全空间扫描式圆环换能器结构的制作方法

1.本实用新型涉及换能器领域，主要是一种全空间扫描式圆环换能器结构。


背景技术：

2.圆环换能器是水声换能器中最为常见的换能器之一。在大功率发射的情况下通常采用多片陶瓷拼接而成，结构形式如图1所示。圆环换能器具有工艺成熟，功率容量大，耐静水压能力强、径向无指向性等优点。被广泛应用于水声探测、通讯等多个领域。
3.圆环换能器可以分为轴向与径向两个方向。其中径向响应起伏较小，可实现无指向性辐射；轴向声能量为轴向的同相叠加，响应较高，但指向性起伏较大，难以实现全向工作。在实际工作中，为了获得较好的水平指向性，圆环换能器通常采用径向辐射。这种工作方式在得到水平无指向性性能的同时也带来以下问题：
4.(1)垂直方向大量的声能量浪费，为了获得更高的声源级，换能器需多个换能器布阵，造成较大的浪费；
5.(2)垂直方向声能量向海面、海底辐射，巨大的混响严重影响声纳系统的探测性能；
6.(3)水平无指向性的辐射方式，使得目标定位困难，实际工作中常需要较长的拖线接收阵。为了分别左右舷，还需要双拖线接收阵。
7.圆环换能器轴向方向声场是由径向振动的同相叠加而成。当换能器高度较小时，径向振动在轴向均为同相叠加，轴向声源级远大于径向声源级。例如工作频率为1.5khz的圆环换能器，换能器直径约为700mm，换能器高约200mm，谐振处轴向声源级比径向高约14db。由对称性可知，垂直于轴向所在平面为无指向性；垂直于径向所在平面指向性起伏较大，如图2所示。
8.如图3所示，垂直于径向方向指向性中，90度方向为轴向方向，可以看出换能器-3db开角约为60度；垂直于轴向指向性起伏小于0.5db，近似为无指向性辐射。
9.圆环换能器的径向响应起伏较小，可实现无指向性辐射；轴向声能量为轴向的同相叠加，响应较高，但指向性起伏较大，难以实现全向工作。在工程应用中，为了获得水平无指向性的声辐射，通常将镶拼圆环换能器高度方向竖直布放。这种布放方式使得轴向更大的声源级得不到利用。为了获得较高的声源级，通常采用沿轴向多个换能器叠堆布放。为了实现与轴向相当的声源级，该尺寸的的圆环换能器需约5个换能器沿轴向密排布放，这样整个发射系统的尺寸、重量，供电系统的规模、供电线缆的尺寸等参数均需成比例增加。


技术实现要素：

10.本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种全空间扫描式圆环换能器结构，利用单个圆环换能器声辐射的指向性特点，结合机械扫描，实现全空间、高声源级、指向性的声辐射结构。
11.本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的。一种全空间扫描式圆环换能器
结构，主要包括垂直旋转结构、水平旋转结构和圆环换能器，通过圆环换能器进行声辐射，通过垂直旋转结构与水平旋转结构进行全空间扫描；所述的水平旋转结构安装在支撑转接板上，用于驱动支撑转接板水平旋转；支撑转接板与二块竖向支撑板固定连接，二块竖向支撑板之间设置有支撑框架，支撑框架上固定连接有圆环换能器，垂直旋转结构固定在竖向支撑板上并驱动支撑框架旋转，从而带动圆环换能器旋转。
12.所述的圆环换能器由楔形陶瓷条、水密环氧层、密封盖板、外部金属圆环组成，楔形陶瓷条镶拼成圆环结构，圆环结构的侧面设有密封盖板，圆环结构外依次套设有水密环氧层和外部金属圆环；工作时，楔形陶瓷条做径向振动，带动水密环氧层和外部金属圆环进行声辐射。
13.所述的垂直旋转结构由横向连接杆、横向转接杆、垂直旋转电机和侧挡板组成，垂直旋转电机通过螺钉与竖向支撑板相连；垂直旋转电机与横向转接杆通过销钉相连，横向转接杆通过轴承与竖向支撑板相连，并保持自由旋转；横向转接杆与横向连接杆通过螺钉相连形成矩形支撑框架，横向连接杆与圆环换能器的密封盖板相连；工作时，垂直旋转电机带动由横向转接杆和横向连接杆组成的支撑框架，进而使圆环换能器在垂直方向实现旋转扫描。
14.所述的水平旋转结构由支撑底座、支撑轴承、水平旋转电机、密封底座、密封板和水密轴承组成，其中，水平旋转电机、密封底座、密封板和水密轴承组成水密电机；水密电机通过密封底座上的螺钉孔与支撑转接板固定；支撑转接板与支撑底座通过支撑轴承相连，并保持水平方向旋转自由；水密电机通过电机转轴与支撑底座相连；支撑转接板与垂直旋转结构中的竖向支撑板通过螺钉相连；水密电机工作时，带动整个支撑转接板水平旋转。
15.所述的密封底座与密封板组成的密封壳体，密封壳体内部充蓖麻油。
16.本实用新型的有益效果为：本实用新型利用圆环换能器自带的低频指向性特征，采用全空间可控扫描的结构，实现：小尺寸、轻重量下换能器高声源级工作；可控的定向辐射方式，减弱混响影响；定向声辐射，减小接收定位难度。
附图说明
17.图1为传统镶拼圆环换能器结构示意图。
18.图2为镶拼圆环换能器轴向与径向发送电压响应曲线示意图。
19.图3为谐振处垂直于径向指向性与垂直于轴向指向性示意图。
20.图4为本实用新型的结构示意图。
21.图5为圆环换能器的结构示意图。
22.图6为图5的a-a剖面示意图。
23.图7为垂直旋转结构主视结构示意图。
24.图8为垂直旋转结构仰视结构示意图。
25.图9为垂直旋转结构立体结构示意图。
26.图10为水平旋转结构主视结构示意图。
27.图11为图10的a-a剖面示意图。
28.附图标记说明：垂直旋转结构1、水平旋转结构2、圆环换能器3、楔形陶瓷条4、水密环氧层5、密封盖板6、外部金属圆环7、横向连接杆8、横向转接杆9、竖向支撑板10、垂直旋转
电机11、侧挡板12、支撑转接板13、水密轴承14、水平旋转电机15、支撑轴承16、支撑底座17、密封底座18、密封板19。
具体实施方式
29.下面将结合附图对本实用新型做详细的介绍：
30.如图4所示，一种全空间扫描式圆环换能器结构，由垂直旋转结构1、水平旋转结构2和圆环换能器3这三部分组成。系统通过圆环换能器3进行声辐射，通过垂直旋转结构1与水平旋转结构2进行全空间扫描。所述的水平旋转结构2安装在支撑转接板13上，用于驱动支撑转接板13水平旋转；支撑转接板13与二块竖向支撑板10固定连接，二块竖向支撑板10之间设置有支撑框架，支撑框架上固定连接有圆环换能器3，垂直旋转结构1固定在竖向支撑板10上并驱动支撑框架旋转，从而带动圆环换能器3旋转。
31.如图5-图6所示，所述的圆环换能器3由楔形陶瓷条4、水密环氧层5、密封盖板6、外部金属圆环7组成，楔形陶瓷条4镶拼成圆环结构，圆环结构的侧面设有密封盖板6，圆环结构外依次套设有水密环氧层5和外部金属圆环7；换能器工作时，楔形陶瓷条4做径向振动，带动水密环氧层5和外部金属圆环7进行声辐射。圆环换能器通过密封盖板6上的矩形安装孔与垂直旋转结构进行组合。
32.如图7-图9所示，所述的垂直旋转结构1由横向连接杆8、横向转接杆9、垂直旋转电机11和侧挡板12组成，垂直旋转电机11通过螺钉与竖向支撑板10相连；垂直旋转电机11与横向转接杆9通过销钉相连，横向转接杆9通过轴承与竖向支撑板10相连，并保持自由旋转；横向转接杆9与横向连接杆8通过螺钉相连形成矩形支撑框架，横向连接杆8与圆环换能器的密封盖板6相连；垂直旋转结构工作时，垂直旋转电机11带动由横向转接杆9和横向连接杆8组成的支撑框架，进而使圆环换能器3在垂直方向实现旋转扫描。
33.如图10-图11所示，所述的水平旋转结构2由支撑底座17、支撑轴承16、水平旋转电机15、密封底座18、密封板19和水密轴承14组成，其中，水平旋转电机15、密封底座18、密封板19和水密轴承14组成水密电机；水密电机通过密封底座18上的螺钉孔与支撑转接板13固定；支撑转接板13与支撑底座17通过支撑轴承16相连，并保持水平方向旋转自由；水密电机通过电机转轴与支撑底座17相连；支撑转接板13与垂直旋转结构中的竖向支撑板10通过螺钉相连。水平旋转电机15工作时，支撑底座17固定，电机带动整个支撑转接板13水平旋转。为了保证电机水下能够正常工作，所述的密封底座18与密封板19组成的密封壳体，密封壳体内部充蓖麻油。
34.本实用新型采用全空间机械扫描的结构形式后，换能器声源级较传统方式提升约14db，增大探测距离；指向性开角约为60
°
，大大减弱水声混响，水面、海底反射对接收阵的影响；指向性发射更有利于目标方位的确定；水平、垂直方向旋转能力，可使得换能器沿不同方向声辐射，适应于深海的多变环境。
35.可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本实用新型的技术方案及实用新型构思加以等同替换或改变都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。