一种嵌入式外部驱动IV型弯张换能器的制作方法

本发明涉及海洋探测、水声通信领域，具体涉及一种嵌入式外部驱动IV型弯张换能器。

背景技术：

弯张型换能器是实现低频声辐射的常用水声换能器，其工作原理是利用弯张壳体的位移放大效应，将驱动单元小振幅的纵向振动转化为壳体大振幅的弯曲振动，提高声辐射能力。根据其外壳结构可以分成七个主要类型(E.F.Rynne.Innovative approaches for generating high power,low frequency sound.Proceedings of the Third International Workshop,ORLANDO FLORIDA,1992:38-49)：I型、II型、III型、IV型、V型、VI型和VII型。IV型弯张换能器是最常见的类型之一。

IV型弯张换能器是一种应用广泛的弯张换能器，其壳体结构为一椭圆形管，常见的驱动方式是将驱动单元沿弯张壳长轴方向置于壳体内部，通过壳体变形为驱动单元施加预应力。这种驱动单元位于壳体内部的驱动方式具有结构紧凑的优势。水深对于溢流结构的IV型弯张换能器的性能影响很小，但是由于壳体内外面辐射的声压反相，辐射效率较低，采用空气背衬结构的换能器只有壳体外部辐射声能，因此发射响应会比较高。常用的实现空气背衬的方法是在壳体开口处用金属板夹持去耦橡胶垫密封(US patent No.5497357)，或者是用挡板预先封口后再用聚氨酯橡胶灌封(US patent NO.4764907)。空气背衬结构面临最大的问题是，随着水深增加，壳体受静水压力变大后长轴方向变长，施加在驱动单元上的预应力降低，声辐射能力随之下降，过大的水压甚至会破坏换能器使之不能工作，因此空气背衬型换能器工作水深较浅。此外，换能器的驱动单元与周围水体隔离，换能器长时间工作产生的热量散发较慢，温度升高也会影响换能器工作的稳定性。

专利“Outboard-driven flextensional transducer”(US Patent No.4894811)首先提出了外部驱动的工作方式，它的结构是IV型弯张壳体长轴两端各有一组压电陶瓷堆，换能器整体通过一组夹板夹持。外部驱动方式使空气背衬IV型弯张换能器的可工作水深有较大的提高，这是因为随着水深的增加，壳体变形对压电陶瓷堆施加的是压力，而压电陶瓷的耐压能力远大于其耐拉能力，并且不会出现预应力释放的问题。此外由于驱动单元与水体接触，散热也较快。针对两组压电陶瓷堆会影响换能器整体结构的不稳定性的问题，文献“单侧外部驱动弯张换能器”设计了一款单边外部驱动的Ⅳ型弯张换能器(刘永平，王智元，蓝宇等.单侧外部驱动弯张换能器.应用声学[J].2004,23(5):7-10.)。但是，无论是双边外部驱动还是单边外部驱动，这种结构的换能器都存在壳体长轴方向尺寸过大的缺陷，而且换能器的运输、吊放、安置均不方便。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有IV型弯张换能器存在的上述问题，提供了一种小尺寸、低频、可在较深水深处长时间工作的外部驱动大功率IV型弯张换能器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种嵌入式外部驱动IV型弯张换能器，所述弯张换能器包括：壳体1、压电驱动单元2、第一夹板3、第二夹板4、预应力螺杆5和螺母6；所述压电驱动单元2的右端伸入所述壳体1内，所述压电驱动单元2的左端与第一夹板3粘接；所述壳体1的右端与第二夹板4粘接；所述预应力螺杆5有若干根，分别穿过第一夹板3和第二夹板4，由若干个螺母6固定。

上述技术方案中，所述壳体1为一体化结构，包括两个壳体辐射面7、U型凹槽8和两个支撑杆9；所述两个壳体辐射面7分别为壳体1的上下表面，所述壳体辐射面7的形状为IV型弯张换能器壳体形状；所述壳体1的右表面是平板，与相接的所述第二夹板4牢固结合；所述U型凹槽8位于两个壳体辐射面7之间，所述压电驱动单元2伸入所述U型凹槽8内；所述壳体1的左端为所述U型凹槽8的槽口，其上有两个支撑杆9，用于抑制槽口上下振动。

上述技术方案中，所述壳体1的材料为硬铝、钢、钛合金。

上述技术方案中，所述U型凹槽8的厚度比所述壳体辐射面7的厚度大。

上述技术方案中，所述压电驱动单元2首先由偶数个极化压电陶瓷片10通过物理串联、电学并联堆叠粘接；然后在两端各粘接一个未极化陶瓷片11组成压电陶瓷堆，所述未极化陶瓷片11起绝缘的作用；再在压电陶瓷堆的两端粘接两个金属过渡块12，最后对所述压电驱动单元2整体做水密处理。

上述技术方案中，所述极化压电陶瓷片10为方片、圆片或圆环片。

可选地，所述弯张换能器设计为空气背衬结构；即通过对所述壳体1的高度方向的开口进行密封使两个壳体辐射面7之间为空气；密封方法为利用金属板和橡胶去耦密封垫夹紧或用聚氨酯橡胶灌封。

可选地，所述弯张换能器的壳体为双边开槽壳体13，即在其长轴方向的两端设置两个U型凹槽的槽口，两组压电驱动单元2分别置于两个U型凹槽内；每个U型凹槽的槽长度小于双边开槽壳体13的长轴大小的一半，两个夹板夹持两组压电驱动单元2。

本发明的优点在于：

1、本发明的弯张换能器的壳体具有振幅放大效应，工作频率低，同时驱动方式为外部驱动，可以提高耐静水压能力。

2、本发明的弯张换能器的压电驱动单元置于凹槽内部，弯张换能器沿壳体长轴方向的尺寸大大减小，适装性也大幅提高；压电驱动单元长度不受壳体长轴尺寸的限制，更容易提高其声辐射功率。

3、本发明的弯张换能器的压电驱动单元通过密封材料与水体直接接触，工作时产生的热量可以快速传导到水中，有利于弯张换能器长时间工作。

4、本发明的弯张换能器具有小尺寸、低频、大功率、可长时间工作的优点，在水声探测、水声通信等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的弯张换能器的结构示意图；

图2为本发明的弯张换能器的壳体部分的结构示意图；

图3为本发明的弯张换能器的压电驱动单元的结构示意图；

图4为本发明的双边开槽壳体的弯张换能器的结构示意图。

附图标识：

1、壳体 2、压电驱动单元 3、第一夹板

4、第二夹板 5、预应力螺杆 6、螺母

7、壳体辐射面 8、U型凹槽 9、支撑杆

10、极化压电陶瓷片 11、未极化陶瓷片 12、金属过渡块

13、双边开槽壳体

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种嵌入式外部驱动IV型弯张换能器，所述弯张换能器包括：壳体1、压电驱动单元2、第一夹板3、第二夹板4、预应力螺杆5和螺母6；所述压电驱动单元2的右端伸入所述壳体1内，所述压电驱动单元2的左端与第一夹板3粘接；所述壳体1的右端与第二夹板4粘接；所述预应力螺杆5有若干根，分别穿过第一夹板3和第二夹板4，由若干个螺母6固定。

在所述预应力螺杆5和螺母6的作用下，所述第一夹板3和第二夹板4将壳体1和电压驱动单元2紧密结合，根据所述弯张换能器工作水深的程度，通过调节所述螺母6的位置可调节施加的预应力大小。将所述第一夹板3和第二夹板4厚度加大，所述预应力螺杆5加粗，均可一定程度提高所述弯张换能器的声辐射能力。

如图2所示，所述壳体1为一体化结构，包括两个壳体辐射面7、U型凹槽8和两个支撑杆9；所述两个壳体辐射面7分别为壳体1的上下表面，所述壳体辐射面7的形状为IV型弯张换能器壳体形状；所述壳体1的右表面是平板，与相接的所述第二夹板4牢固结合；所述U型凹槽8位于两个壳体辐射面7之间，所述压电驱动单元2伸入所述U型凹槽8内；所述壳体1的左端为所述U型凹槽8的槽口，其上有两个支撑杆9，用于抑制槽口上下振动。

所述壳体1的材料为硬铝、钢、钛合金；所述U型凹槽8的厚度比所述壳体辐射面7的厚度大。

如图3所示，上述技术方案中，所述压电驱动单元2首先由偶数个极化压电陶瓷片10通过物理串联、电学并联堆叠粘接；然后在两端各粘接一个未极化陶瓷片11组成压电陶瓷堆，所述未极化陶瓷片11起绝缘的作用；再在压电陶瓷堆的两端粘接两个金属过渡块12，最后对所述压电驱动单元2整体做水密处理。所述极化压电陶瓷片10的数目可决定所述弯张换能器的功率。

所述极化压电陶瓷片10为方片、圆片或圆环片；在本实施例中，极化压电陶瓷片10为方片。

所述压电驱动单元2伸入U型凹槽8内，通过右端的金属过渡块10与U型凹槽8的底部粘接，所述压电驱动单元2的左端的金属过渡块10则与第一夹板3粘接。

在本实施例中，本发明的弯张换能器为溢流结构，即工作时弯张换能器的壳体1周围充满水。

可选地，所述弯张换能器设计为空气背衬结构，即通过对所述壳体1的高度方向的开口进行密封使两个壳体辐射面7之间为空气；密封方法为利用金属板和橡胶去耦密封垫夹紧或用聚氨酯橡胶灌封。空气背衬结构的弯张换能器具有更大的辐射声功率。

如图4所示，所述弯张换能器的壳体不限于单边开槽，可选地，所述弯张换能器的壳体为双边开槽壳体13，即在其长轴方向的两端设置两个U型凹槽的槽口，两组压电驱动单元2分别置于两个U型凹槽内；每个U型凹槽的槽长度都小于双边开槽壳体13的长轴大小的一半，两个夹板夹持两组压电驱动单元2。

本发明通过在弯张换能器的壳体1的长轴方向上设置U型凹槽8，将所述压电驱动单元2插入U型凹槽8内并用夹板夹紧，这种方式在很大程度上减小了外部驱动弯张换能器的尺寸。施加交流电压后，压电驱动单元2的纵向振动通过U型凹槽8转化为壳体辐射面7大振幅的弯曲振动。随着水深增加，壳体1沿长轴方向伸长只能使压电陶瓷堆内的压应力变大，不会产生预应力释放的问题，耐静水压能力大幅提高。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。