共形驱动IV型弯张换能器的制作方法

本发明属于低频主动探测领域，具体涉及一种共形驱动iv型弯张换能器。

背景技术：

声波是人类迄今为止已知的唯一能在海水中远距离传输的能量载体。无论是军事作战，还是海洋开发，均都采用声波作为运载信息的媒介。水声换能器作为水下产生声音的通用设备，需根据时代需求进行相关应用技术改进。

近年来，国家发展海洋战略强国的愿望愈加强烈，海洋开发的愈加广泛，这就要求相应的水声设备及技术更加快速发展。21世纪是海洋时代，舰艇声纳装备越来越重要，已经成为海军舰艇上最为重要的水声作战系统，这些潜艇安装良好的消声设备，使传统的被动声纳探测难度越来越大、探测距离越来越近、安全防范能力几乎消失，这就要求使用主动声纳远距离探测安静型潜艇，根据声波在水中传播及消声瓦的特点，使用低频、大功率主动声纳，可以大大增加探测距离，增加我方潜艇的作战部署时间。作为低频主动声纳系统的最重要组成部分，低频发射换能器的设计也越来越受到国内外研究人员的重视，不过换能器尺寸过大、辐射阻抗相对较低、组阵时的互辐射影响以及深水限制等问题仍需要通过技术手段的不断进步来解决。同时随着近年来水下小目标平台及其吊放声纳的广泛应用，对于小尺寸的低频主动探测应用换能器的需求更加迫切，所以研究低频、小尺寸、大功率的换能器显得尤其重要。

目前，在所有低频大功率换能器类型中，弯张换能器利用的为壳体弯曲振动实现低频特性，所以相对其他形式换能器结构尺寸小、重量轻，而弯张换能器的壳体辐射面积占总表面积比例较大，又具有位移放大作用，使得具有较大声功率，因而成为一种常用的低频水声换能器。但随着近年来水声探测等应用领域的新需求，换能器的应用频率越来越低。通常来说，水声换能器的工作频率越低，尺寸重量就越大，相应的加工制作难度和成本也就越高。现阶段应用在100-500hz频段的换能器重量基本都在几百公斤以上，普遍存在体积大，重量大的问题。虽然对于小体积的低频换能器需求愈加强烈，但是，国内外专家们对进一步降低弯张类换能器的工作频率和小尺寸等问题的研究并不是很多，主要也就是从驱动材料角度使用低声速的材料(如terfenol-d)，或者增加壳体主振区振动质量来实现的。

专利号为cn105702244a的一种嵌入式外部驱动iv型弯张换能器为改变传统内部纵向驱动为外部纵向驱动的结构形式，通过壳体嵌入式的结构，使驱动堆进入壳体内部，而驱动形式又为外部驱动，其合理的减少了换能器的外结构尺寸。

本发明相比于上述专利中提出的外部驱动结构形式，区别在于，本发明中的共形驱动iv型弯张换能器，采用的为与弯张壳体共形的新驱动结构形式，目的是实现换能器更低的工作频率特性，无论是实现原理以及结构都完全不同。

技术实现要素：

针对目前现有技术中存在的不足，本发明旨在提供一种解决同等结构尺寸下iv型弯张换能器进一步降低谐振频率的问题，使iv型弯张换能器更容易实现低频、小尺寸特性的共形驱动iv型弯张换能器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明为共形驱动iv型弯张换能器，包括弯张壳体1、陶瓷圆弧2、橡胶垫3、上盖板4、下盖板5、螺杆6、螺帽7以及便于电连接的水密电缆头8，其特征在于：所述的弯张壳体1为开有内部镶嵌口9的拉伸椭圆结构，上下端面与橡胶垫3连接，橡胶垫3的上下表面分别与上盖板4、下盖板5紧密接触；上盖板4、下盖板5上分布有通孔10，螺杆6连接上盖板4、下盖板5，用螺帽7旋紧,，组成共形驱动弯张换能器的整体外结构；上盖板4设置有电连接孔11，电连接孔11上设置有水密电缆头8，水密电缆头8通过导线与两个陶瓷圆弧2进行并联电连接。

所述的弯张壳体1外表面轮廓结构为椭圆，弯张壳体1短轴内侧开有两个对称的内部镶嵌口9；内部镶嵌口9为圆弧结构，其边缘面与陶瓷圆弧2外边缘面曲率半径一致；陶瓷圆弧2开角角度大于内部镶嵌口9的开角角度。

所述的螺杆6螺杆两侧分别带有限位功能的台阶。

所述的陶瓷圆弧2为径向极化陶瓷圆弧或镶拼陶瓷圆弧。

所述的径向极化陶瓷圆弧为pzt-4陶瓷圆环的部分结构；径向极化陶瓷圆弧环向边缘内外面有去电极处理

所述的镶拼陶瓷圆弧是由n片楔形pzt-4压电陶瓷条拼接成的圆弧，n为偶数；压电陶瓷条沿厚度方向极化，每相邻的两片压电陶瓷条极化方向相反；相邻两陶瓷条之间设置并联连接的电极片；环向最边缘有两片金属条13；镶拼陶瓷圆弧外表面为环氧树脂胶玻璃丝层12。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明克服了传统驱动结构的iv型弯张换能器由于长梁驱动形式使得换能器壳体振动频率明显提高的缺点，采用陶瓷圆弧驱动及其开有圆弧镶嵌口的壳体结构，实现陶瓷与壳体共形的驱动形式，在保证壳体弯曲振动频率不明显升高的前提下，又能够合理利用弯张换能器的位移放大作用，从而实现弯张换能器进一步降低工作频率，并具有较大功率工作的特性。本专利水声换能器兼具小尺寸、低频、大功率、重量轻等特点，可单独或者组阵应用于搭载各种小平台的主动探测声纳，深海水声通信等领域。

附图说明

图1是共形驱动iv型弯张换能器结构的剖面示意图。

图2是共形驱动iv型弯张换能器结构示意图。

图3是共形驱动iv型弯张换能器壳体结构示意图。

图4是共形驱动iv型弯张换能器径向极化陶瓷圆弧结构示意图。

图5是共形驱动iv型弯张换能器镶拼陶瓷圆弧结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1至图2所示，本发明的共形驱动iv型弯张换能器，主要包括弯张壳体1、两个陶瓷圆弧2、两个橡胶垫3、上盖板4、下盖板5、六个连接螺杆6、六个螺帽7、水密电缆头8。弯张壳体1带有两个内部镶嵌口9，分别与两个陶瓷圆弧2配合连接实现共形，弯张壳体1上下表面分别与橡胶垫3连接，橡胶垫其余两面与上盖板4和下盖板5连接，上下盖板上分布有通孔10，连接螺杆6配合连接上下盖板5，用螺帽7旋紧，形成换能器整体外结构，并对橡胶垫施加预紧力，实现水密。上盖板4上有与水密电缆头8配合连接的电连接孔11，水密电缆头8通过导线与两个陶瓷圆弧2进行并联电连接。

如图3所示，本发明的弯张壳体1是由铝合金(或者钛合金)金属材料经加工而成，其为拉伸体结构，外表面轮廓为椭圆结构形式，内表面为开有两个内部镶嵌口9的椭圆结构，其内部镶嵌口9为一定角度的圆弧截面，两个内部镶嵌口9对称分布在弯张壳体1短轴内侧；

本发明的陶瓷圆弧2可以为径向极化圆弧，也可以是镶拼陶瓷圆弧。径向极化陶瓷圆弧如图4所示，弧的环向边缘内外面做去电极处理，防止与壳体接触时电短路；镶拼陶瓷圆弧如图5所示，是由n片(n由圆弧角度、半径和楔形条尺寸决定，其中n必须为偶数)楔形pzt-4压电陶瓷条粘接成一定角度的圆弧，压电陶瓷条沿环向厚度方向极化，每相邻的两片压电陶瓷条极化方向相反，陶瓷条之间设置电极片，在电路上采用并联连接，环向最边缘有两片金属条13，保证与壳体装配时具有足够的强度，方便装配；并在镶拼陶瓷圆弧外侧贴覆粘有环氧树脂胶玻璃丝层12，用于实现在与壳体接触时的电绝缘和增加陶瓷圆弧2的结构强度。水密电缆头8与电连接孔11连接，并通过橡胶垫3保证水密，用导线引出陶瓷圆弧2正负电极与水密电缆头8连接。

上述所述的弯张壳体1和陶瓷圆弧2，其特征在于，陶瓷圆弧2的外表面和弯张壳体内部内部镶嵌口9的表面曲率半径相同，陶瓷圆弧2的开角角度大于内部内部镶嵌口9的开角度，在径向实现紧密配合的同时，在环向由壳体对陶瓷圆弧施加足够预应力，以实现大功率工作。

橡胶垫3是由具有一定硬度、耐渗水的硅橡胶或者氟橡胶制作而成，其外结构轮廓椭圆与弯张壳体1外尺寸相同，上下表面平整光滑，与弯张壳体1上下端面及上盖板4和下盖板5表面足够接触，在起到基本水密特性之外，也在高度方向上实现一定程度的去耦；

上盖板4和下盖板5结构尺寸相同，是由铝合金(或者钛合金)金属材料加工而成，其外结构轮廓为椭圆结构，在边缘处分布有六个通孔，与螺杆6配合连接；上盖板4处开有电连接孔11，用于安装电连接的水密电缆头8；

连接螺杆6是由不锈钢(或者钛合金)金属材料加工而成，两侧分别带有限位功能的台阶，两个限位台阶在装配上盖板4和下盖板5过程中，通过螺帽7旋紧压缩橡胶垫3，设定了压缩橡胶垫3的最大行程，使得橡胶垫3在弹性范围内，并能实现水密密封功能，同时也在一定程度上保证换能器的整体强度以及工作最大水深。

本发明的换能器在水中工作时，对电并联连接的两个陶瓷圆弧2施加交变电场，在交变电场的激励下陶瓷圆弧2产生环向的往复振动，从而激励出弯张壳体1的呼吸振动模态，由于位移放大作用，在壳体短轴处具有较大的往复振动位移，实现声音的辐射。本发明因为采用陶瓷圆弧2与弯张壳体1共形的结构形式，所以使得弯张壳体1的结构刚度变化较小，在基本的呼吸振动模态情况下，实现了换能器的更低频率辐射特性。共形驱动形式为弯张换能器进一步实现低频、小尺寸特性提供了新的方法。

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，在不脱离本发明权利要求的保护情况，作出本发明的其他实施方式，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。