数字式水声换能器单元、阵列、装置的制作方法

本实用新型属于水声换能器技术领域，具体涉及一种数字式水声换能器单元、阵列、装置。

背景技术：

声波是唯一已知的能够在水下远距离传播的信息载体，声学方法是水下探测、测量、目标识别及定位、海洋地质勘探等诸多领域的主要手段，其应用日益深入。随着现代水声技术的发展，在一些领域中声波的低端工作频率已延伸至一百赫兹以下的甚低频段，因此作为水声技术得以实施的必要工具，低频宽带水声换能器、尤其是发射换能器的研制具有重要意义和价值。

传统的水下低频声辐射换能器主要有溢流式圆环换能器、多模弯张换能器、电动式换能器等等。为了达到较高的低频声辐射能力，这些换能器一般具有较大的体积、重量及损耗功率，并需要能够输出大幅度模拟信号的大功率功放进行驱动，使用期间损坏率高、长期工作可靠性较差。同时，受换能器自身物理非线性的影响，辐射的低频声波可能含有较高的失真，这在某些场合下可能产生较大的负面影响，例如主动控制领域。目前，水声领域仍然缺乏体积小、重量轻、功耗低的低频宽带换能器，其应用需求十分迫切。

数字式换能器是一种新型的声学器件，目前主要应用于空气扬声器领域，其设计思路主要有两种：其一，改变功率放大器的驱动形式，直接输出0和1的数字信号驱动原有的发声器件，例如公开号为CN101986721A的中国专利《全数字式扬声器装置》；其二，改变发声器件的物理结构，使其工作时在0和1两个位置不断切换，形成数字式单元，并利用多个单元形成阵列完成多比特数字信号的发声，例如公开号为CN101558660的中国专利《用于产生压强波的装置和方法》及相关国际专利。数字式空气扬声器具有更低的功耗和更好的声品质，是该领域发展的主要方向之一，但由于空气和水的介质差异性较大，现有的设计结构和方法并不能应用于水声领域。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种数字式水声换能器单元，是一种能用应用于水下数字式发声的水声换能器单元，且体积小、重量轻、功耗低。

本实用新型通过以下技术方案一解决上述技术问题：

技术方案一：

一种数字式水声换能器单元，包括一外壁、两活塞辐射面、两永磁体以及由铁芯和线圈构成的一电磁铁；所述外壁两端面均设有一密封膜，各所述活塞辐射面均固定于所述密封膜的内侧面且一一对应设置，所述活塞辐射面通过弹性件固定于所述外壁上，所述两活塞辐射面通过一连接杆连接并固定；所述永磁体固定于所述活塞辐射面的内侧面上且一一对应设置，所述永磁体与所述活塞辐射面接触的一面具有相同的极性；所述铁芯的中间具有一通孔，所述连接杆贯穿所述通孔，所述线圈绕设于所述铁芯的外侧面，所述线圈两端部的导线穿出外壁，形成所述换能器单元的输入接口；所述电磁铁通过固定连接件固定于所述外壁上，所述铁芯的端面与所述永磁体的位置相对应，在平衡位置下，所述铁芯的两个端面与两侧永磁体之间的距离保持一致；所述换能器单元的内部充满油性液体。

更优地，所述弹性件为板簧。

更优地，所述铁芯的两个端面均设有软垫。

更优地，所述外壁为一圆筒结构，所述活塞辐射面设于所述密封膜的内侧面中心位置，所述连接杆连接并固定所述活塞辐射面的中心位置。

更优地，所述永磁体为整体的环状结构或离散的块状结构。

更优地，所述连接件沿周向分布于所述外壁和电磁铁之间。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种数字式低频宽带水声换能器单元阵列，可实现水下低频大功率声辐射，在相同的声辐射性能下可大幅降低传统换能器的体积、重量和功耗，同时可提高低频发射声的非线性失真等指标。

本实用新型通过以下技术方案二解决上述技术问题：

技术方案二：

一种数字式低频宽带水声换能器单元阵列，所述换能器单元阵列由复数个换能器单元水平排列组成。

更优地，所述换能器单元阵列还包括一附加障板或一由吸声材料构成的吸声层；所述附加障板上开设一通孔，所述换能器单元阵列嵌于所述通孔内；所述吸声层贴敷于所述换能器单元阵列的上底面或下底面。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种数字式低频宽带水声换能器装置，利用一种水下压力自平衡式气囊结构，有效解决了偶极子换能器单元低频声发射效率低的问题，大幅提升换能器的低频声辐射能力。

本实用新型通过以下技术方案三解决上述技术问题：

技术方案三：

一种数字式低频宽带水声换能器装置，包括换能器单元阵列、空腔和气囊，所述空腔开设一孔洞，所述换能器单元阵列设于所述孔洞处且与所述孔洞密闭结合，所述空腔壁上还设置透水孔；所述气囊开口与所述换能器单元阵列的背侧紧密结合，形成密闭气腔，且所述气囊置于所述空腔内，所述气囊上还设有充气孔。

本实用新型具有如下有益效果：

(1) 本实用新型提供一种数字式水声换能器单元，其通过在外壁两端面设置密封膜，在内部充满油性液体，且通过电磁铁和永磁体之间产生足够大的吸力和排斥力，结合活塞辐射面实现数字采样信号向物理声信号的转换，完成数字式换能器单元水下声波发射，

(2) 本实用新型提供一种数字式低频宽带水声换能器阵列，在相同的声辐射性能下可大幅降低传统换能器的体积、重量和功耗，同时可提高低频发射声的非线性失真等指标。

(3) 本实用新型提供了一种数字式低频宽带水声换能器装置，利用水下压力自平衡式气囊结构有效解决了偶极子换能器单元低频声发射效率低的问题，可大幅提升换能器的低频声辐射能力。

(4) 本实用新型提供一种数字式低频宽带水声换能器控制方法，通过该控制方法，换能器单元阵列即可完成数字信号向物理信号的转换，同时实现单元地址周期性地发生变化，有效解决了不同换能器单元物理状态切换次数不均的问题，避免了个别换能器单元因过度使用而容易损坏的情况，延长了换能器单元阵列的使用寿命。

附图说明

图1为一种数字式水声换能器单元的纵向结构剖面图；

图2为一种数字式水声换能器单元的横向结构剖面图；

图3为一种数字式低频宽带水声换能器单元阵列设置附加障板的正视图；

图4为一种数字式低频宽带水声换能器单元阵列设置吸声层的结构示意图；

图5为一种数字式低频宽带水声换能器装置的结构示意图；

图6为一种数字式低频宽带水声换能器控制方法的流程图；

图7为一种数字式低频宽带水声换能器控制方法能够实现单元地址周期性地发生变化的流程图。

图中附图标记表示为：

1-外壁、2-活塞辐射面、3-永磁体、4-电磁铁、41-铁芯、42-线圈、5-密封膜、6-弹性件、7-连接杆、8-连接件、9-软垫、10-换能器单元、20-换能器单元阵列、21-附加障板、22-吸声层、23-空腔、24-气囊、26-透水孔、27-充气孔。

具体实施方式

请结合图1至图7和具体实施例来对本实用新型进行详细的说明。

实施例一：

请参阅图1和图2，一种数字式水声换能器单元，包括一外壁1、两活塞辐射面2、两永磁体3以及由铁芯41和线圈42构成的一电磁铁4；所述外壁1两端面均设有一密封膜5，使换能器单元10内外完全隔离，各所述活塞辐射面2均固定于所述密封膜5的内侧面且一一对应设置，二者通过粘结或者硫化等工艺固定，所述活塞辐射面2通过弹性件6固定于所述外壁1上，在所述弹性件6的约束下，所述活塞辐射面2能在轴向上运动，所述两活塞辐射面2通过一连接杆7连接并固定，所述连接杆7选用刚性连接杆效果较优，通过连接杆7使两个活塞辐射面2仅能相对于外壁1做整体的轴向振动；所述永磁体3固定于所述活塞辐射面2的内侧面上且一一对应设置，所述永磁体3与所述活塞辐射面2接触的一面具有相同的极性；所述铁芯41的中间具有一通孔411，所述连接杆7贯穿所述通孔411，所述线圈42绕设于所述铁芯41的外侧面，所述线圈42两端部的导线穿出外壁1，形成所述换能器单元10的输入接口（两端部的导线均为输入接口），较优地，所述线圈42两端部的导线穿过一所述连接件8再穿出所述外壁1，导线从连接件8的中间穿过，不仅可以避免导线一直浸泡在油性液体中，还能大大减弱活塞辐射面2轴向振动导致的液体流动带来的不良影响。所述铁芯41一般由软磁材料制成，且安装于所述换能器单元10内部的中间位置，所述电磁铁4通过固定连接件8固定于所述外壁1上，所述铁芯41的端面与所述永磁体3的位置相对应，在平衡位置下，所述铁芯41的两个端面与两侧永磁体3之间的距离保持一致，是活塞辐射面2向两个方向的运动完全一致；所述换能器单元10的内部充满油性液体，所述油性液体能够增强内部的耐压能力。

所述弹性件6为板簧，板簧应具有较大的横向刚度，使活塞辐射面2仅能在轴向上运动。

所述铁芯41的两个端面均设有软垫9，用于减轻永磁体3与铁芯41碰撞时产生的冲击力。

所述外壁1为一圆筒结构，所述活塞辐射面2设于所述密封膜5的内侧面中心位置，所述连接杆7连接并固定所述活塞辐射面2的中心位置。

所述永磁体3为整体的环状结构或离散的块状结构，各离散的块状结构形成环状，各块状结构间可以形成间隙。

所述连接件8沿周向分布于所述外壁1和电磁铁4之间，但并不充满电磁铁和外壁之间的整个空间，且相邻连接件间有较大空隙，减弱活塞辐射面2运动时由内部流体产生的阻力。所述连接件8的总体积≤电磁铁4外围空间体积的一半，所述电磁铁4外围空间为电磁铁4外周面与外壁1之间形成的空间。如图2所示，所示连接件8共有四块，沿周向均匀分布于外壁1和电磁铁4之间的环状空间中，总体占据环状空间体积的1/2，相邻连接件8间有较大空隙，连接件8一般通过黏胶固定即可。

本实用新型的工作原理：当线圈42通以电流时，电磁铁4将产生极性，从而对其中某一侧的活塞辐射面2的永磁体3产生吸引，同时对另一侧的永磁体3产生排斥；电磁铁4对永磁体3产生的力将引起活塞辐射面2及连接杆7的整体运动，直至某一侧的永磁体3通过软垫9与铁芯41接触，此时即使断开电流，由于两侧永磁体3对铁芯41的引力不同，活塞辐射面2及连接杆7整体也将稳定于该状态，直至线圈42通以反向电流，使另一侧的永磁体3与铁芯41通过软垫9接触。因此，两侧活塞辐射面2及连接杆7形成的整体只有两个静态位置，分别代表0和1，正常工作时在这两个静态位置不断切换。

本实用新型提供了一种数字式水声换能器单元，通过密封膜5实现防水，通过内充油性液体具有较大的耐压能力，抵抗水压，通过电磁铁4和永磁体3之间产生足够大的吸力和排斥力，使其在水压力下也能够正常运动，结合活塞辐射面2实现水下声脉冲的发射。因此本实用新型是一种能够应用于水声领域的数字式水声换能器单元，填补了现有技术的空缺。

实施例二：

请参阅图3和图4一种数字式低频宽带水声换能器单元阵列，所述换能器单元阵列20由复数个换能器单元10水平排列组成。所述换能器单元10的数量由需要转换的数字采样信号的位数决定。以换能器单元10的数量为2^M个为例（所述M为正整数），则可以实现M位数的数字采样信号向物理声信号的转换。各所述换能器单元相互独立，一般地，各所述换能器单元10均一一对应连接一功率放大器（未图示），各所述换能器单元10的输入接口均接入与其对应的功率放大器，所述功率放大器根据接收到的控制信号控制换能器单元10的电流通断以及电流方向。

所述换能器单元阵列20的工作原理如本实用新型实施例四或实施里五所述，在此不做赘述。

本实用新型一种数字式低频宽带水声换能器单元阵列还包括一附加障板21或一由吸声材料构成的吸声层22；所述附加障板21上开设一通孔，所述换能器单元阵列20嵌于所述通孔内；所述吸声层22贴敷于所述换能器单元阵列20的上底面或下底面。由于所述换能器单元10本质为偶极子声源，通过附加障板21或吸声层22的方式能够提升低频性能。

本实用新型提供的一种数字式低频宽带水声换能器单元阵列，利用数字式发声原理可完成水下声波发射，具有更好的低频宽带声辐射性能，在相同的声辐射性能下可大幅降低传统换能器的体积、重量和功耗，同时可提高低频发射声的非线性失真等指标。

实施例三：

请参阅图5，一种数字式低频宽带水声换能器装置，包括换能器单元阵列20、空腔23和气囊24，所述换能器单元阵列20由实施例一所述的换能器单元(10)组成；所述空腔23开设一孔洞，所述换能器单元阵列20设于所述孔洞处且与所述孔洞密闭结合，所述空腔23壁上还设置透水孔26；所述气囊24开口与所述换能器单元阵列20的背侧紧密结合，形成密闭气腔，所述气囊24置于所述空腔23内，所述气囊24上还设有充气孔27。所述充气孔27一般可以固定在所述空腔23的外壁上，方便充气。

将所述换能器装置置于水下时，所述空腔23内充满液体，通过透水孔26与周围水域连通，所述气囊24内存储空气，使换能器单元阵列20的每个换能器单元10的背侧的活塞辐射面10均能接触空气，所述充气孔27用于给气囊24预充一定压力的空气，换能器装置工作时，充气孔27封闭。由于空气的可压缩性较强，换能器单元10的活塞辐射面2轴向移动时，由气囊24内的空气产生的附加弹性抗较低，基本不影响换能器单元10的正常工作。同时，当换能器单元阵列20整体处于不同深度时，由于透水孔26的存在，换能器装置的外部流体可自由的流入或流出空腔23，使腔内外的压力始终一致，从而保证气囊24内的空气气压与换能器装置外部液压的自动平衡，保障换能器单元阵列20的正常工作。在上述结构下，应根据换能器装置具体工作深度范围优化空腔23及气囊24的大小和形状，并通过充气孔27给气囊24预充一定压力的空气。

本实用新型数字式低频宽带水声换能器装置中换能器单元阵列20的工作原理如本实用新型实施例四或实施例五所述，在此不做赘述。

本实用新型一种数字式低频宽带水声换能器装置利用水下压力自平衡式气囊结构有效解决了偶极子换能器低频声发射效率低的问题，大幅提升换能器的低频声辐射能力。

实施例四：

请参阅图6，一种数字式低频宽带水声换能器控制方法，通过所述换能器单元阵列20将需要输出的采样值y(n)转换成物理声信号，n为采样周期数，所述控制方法包括如下步骤：

步骤10、初始化：y(0)=0，令所述换能器单元10的物理状态为0，即位于代表0的静态位置上；给所有换能器单元10赋以不同的单元地址，单元地址范围为0~X-1，所述X=换能器单元10的总数量；以换能器单元10的总数量为2^M个为例，则可以实现M位数的数字采样信号向物理声信号的转换，各换能器单元10的单元地址为0~2^M-1。

步骤20、获取需要输出的采样值y(n)；

步骤30、比较y(n)与y(n-1)：

若第n周期的采样值y(n)＞第n-1周期的采样值y(n-1)，将单元地址为y(n-1)+1至y(n)的换能器单元10进行取值改变，然后执行步骤40；

若y(n)＝y(n-1)，保持各换能器单元10的取值不变，然后执行步骤40；

若y(n)＜y(n-1)，将单元地址为y(n)+1至y(n-1)的换能器单元进行取值改变，然后执行步骤40；

步骤40、综合判断各换能器单元10的取值改变次数，若所述换能器单元阵列20中任意一所述换能器单元10取值改变执行两次，则对应地，该换能器单元10的物理状态保持不变；若任意一所述换能器单元10的取值改变仅执行一次，则对取值发生一次改变的换能器单元10的物理状态进行切换；若任意一所述换能器单元10的未执行取值改变，则该换能器单元10的物理状态保持不变；

对取值发生变化的换能器单元10，利用统一的采样时钟，通过所述功率放大器，向所述换能器单元10的输入接口通入正向或反向驱动电流，切换器活塞辐射面2的物理状态，对各所述换能器单元10的物理状态进行对应处理后，执行步骤50；

步骤50、令n=n+1，返回所述步骤20重新开始执行。

在上述控制方法下，换能器单元阵列20即可完成数字信号向物理声信号的转换。

但是，由于换能器单元阵列20必须能够满足一个设定范围内的声信号转换，在该范围内，中间位置一般为信号常用区域，两端为信号极端值，这就导致换能器整列20中，某些换能器单元10使用频繁，容易损坏，影响整体换能器单元阵列20的使用寿命。

因此，本实用新型提供了另一种更优的实施方式五，请参阅图7，通过在所述步骤10中设定一正整数N，实现单元地址周期性地发生变化，具体步骤如下：

所述步骤10具体为：初始化：y(0)=0，令所述换能器单元10的物理状态为0，给所有换能器单元10赋以不同的单元地址，单元地址范围为0~X-1，所述X=换能器单元10的总数量；设定一正整数N，所述N的取值根据采样率和/或换能器单元阵列20的工作时间设定；以换能器单元10的总数量为2^M个为例，则可以实现M位数的数字采样信号向物理声信号的转换，各换能器单元10的单元地址为0~2^M-1；其正整数N可以设定为2^M。

执行所述步骤20：获取需要输出的采样值y(n)，然后执行步骤31；

执行步骤31：判断n是否能被N整除，

若否，则依次执行所述步骤30、步骤40以及步骤50；

若是，则将各换能器单元10的单元地址加1，并且将最大单元地址的换能器单元10进行取值改变，且将单元地址置0，同时，将单元地址为y(n-1)+1的换能器单元10进行取值改变；然后执行所述步骤40和步骤50。

本实施例提供的控制方法，通过设定正整数N，实现单元地址周期性地发生变化，有效解决了不同换能器单元10物理状态切换次数不均的问题，避免了个别换能器单元10因过度使用而容易损坏的情况，延长了换能器单元阵列20的使用寿命。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。