专利名称：一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器的制作方法
技术领域：
本发明属于声学传感器领域，具体地说，本发明涉及一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器。
背景技术：
复合棒式换能器是目前水声和超声行业应用比较广泛的一种换能器形式，它通常 应用在几千赫兹到几十千赫兹的频率范围。复合棒式换能器的驱动材料可分为压电材料 和稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)。几十年来，绝大多数的复合棒式换能器都是由压电 材料制成的，压电材料的优点是具有较高的机电耦合系数、高频介电损失相对较小、成本低 廉、制备容易等。与压电材料相比，稀土超磁致伸缩材料具有更优异的特性，如较大的应变 值、更大的能量密度、较低的声速、无过热失效的特性等。目前，稀土超磁致伸缩材料已经在低频大功率水声换能器、大功率执行器等方面 得到了较多的应用。本发明人在专利“CN200610065104. 6”中公开了一种超低频水声换能 器，该换能器的每个驱动单元中使用了一根整体的稀土超磁致伸缩材料棒并在该棒的两端 粘贴了一圆片状的稀土永磁体，但由于稀土超磁致伸缩材料最大的缺点是在高频段工作时 的涡流损耗比较大、效率较低，这极大的限制了其在超声频段的应用。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有的稀土超磁致伸缩材料只能应用在低频大功率水声换能器种，从而提出一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器。。本发明在换能器的设计中采用了一种全新形式的静态偏磁场施加方式和一种全新的稀土材料布放结构。为达到上述发明目的，本发明提供一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，该换 能器包括前辐射头、后辐射头、预应力螺钉、稀土超磁致伸缩材料、永磁体和线圈架及导 线，其特征在于，所述永磁体呈中空的圆管；所述稀土超磁致伸缩材料为若干长度相同的 Terfenol-D圆棒，所述的圆棒沿永磁体的外圆周周向且同轴均勻布放，且圆棒与永磁体之 间留有间隙。作为本发明的一个改进，所述的换能器还包含两个圆片状的导磁纯铁片；所述的 两个导磁纯铁片分别设置在稀土超磁致伸缩材料的上端和前辐射头之间、及下端和后辐射 头之间。所述的导磁纯铁片采用径向开缝，径向开缝的长度是半径的四分之三，即沿径向均 勻分别若干不切透的缝隙。上述技术方案，所述的永磁体的长度小于圆棒的长度。上述技术方案，所述的换能器由预应力螺钉穿心紧固并提供预应力。上述技术方案，所述的线圈架及导线设置在两片导磁纯铁片之间。上述技术方案，所述前辐射头1采用轻金属材料制成，通常情况下选用铝合金、铝 镁合金和钛合金等；所述后辐射头7采用重金属材料制作，通常情况下选用钢或铜材料。所述的换能器各连接构件间采用环氧树脂类粘接剂粘接。所述的永磁体采用铷铁硼材料加工 并经过充分磁化后制作而成。上述技术方案中，所述永磁体4为圆管状，中间孔内可穿过预 应力螺钉2 ；所述Terfenol-D棒5加工成直径较小的圆棒，均勻分布在永磁体4的圆周方 向，Terfenol-D棒5与永磁体4不直接接触，永磁体4的长度小于Terfenol-D棒5。上述技术方案中，线圈架及导线6的中心有若干圆孔，Terfenol-D棒5与永磁体4 布放其中，线圈架基体起定位、支撑的作用。上述技术方案中，所述前辐射头1、导磁纯铁片3、永磁体4和后辐射头7的中心均 加工有孔，预应力螺钉2从孔中穿过并使上述零件相互间固定，同时为Terfenol-D棒5提 供机械预应力。上述技术方案中，本发明在换能器的设计中采用了一种全新形式的静态偏磁场施 加方式和一种全新的稀土材料布放结构。本发明采用的永磁体4是为Terfenol-D棒提供静 态偏置磁场，将其制作成圆管状并置于稀土超磁致伸缩材料内部，在Terfenol-D棒的两端 面各放置一导磁纯铁片，这样的结构使得Terfenol-D棒中的静态偏置磁场更均勻，有利于 提高稀土超磁致伸缩材料的工作效率。本发明还针对大尺寸规格的Terfenol-D棒内的高 频涡流损失较大、效率较低的缺点，将经常应用的大尺寸Terfenol-D棒分解成若干较小尺 寸的Terfenol-D棒，均勻分布在永磁体的周围，这样的结构形式和布放方式有效地抑制了 高频涡流的产生，大大提高了 Terfenol-D棒驱动的复合棒式换能器在高频段的工作效率。本发明提供一种由稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)驱动的、工作在超声频段 的复合棒式换能器，在此换能器的设计中采用了一种全新形式的静态偏磁场施加方式和一 种全新的稀土材料布放结构。本发明优点在于，可以有效的克服稀土超磁致伸缩材料在高 频段工作时的涡流损耗比较大、效率较低的缺点，在工程实际中具有较大的应用价值。
图1是本发明提供的换能器结构示意图；图2是本发明提供的永磁体与八根Terfenol-D棒分布示意图。附图标志1、前辐射头 2、预应力螺钉3、导磁纯铁片4、永磁体 5、稀土超磁致伸缩材料 6、线圈架及导线7、后辐射头
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步地描述。实施例1如图1所示，换能器的前辐射头1用硬铝材料加工成锥台形状，后辐射头7用黄铜材料加工成圆柱形状。Terfenol-D棒5为直径4mm的圆柱棒，其两端平面各与一圆片状导 磁纯铁片3相连接，导磁纯铁片3分别与前、后辐射头相连接，换能器的整体结构由预应力 螺钉2穿心紧固并提供机械预应力。线圈架及导线6安装在两片导磁纯铁片3之间，线圈 架与导线6与导磁纯铁片3、Terfenol-D棒5和永磁体4在机械上均采用间隙配合，目的是 使线圈架和导线6与其他结构件不产生刚性连接，从而不影响换能器的结构振动。
所述的永磁体4是由铷铁硼材料加工成圆管形状并充分磁化后制成的。如图2所 示，永磁体4布放在线圈架6的中心，预应力螺杆2从永磁体4的中心孔穿过。在永磁体4 的圆周方向均勻分布八根Terfenol-D棒5，由线圈架6作为结构支撑和定位，Terfenol-D 棒5与永磁体4不接触。八根Terfenol-D棒5的长度尺寸尽量保持一致并要大于永磁体 4的长度1mm，目的是当对换能器整体结构施加机械预应力时，永磁体4不受到预应力的作 用，而保证每根Terfenol-D棒5在长度方向的机械预应力近似相等。圆片形导磁纯铁片 3在结构中是起导磁作用，即永磁体4产生的静态磁场能够通过导磁纯铁片3顺利过渡到 Terfenol-D棒5的两端面，保证Terfenol-D棒内静态磁场的均勻。由于在工作时，导磁纯 铁片3中同样会产生高频涡流，所以使用的导磁纯铁片3应做开缝处理，即沿导磁纯铁片的 径向每隔15度角加工一 0. 2mm的缝隙，开缝时不能沿着半径方向完全切透，开缝的长度是 半径的四分之三。为了使各结构件间(不包括线圈架及导线6)具有较好的机械耦合并能 够顺利传递Terfenol-D棒5的激励力，各结构件间应使用环氧树脂类粘接剂粘接。本发明为一种由稀土超磁致伸缩材料驱动的复合棒式换能器，当换能器工作时， 导线6通电后产生交变磁场，八根Terfenol-D棒5在交变磁场和永磁体4提供的静态偏 磁场作用下，产生磁致伸缩振动，并通过导磁纯铁片3的机械耦合带动了前、后辐射头的振 动，实现了换能器的声辐射。在此换能器的设计中，通过结构上的创新，改变了 Terfenol-D 棒的布放方式，将原来一根大尺寸规格的Terfenol-D棒分解为多根分布式布放的小尺寸 的Terfenol-D棒，大大减小了高频涡流的产生，提高了换能器的工作效率。同时，结构中还 改变了 Terfenol-D棒静态偏磁场的施加方式，并在Terfenol-D棒的两端面各放置一导磁 纯铁片，这样的处理使得Terfenol-D棒中的静态偏磁场更加均勻，提高了 Terfenol-D棒的 工作效率。通过以上的创新设计，很大程度上解决了稀土超磁致伸缩材料在高频应用中所 遇到的问题，拓宽了稀土超磁致伸缩材料在工程应用的频率范围。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。
权利要求
一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，该换能器包括前辐射头、后辐射头、预应力螺钉、稀土超磁致伸缩材料、永磁体和线圈架及导线，其特征在于，所述永磁体呈中空的圆管；所述稀土超磁致伸缩材料为若干长度相同的Terfenol-D圆棒，所述的圆棒沿永磁体的外圆周周向均匀布放，且圆棒与永磁体之间留有间隙。
2.根据权利要求1所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的永磁 体的长度小于圆棒的长度。
3.根据权利要求1所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的预应 力螺钉同轴放置在永磁体的内部且与永磁体之间留有间隙，所述的换能器由预应力螺钉穿 心紧固并提供预应力。
4.根据权利要求1所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的换能 器还包含两个圆片状的导磁纯铁片；所述的两个导磁纯铁片分别设置在稀土超磁致伸缩材料的上端和前辐射头之间、及下 端和后辐射头之间。
5.根据权利要求4所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的导磁 纯铁片采用径向开缝，径向开缝的长度是半径的四分之三。
6.根据权利要求1或4所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的线 圈架及导线设置在两片导磁纯铁片之间。
7.根据权利要求1所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的换能 器各连接构件间采用环氧树脂类粘接剂粘接。
8.根据权利要求1所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的前辐 射头采用硬铝材料制成，后辐射头采用黄铜材料制成。
9.按权利要求1所述的稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，其特征在于，所述的永磁体 采用铷铁硼材料加工并经过充分磁化后制作而成。
全文摘要
本发明提出一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，该换能器包括前辐射头、后辐射头、预应力螺钉、稀土超磁致伸缩材料、永磁体和线圈架及导线，其特征在于，所述永磁体呈中空的圆管；所述稀土超磁致伸缩材料为若干长度相同的Terfenol-D圆棒，所述的圆棒沿永磁体的外圆周周向均匀布放，且圆棒与永磁体之间留有间隙。所述的换能器还包含两个圆片状的导磁纯铁片；所述的两个导磁纯铁片分别设置在稀土超磁致伸缩材料的上端和前辐射头之间、及下端和后辐射头之间。所述的导磁纯铁片采用径向开缝，径向开缝的长度是半径的四分之三。本发明有效克服稀土超磁致伸缩材料在高频段工作时的涡流损耗大、效率低的缺点。
文档编号G10K9/128GK101847403SQ201010154938
公开日2010年9月29日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者刘永平, 莫喜平 申请人:中国科学院声学研究所