一种深水弯曲圆盘换能器的制作方法

本发明涉及一种水下声学发射器，尤其涉及一种深水弯曲圆盘换能器，可用于吊放声纳、声纳浮标、水声对抗装置等领域。

背景技术

深海海底矿产资源的勘探与开发、海洋生物研究以及深海警备等活动中，声纳系统担当重要的角色，而作为声纳耳目的深海换能器设计是关键技术之一。

工作在深海环境下的设备所要考虑的问题首先是设备承受高静水压并且性能良好。因此，在深海环境下工作的水声换能器在设计上除采用具有高耐压强度的材料外，主要是采用内外压力平衡补偿溢流式结构解决压力释放问题，同时利用液腔的谐振还可以拓宽换能器的频带。

低频声波主要是指频率在3khz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低频辐射的方法有多种，常见的有弯曲振动换能器、弯张换能器、亥姆霍兹谐振器等。

采用亥姆霍兹谐振器结构的低频换能器，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，质量2800kg，最大工作深度为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。

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长条围成圆桶形，通过三叠片的弯曲振动实现换能器的超低频发射。换能器直径0.94m，空气中2300kg，水中重700kg，谐振频率为75hz，最大声功率420w，带宽37.5hz。

弯曲振动式换能器最常见的是弯曲圆盘换能器，弯曲圆盘换能器又可以分为由两个压电陶瓷圆片粘接在一起的双叠片结构和中间为金属圆盘上下为压电陶瓷圆片粘接在一起的三叠片结构，这种换能器具有低频、大功率、体积小、结构简单、便于生产等特点，并且易于与水和空气匹配，在水下可作为低频声源用在诸如浮标声纳、吊放声纳等各种探测设备当中，也可以按照一定的形式排列成阵列使用。但由于其振子抗单面压力的能力较弱，不能使用在太深的水域中。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有弯曲式水声换能器的不足，解决弯曲式水声换能器抗单面压力能弱的问题，提供一种尺寸小、重量轻、可在深水条件下工作的深水弯曲圆盘换能器，在保持了弯曲式换能器能够以小体积实现低频发射特点的基础上，提高溢流式弯曲圆盘换能器的发射响应，可靠性与耐静水压能力等。

本发明的目的是这样实现的：包括外壳体、设置在外壳体上端的圆形金属板、设置在圆形金属板上端面的压电陶瓷圆片、设置在圆形金属板下端的内壳体、设置在内壳体下端的反声障板，所述外壳体上端面均匀设置有类椭圆长孔，所述内壳体圆周面上均匀设置有方形长孔，所述外壳体内表面和反声障板、內壳体之间形成外腔体，外腔体通过类椭圆长孔与外部环境液体流通，反声障板和金属板之间形成的内腔体与外腔体通过方形长孔实现液体流通。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述环形障板中间还设置有环形肋。

2.所述圆形金属板的半径小于外壳体的内径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明一种采用压电陶瓷圆片与圆形金属板实现弯曲振动的弯曲圆盘式水声发射换能器。该水声换能器可以深水工作，具有低频、发送电压响应高、结构简单、重量轻等特点，可用于吊放声纳、声纳浮标、水声对抗装置等领域。

本发明的外壳体与金属板相连的一端端面上周向分布类椭圆形长孔，內壳体表面上轴对称分布方形长孔，使得外壳体内表面和反声障板、內壳体外表面之间形成外腔体，反声障板和金属板之间形成的内腔体，两者之间液体连通，进而维持了换能器内部与外界的压力平衡，提高了换能器的耐压强度，增加了换能器的工作深度；换能器工作时，由于反声障板作用，压电陶瓷圆片及金属板构成的辐射面所激励的介质，和换能器内腔体内介质同相振动，增加了换能器的声辐射能力和辐射声功率，进而提高了其工作距离。相比于传统的弯曲圆盘换能器，除了具有小尺寸、大功率、低频等优点，这种换能器结构设计还增强了换能器核心元件的抗压能力，进一步提高了其工作深度和工作距离，可应用与深水水声探测、测量以及海洋资源勘探与开发等技术领域。

附图说明

图1是本发明的深水弯曲圆盘换能器示意图；

图2是本发明的深水弯曲圆盘换能器剖面示意图；

图3是深水弯曲圆盘换能器的內壳体结构示意图；

图4是灌封后的深水弯曲圆盘换能器示意图；

图5是灌封后的深水弯曲圆盘换能器剖面示意图；

附图标识：1-压电陶瓷圆片、2-圆形金属板、3-内壳体、4-反声障板、5-外壳体、6-类椭圆长孔、7-方形长孔、8-环形肋、9-聚氨酯。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1至图2所示，本发明的深水弯曲圆盘换能器，主要包括压电陶瓷圆片1、圆形金属板2、內壳体3、反声障板4等结构。外壳体以及內壳体采用圆柱形壳体；所述圆形金属板位于外壳体一端，金属板半径小于外壳体内径；所述压电陶瓷圆片位于金属板外侧；所述內壳体与金属板内侧相连；所述反声障板与內壳体相连。

如图1所示，本发明的内壳体采用环形金属结构，内壳体环形面上轴对称分布方形长孔，外壳体5为圆柱形金属壳体，一端端面封闭，与外部环境隔离，一端与圆形金属板相连，圆形金属板外围周向分布类椭圆形长孔。

如图2至图3所示，本发明的外壳体内表面和反声障板、內壳体外表面之间形成外腔体，反声障板和金属板之间形成内腔体，外腔体通过类椭圆长孔结构6与外部环境液体连通，内腔体与外腔体通过方形长孔7结构液体连通。

圆形金属板由硬铝加工而成，金属板外侧进行磨砂处理，金属板内侧带有环形凹槽，金属板边缘厚度大于金属板中心厚度，金属板边缘宽度等于环形内壳体厚度，便于两者粘接。

压电陶瓷圆片粘接于圆形金属板外侧，采用厚度方向极化的pzt-4压电陶瓷加工而成，圆片表面镀有银电极，因此具有良好的逆向压电效应。

反声障板为空气被衬的圆形金属结构，反声障板的上表面与内腔体相连，反声障板的下表面与外腔体相连，反声障板腔内有一个环形肋结构8，环形肋结构与反声障板同心同轴，由此增加了反声障板的刚度。

如图4至图5所示，在压电陶瓷圆片和圆形金属板构成的辐射面上覆有一层圆形聚氨酯橡胶，使得压电陶瓷与外部环境绝缘。

镶拼弯曲圆盘水声换能器制作的基本步骤为：

1.用焊接的方式将两根导线分别与压电陶瓷圆片1上表面和圆形金属板上表面相连，用环氧树脂将压电陶瓷圆片1粘接于圆形金属板2的上表面，保证两者同心同轴。

2.将圆形金属板2的下表面与内壳体3一端粘接，反声障板4的上表面与内壳体3另一端粘接，保证圆形金属板2、内壳体3和反声障板4同心同轴。

3.将圆形金属板2环形表面粘接于外壳体5带有类椭圆长孔6的一端，保证外壳体5端面与圆形金属板2上表面位于同一水平面内。

本发明的换能器入水以后，由于换能器内部外腔体与内腔体液体连通，压电陶瓷圆片和金属板外侧构成的辐射面与内部腔体压力平衡。当换能器在水中工作时，对压电陶瓷圆片1施加交变电场。在交变电场的激励下，使其产生平面扩张振动，由于其和金属板相连，金属板边缘简支，进而激励压电陶瓷与金属板共同弯曲振动，向水中辐射能量。同时，金属板下表面与内液腔相连，内液腔介质受其激励产生振动，由于反声障板的反相作用，使得内液腔介质与金属板外侧介质振动相位相同，进而增强了换能器的声辐射能力，提高了其发射声功率。

本发明的工作原理：

本发明的弯曲圆盘换能器是利用溢流式结构平衡内外压力原理设计的一种深水弯曲圆盘换能器。当换能器入水以后，由于换能器内部外腔体与内腔体液体连通，压电陶瓷圆片和金属板外侧构成的辐射面与内部腔体压力平衡。换能器在工作时，对所述压电陶瓷圆片施加交流电压载荷，使其产生平面扩张振动，由于其和金属板相连，金属板边缘简支，进而激励压电陶瓷与金属板共同弯曲振动，向水中辐射能量。同时，金属板下表面与内液腔相连，内液腔介质受其激励产生振动，由于反声障板的反相作用，使得内液腔介质与金属板外侧介质振动相位相同，进而增强了换能器的声辐射能力，提高了其发射声功率。

本发明包括外壳体，压电陶瓷圆片，圆形金属板，内壳体和反声障板；所述外壳体以及內壳体采用圆柱形壳体；其特征在于：所述圆形金属板位于外壳体一端，金属板半径小于外壳体内径；所述压电陶瓷圆片位于金属板外侧；所述內壳体与金属板内侧相连；所述反声障板与內壳体相连。所述外壳体与金属板相连一端端面上周向分布类椭圆形长孔。所述外壳体内表面和反声障板、內壳体之间形成外腔体，外腔体通过长孔结构可以与外部环境液体流通。金属板外侧光滑，金属板内侧带有环形凹槽，金属板边缘厚度大于金属板中心厚度。所述压电陶瓷圆片位于金属板外侧，压电陶瓷圆片与金属板同心同轴。所述压电陶瓷和圆形金属板构成的辐射面可以向水中辐射能量。所述內壳体与圆形金属板相连接，金属板和反声障板间的內壳体表面上轴对称分布方形长孔。所述反声障板与內壳体相连接，反声障板和金属板之间形成的内腔体与外腔体通过方形长孔可以液体流通。所述反声障板为空气被衬的圆形金属结构，反声障板的上表面与内腔体相连，反声障板的下表面与外腔体相连。所述反声障板腔内有一个环形肋结构，环形肋结构与反声障板同心同轴。

综上，本发明公开一种可用于深水发射声波的弯曲圆盘式水声换能器，属于水声发射换能器技术领域。该换能器包括外壳体；压电陶瓷圆片；辐射头；反声障板；內壳体等结构件。本发明的弯曲圆盘换能器是利用溢流式结构平衡内外压力原理设计的一种深水弯曲圆盘换能器，当换能器在工作时，利用压电陶瓷与金属板共同弯曲振动，同时，由于反声障板作用，使得内腔体介质与金属板外侧介质同相振动，向水中辐射能量。该水声换能器的特点为可以深水工作，低频发送电压响应高，重量轻，制作简单，可应用于吊放声纳、水声对抗等领域。