在海洋研究、资源开发、军事等领域都具有十分重要的应用价值。因此，对于超低频水声换能器的研制显得尤为重要。能够实现水声换能器超低频声辐射的方法有多种，常见的有弯曲振动式换能器、亥姆霍兹谐振器、动圈式换能器、弯张换能器等。
弯曲振动换能器中具有代表性的是在太平洋声学测温计划中使用的HX-554型弯曲振动超低频水声换能器。该换能器主要运用十个弯曲条围成圆桶型，通过三叠片的弯曲振动实现换能器的超低频声发射。换能器直径0. 94m,空气中重2300kg，水中重700kg，谐振频率为75Hz，最大声功率420瓦，带宽37. 5Hz。采用亥姆霍兹谐振器结构的超低频换能器，比较典型的有1976年RalphS. Woollet等人研制的一系列单压电圆盘、双压电圆盘驱动的超低频换能器。通过压电弯曲圆盘的弯曲振动激励亥姆霍兹腔内流体向外辐射超低频声波。40Hz单压电圆盘亥姆霍兹超低频换能器的最大声源级为196dB (OdB=I ii Pa，Im处)，质量2800kg，最大工作深度460m。65Hz单压电圆盘亥姆霍兹超低频换能器的最大声源级为203dB，质量1900kg。动圈式换能器也是实现低频声辐射的较好声源，其驱动力由恒定磁场和位于恒定磁场中通过一定交变电流的线圈之间的相互作用而产生。比较有代表性的动圈式换能器是英国G. . W公司研制的UW600型动圈式超低频换能器。该换能器的工作频段为4Hz-lkHz，最大声源级188dB，重量1070kg，内部采用空气压缩系统进行压力补偿，工作深度可达200m。弯曲伸张换能器简称弯张换能器，是水声领域一种典型的低频、大功率、小尺寸换能器。弯张换能器的工作原理是利用有源材料的伸缩振动激励壳体做弯曲振动，耦合成弯曲伸张振动模式。做伸缩振动的振子通常是有源材料堆、棒或者片，壳体通常是曲面的反转体、曲线的回旋体或平移体。IV型弯张换能器是弯张换能器中应用较为广泛的一种。IV型弯张换能器其辐身寸壳体通常为一捕圆管(William J. Toulis Flexual-extensional ElectromechanicalTransducer U. S. PatentNo. 3，277，433 1966)，驱动元件沿椭圆管的长轴方向紧密安装于壳体内部，利用其纵向伸缩振动激励壳体作弯曲振动，耦合成弯曲伸张振动模式，其结构示意图如图I所示。VD型弯张换能器在IV型的基础上将椭圆柱壳变成凹壳，这种结构不但使得壳体表面的振动相位相同，还使得预应力随着深度的增加而增大。弯张换能器利用了杠杆原理，具有振幅放大效应，因此可以辐射出较大的声功率。弯张换能器的声辐射主要是利用壳体的一阶弯曲振动，因此在低频发射时具有尺寸小、重量轻的特点。工作频率越低，要求换能器的长轴越长，因此，工作在超低频段的弯张换能器同样会存在尺寸、重量大的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尺寸小、重量轻、频率低的超低频弯张式水声换能器。本发明的目的是这样实现的包括辐射壳体、驱动壳体、驱动元件和过渡块；所述辐射壳体以及驱动壳体采用截面为椭圆形的柱壳或凹壳；所述驱动元件的两侧设置有第一过渡块，驱动元件与第一过渡块组成振子装配体；所述振子装配体长度方向的尺寸大于驱动壳体两个长轴内壁间的距离，振子装配体置于驱动壳体内部并与驱动壳体长轴内壁刚性连接，构成驱动单元；两个第二过渡块刚性连接在驱动单元的短轴端，构成驱动单元装配体；所述驱动单元装配体的长度方向尺寸大于辐射壳体两个长轴内壁间的距离，驱动单元装配体置于辐射壳体内部并与辐射壳体长轴内壁刚性连接。本发明还可以包括 I、所述驱动元件是由偶数片压电陶瓷片粘接而成的压电陶瓷堆，压电陶瓷片在电路上采用并联连接。2、所述驱动元件是由稀土超磁致伸缩棒，所述稀土超磁致伸缩棒外面套有线圈骨架，线圈骨架上绕有线圈，在稀土超磁致伸缩棒两端各安放一片永磁片。3、所述驱动单元由至少两组驱动单元短轴方向串联构成。4、驱动壳体为凹形壳体和凸形壳体相间排列的结构。5、所述振子装配体置于驱动壳体内部并与驱动壳体长轴内壁刚性连接是预先使所述驱动壳体产生变形，利用增加驱动壳体两个长轴内壁间的距离所产生的压力使振子装配体固定于驱动壳体两个长轴内壁之间。6、所述驱动单元装配体置于辐射壳体内部并与辐射壳体长轴内壁刚性连接是预先使所述辐射壳体产生变形，利用增加辐射壳体两个长轴内壁间的距离所产生的压力使驱动单元装配体固定于辐射壳体两个长轴内壁之间。本发明的工作原理是本发明的超低频水声换能器是利用多级放大原理设计的一种超低频弯张式水声换能器，对所述驱动元件施加交流电载荷，使其产生纵向伸缩振动，进而激励驱动壳体产生弯曲振动,利用驱动壳体的杠杆效应在驱动壳体的短轴端产生放大的振动位移,进一步地利用驱动壳体短轴端的振动激励辐射壳体做弯曲振动，利用辐射壳体的杠杆效应将位移进一步放大，从而使换能器具有更大的辐射能力，并且利用多组驱动单元短轴方向串联的结构形式降低了换能器的整体刚度，进而降低了换能器的谐振频率。本发明的优点在于本发明的超低频弯张式水声换能器具有多重放大效应，利用内部驱动壳体和外部辐射壳体的杠杆效应对驱动元件的激励位移进行了多次放大，增加了换能器的声辐射能力；通过多组驱动单元短轴方向串联的结构形式，相对于传统弯张换能器增加了有源材料的体积，增加了换能器的功率容量，有利于实现换能器的大功率发射，这种驱动方式也降低了换能器的整体刚度，相对于同尺寸的传统弯张换能器进一步降低了换能器的谐振频率，因此本发明的超低频弯张式水声换能器具有尺寸小、频率低、功率大等优点。可应用于水声探测、测量以及海洋资源勘探等领域。
图I是IV型弯张换能器结构示意图；图2是本发明用压电陶瓷做驱动元件的超低频弯张式水声换能器的整体结构等轴测视图；图3是本发明用压电陶瓷做驱动元件的驱动单元结构示意图；图4是本发明用压电陶瓷做驱动元件的陶瓷片连线示意图；图5是本发明用稀土超磁致伸缩棒做驱动元件的驱动单元结 构示意图；图6是本发明的辐射壳体和驱动壳体采用凹壳形式的超低频弯张式水声换能器的整体结构等轴测视图；图7a-图7b是本发明的驱动壳体米用凹壳与凸壳相间排列的超低频弯张式水声换能器的驱动单元装配体的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。附图中个符号的含义为1_辐射壳体、2-驱动壳体、3-压电陶瓷驱动元件、4-第一过渡块、5-第二过渡块、6-永磁片、7-稀土超磁致伸缩棒、8-线圈、9-线圈骨架。实施例I参考图2、图3、图4，制作一本发明的超低频弯张式水声换能器，该水声换能器的辐射壳体I是截面为椭圆形的柱壳，采用铝合金材料加工制作。本实施例的超低频弯张式水声换能器的总长度约为320_。本实施例中采用三组驱动单元短轴方向串联的结构形式，驱动壳体2采用铝合金材料加工制作，壳体长轴长度约为170mm。本实施例的驱动元件采用长方形压电陶瓷片制作，压电陶瓷片尺寸为70mmX20mmX5mm。每24片压电陶瓷片为一组驱动元件，压电陶瓷堆采用并联连接，接线如图4所示。压电陶瓷片之间夹以金属薄片，以焊接引线，金属薄片的尺寸为70mmX20mmX0. 1mm,采用黄铜材料制作。用环氧树脂将压电陶瓷片与金属薄片相间逐一粘接构成驱动元件，本实施例的驱动元件共有三组。驱动元件和其两侧的两个第一过渡块4组成振子装配体，第一过渡块4采用铝合金制作。振子装配体长度方向的尺寸要大于驱动壳体2两个长轴内壁间的距离，本实施例的振子装配体长度方向的尺寸比驱动壳体2两个长轴内壁间的距离大0. 2mm。在装配驱动单元时，通过对驱动壳体2两个短轴端点施加压力，增大驱动壳体2两个长轴内壁间的距离使之大于振子装配体的纵向尺寸，将装配体置于驱动壳体2两个长轴内壁之间并释放压力，此时通过预应力将振子装配体固定在驱动壳体2两个长轴内壁之间，并与驱动壳体2刚性连接。本实施例中采用三组驱动单元短轴方向串联的结构形式，驱动壳体2的短轴端设计为平面，这样的处理可以使得驱动单元短轴方向串联时有较好的机械耦合。在三组驱动单元的两侧连接两个第二过渡块5，构成驱动单元装配体，第二过渡块5采用铝合金制作，驱动单元装配体的长度方向尺寸要大于辐射壳体I两个长轴内壁间的距离，本实施例的驱动单元装配体长度方向的尺寸比辐射壳体I两个长轴内壁间的距离大0. 6mm。在换能器整体装配时，通过对辐射壳体I两个短轴端点施加压力，增大辐射壳体I两个长轴内壁间的距离使之大于驱动单元装配体的纵向尺寸，将装配体置于辐射壳体I两个长轴内壁之间并释放压力，此时通过预应力将驱动单元装配体固定在辐射壳体I两个长轴内壁之间，并与辐射壳体I刚性连接。本实施例的超低频弯张式水声换能器采用盖板密封，盖板采用铝合金材料制作。换能器工作时，对压电陶瓷驱动元件施加交流电载荷，由于压电陶瓷具有压电效应，使得压电陶瓷堆产生纵向伸缩振动，通过与驱动壳体2的机械耦合，激励驱动壳体2产生弯曲振动,利用驱动壳体2的杠杆效应在驱动壳体2的短轴端产生放大的振动位移，利用三个驱动壳体2短轴端串联的结构形式将驱动元件的激励位移放大，进一步地利用驱动壳体2短轴端的振动激励辐射壳体I做弯曲振动,利用辐射壳体I的杠杆效应将位移进一步放大，转换成辐射壳体I表面更大的体积位移，从而使换能器具有更大的辐射能力。
本实施例中的辐射壳体I、驱动壳体2、第一过渡块4、第二过渡块5除了采用铝合金制作外，还可以采用不锈钢、钢、钛合金、玻璃纤维或碳纤维制作。本实施例中的超低频弯张式水声换能器除采用盖板密封外，还可以采用溢流式结构。实施例2如图5所示,本实施例的驱动元件采用稀土超磁致伸缩棒7,外面套有线圈骨架9,线圈骨架9上绕有线圈8，在稀土超磁致伸缩棒7两端各安放一片永磁片6。稀土超磁致伸缩棒7、永磁片6和第一过渡块4构成振子装配体。本实施例的换能器装配过程与实施例I相同。换能器工作时，稀土超磁致伸缩棒7在永磁片6提供的静态偏置磁场和线圈8通电后产生的动态驱动磁场的联合作用下产生磁致伸缩振动，通过驱动元件与驱动壳体2的机械耦合，激励驱动壳体2产生弯曲振动，进而利用驱动壳体2短轴端的振动激励辐射壳体I做弯曲振动，向外福射声能。本实施例的其余部分与实施例I相同。实施例3如图6所示，本实施例的辐射壳体I和驱动壳体2采用凹形壳体设计。在装配驱动单元时，通过对驱动壳体2两个凹壳顶点施加拉力，增大驱动壳体2两个长轴内壁间的距离使之大于振子装配体的纵向尺寸，将装配体置于驱动壳体2两个长轴内壁之间并释放压力，此时通过预应力将振子装配体固定在驱动壳体2两个长轴内壁之间，并与驱动壳体2刚性连接。在换能器整体装配时，通过对福射壳体I两个凹壳顶点施加拉力，增大福射壳体I两个长轴内壁间的距离使之大于驱动单元装配体的纵向尺寸，将装配体置于辐射壳体I两个长轴内壁之间并释放压力，此时通过预应力将驱动单元装配体固定在辐射壳体I两个长轴内壁之间，并与辐射壳体I刚性连接。本实施例的其它部分与实施例I完全相同。实施例4如图I所示，本实施例的驱动单元装配体中，驱动壳体2采用凹形壳体和凸形壳体相间排列的结构形式。这种排列形式使得驱动单元装配体的结构更加紧凑，有利于充分利用辐射壳体I内部的空间，减小换能器的尺寸。换能器工作时，对凸形驱动壳体和凹形驱动壳体中的压电陶瓷驱动元件3分别施加交流电载荷，满足其激励电信号的相位差为180度，以保证驱动壳体的同相振动。本实施例的其它部分与实施例I完全相同。
权利要求
1.一种超低频弯张式水声换能器，包括辐射壳体、驱动壳体、驱动元件和过渡块；所述辐射壳体以及驱动壳体采用截面为椭圆形的柱壳或凹壳；其特征是所述驱动元件的两侧设置有第一过渡块，驱动元件与第一过渡块组成振子装配体；所述振子装配体长度方向的尺寸大于驱动壳体两个长轴内壁间的距离，振子装配体置于驱动壳体内部并与驱动壳体长轴内壁刚性连接，构成驱动单元；两个第二过渡块刚性连接在驱动单元的短轴端，构成驱动单元装配体；所述驱动单元装配体的长度方向尺寸大于辐射壳体两个长轴内壁间的距离，驱动单元装配体置于辐射壳体内部并与辐射壳体长轴内壁刚性连接。
2.根据权利要求I所述的一种超低频弯张式水声换能器，其特征是所述驱动元件是由偶数片压电陶瓷片粘接而成的压电陶瓷堆，压电陶瓷片在电路上采用并联连接。
3.根据权利要求I所述的一种超低频弯张式水声换能器，其特征是所述驱动元件是由稀土超磁致伸缩棒，所述稀土超磁致伸缩棒外面套有线圈骨架，线圈骨架上绕有线圈，在稀土超磁致伸缩棒两端各安放一片永磁片。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种超低频弯张式水声换能器，其特征是所述驱动单元由至少两组驱动单元短轴方向串联构成。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种超低频弯张式水声换能器，其特征是所述振子装配体置于驱动壳体内部并与驱动壳体长轴内壁刚性连接是预先使所述驱动壳体产生变形，利用增加驱动壳体两个长轴内壁间的距离所产生的压力使振子装配体固定于驱动壳体两个长轴内壁之间。
6.根据权利要求4所述的一种超低频弯张式水声换能器，其特征是所述振子装配体置于驱动壳体内部并与驱动壳体长轴内壁刚性连接是预先使所述驱动壳体产生变形,利用增加驱动壳体两个长轴内壁间的距离所产生的压力使振子装配体固定于驱动壳体两个长轴内壁之间。
7.根据权利要求1、2或3所述的一种超低频弯张式水声换能器，其特征是所述驱动单元装配体置于辐射壳体内部并与辐射壳体长轴内壁刚性连接是预先使所述辐射壳体产生变形，利用增加辐射壳体两个长轴内壁间的距离所产生的压力使驱动单元装配体固定于辐射壳体两个长轴内壁之间。
8.根据权利要求4所述的一种超低频弯张式水声换能器，其特征是所述驱动单元装配体置于辐射壳体内部并与辐射壳体长轴内壁刚性连接是预先使所述辐射壳体产生变形，利用增加辐射壳体两个长轴内壁间的距离所产生的压力使驱动单元装配体固定于辐射壳体两个长轴内壁之间。
全文摘要
本发明提供的是一种超低频弯张式水声换能器。包括辐射壳体、驱动壳体、驱动元件和过渡块；所述辐射壳体以及驱动壳体采用截面为椭圆形的柱壳或凹壳；驱动元件的两侧设置有第一过渡块，组成振子装配体；振子装配体长度方向的尺寸大于驱动壳体两个长轴内壁间的距离，振子装配体置于驱动壳体内部并与驱动壳体长轴内壁刚性连接，构成驱动单元；两个第二过渡块刚性连接在驱动单元的短轴端，构成驱动单元装配体；驱动单元装配体的长度方向尺寸大于辐射壳体两个长轴内壁间的距离，驱动单元装配体置于辐射壳体内部并与辐射壳体长轴内壁刚性连接。本发明尺寸小、重量轻、频率低；可应用于水声探测、测量以及海洋资源勘探等领域。
文档编号G10K9/122GK102682756SQ20121015001
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月15日 优先权日2012年5月15日
发明者蓝宇, 陈思 申请人:哈尔滨工程大学