聲發射器的製作方法
2023-07-26 05:18:46
專利名稱：聲發射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於聲發射器的驅動組件。目前的聲發射裝置可以同時作為發射器和接收器，也就是作為聲信號的測量變換器。可以非常有利地應用本發明的聲發射裝置即所謂的聲吶，也就是一種在水下發出聲波，經反射後能被各種類型的水聽器監控的聲發射器。
這是一個熟知的事實，即低頻率的聲波比高頻率的聲波在水下傳送得更遠。長時期以來，不論從軍事觀點上和離岸石油和氣體燃料工業觀點上都十分需要有能在水下操作的強有力低頻聲發射器。長時間以來，市場上已有供應為此目的和用途的各種設計的聲發射器。在1984年11月期的「國際防系統評論」(Defense System Review)第50-55頁上題為「結合稀土合金的聲吶換能器設計」一文中對這種聲發射器已有綜合性的報導。
目前應用的大部分聲發射器都是基於壓電效應或者磁致伸縮現象。如已熟知的，壓電效應就是當一個電壓施加在一種晶體物質的端面時，該晶體物質的長度就會改變，而相應地，當該物質經受形變時就可以得到一個電壓。磁致伸縮現象是一種磁性材料經受磁通量的變化後，其長度就會改變，而相應地，由於外界引起的長度變化就會使磁通量發生變化。這意味著應用了這些效應的發射器，就也能夠在原則上被用途為接收器。
目前存在著各種不同的聲發射器具體實例。在低頻率應用中，它們通常具有帶圓形或橢圓形的斷面的圓柱體形狀。
這種聲發射器最大的問題是如何取得足夠的振蕩振幅。為達到這一目的，或者需要具有大振蕩振幅的大的聲發射器面積或者獲小的聲發射器面積。
採用所謂巨磁致伸縮材料改進了獲得優異聲發射器的條件。以這種材料作為驅動元件，所得到的振幅的變化會達到相當於使用壓電材料或普通的磁性材料的變化100倍之多。採用這種巨磁致伸縮材料的聲發射器在市面上也已銷售了多年。
一種經常遇到的這種實際驅動的實例將詳盡地從一個帶有橢圓截面的圓柱體形聲發射器開始描述。圓柱體形包封體表面由一個彈性的膜體或殼體組成。在圓柱體內並平行於圓柱體的軸線並接觸殼體有兩條棒材。該棒材對殼體施加壓力。該棒材的截面相對於橢圓殼體的短軸是鏡象倒置對稱的，而每個棒材由朝著長軸的端頭並平行於短軸的弦的那部分殼體所限定。在兩條棒材之間並與其平行側面相接觸處，設置有一個取驅動杆形式的電力控制驅動元件。驅動杆的縱向軸與橢圓形截面的長軸相重合，並位於聲發射器端面之間的中央。在應用磁致伸縮現象的實例中，驅動杆用磁性材料，最好是巨磁致伸縮材料製成，其周圍繞有線圈並受到磁化以便保持跟上聲發射器所希望有的頻率。如果使用的是壓電效應，驅動杆就用壓電材料製成。當然，驅動杆可以以其整體，或者也可以以其一部分用一種可以使其長度獲得理想變化的材料製成。
如上所述聲發射器的基本實施例可能在實際的細節上有所不同。一種帶有橢圓截面的圓柱體形，其驅動杆由巨磁致伸縮材料製成的聲發射器，尤其已在美國專利第4，901，293號上公開過，其標題為「稀土彎張換能器」。
瑞典審定專利申請第8901905-3號，「聲發射器之裝置」，也描述了一種帶有橢圓截面的圓柱體形聲發射器。這裡的驅動元件由一個具有對置設置的凹座的主體構成，凹座內插有壓力棒材。該驅動杆本身又固定到壓力棒材上，而該棒材如上面所述的一樣對膜體施加作用力。
本發明包含上面稱之為「驅動元件」的一個基本構思，但在下文中被稱為「驅動標準部件」。至於聲發射器的其它部件，如上面所述的帶有橢圓截面的圓柱體形的設計是其起點。聲發射器有一個彈性膜體或殼體和兩條在長軸端的內部壓力棒材。本發明的驅動標準部件就位於這壓力棒材之間。
驅動標準部件包括一塊磁性材料的板件，其外形如一個線性長方體。在板件內開有多口凹口或窗口，因此在下文中這板件將被稱作「骨架」。該窗口有兩種不同的孔構形，然而，兩者都屬帶圓角的長方體形。
在下面稱作「驅動窗口」的一種窗口構形是這樣成形，使得可以在該窗口中容納由一個或多個驅動單元組成的驅動元件，驅動單元安裝成與長度變化為同一軸線。
在下面稱作「預應力窗口」的另一種窗口構形是這樣成形，使得可以在該窗口中容納一個如下面所述的預應力裝置。預應力裝置包括一個通過擰旋螺絲釘而可動的並位於兩個外部可移動的預應力凸塊之間的楔塊。預應力凸塊朝著楔塊的兩個側邊形成一個相同於楔塊角度的角度。預應力凸塊相對的兩外側邊則為相互平行的平面，當楔塊由螺絲釘的擰旋進入預應力凸塊之間成角度的開口中時，該兩個外側邊互相移動開的方向垂直於楔塊移動的方向。
骨架在其高度方面的尺寸適配成相當於壓力棒材兩個平行內側平面之間的距離，也就是在壓力棒材之間的長軸的長度。骨架的厚度相當於圓柱體形殼體軸向長度。骨架的厚度變化範圍較寬，主要由能在其內容納驅動單元和預應力裝置的窗口的必需尺寸來決定。如下面將描述的，聲發射器的橢圓形端板件是固定在骨架的高/厚的側邊上的。或者，定中骨架，使得其中間平面，也就是處於兩個寬/高側邊之間的中央平面與通過圓柱體形聲發射器的長軸和縱向軸並通過橢圓形截面的中心點的假想平面相重合。從上面所述的可以清楚地看到，骨架的兩條寬/厚側邊是朝著並平行於壓力棒材的平行側平面的。
在骨架內設置兩個驅動窗口和一個位於兩者間的中央處的預應力窗口形成一個縱行，各窗口重合著的中心線平行於橢圓形截面的長軸。骨架可以包含任意數量的這種平行縱行。
根據上述，由一個或多個驅動單元組成的驅動元件放置在兩個驅動窗口內。每個驅動元件都在長度變化的方向上終接在壓力鈕銷上。骨架中有為這些壓力鈕銷而設的隙孔。在壓力棒材上也有用於導引的凹應和供這些從驅動窗口伸出的壓力鈕銷用的平衡支承。在中間的預應力窗口中放置有按上所述的預應力裝置。驅動件的內部壓力鈕銷連接到預應力凸塊平行的外側平面上。
尤其根據上述的「國防系統評論」的論文中已知並適宜對地震波發射器利用包括由例如Terfenol這樣的巨磁致伸縮材料製成的驅動源。為了獲得最佳功能，這種驅動源需要施加機械預應力和偏磁化也已為人們所知。
一種用於本發明驅動標準部件的適宜的驅動源是根據美國專利第4，914，412號公開的「磁路」而設計的驅動單元。這種磁路是意圖用以在軸向上磁化圓柱體形磁性材料，例如一種巨磁致伸縮材料。磁路包括用以偏磁化的一個磁化線圈和多個永久磁鐵以及鐵磁材料的磁迴路導體。
理想的機械預應力藉助於應力窗口內的預應力裝置來獲得。用擰旋螺絲釘將楔塊插入預應力凸塊之間，這預應力凸塊就會通過驅動元件的壓力鈕銷將壓力棒材卡緊在膜體上，從而獲得驅動單元所希望有的機械預應力。這也就意味著骨架能在膜體內自由浮動，而聲發射器的端板可固定在骨架上而不致使端板明顯地影響膜體的振蕩。
所描述的聲發射器實施例的構思，不論在設計、尺寸和聲效應方面帶來很大的自由度，因為每個驅動元件內驅動單元的數量和縱行的數量都可以自由加以選擇。骨架的構思，使得在製造和卷繞膜件時，對固定驅動元件和固定壓力棒材帶來良好的可能性。骨架還用作磁路的磁軛。
以下是結合附圖對本發明一個較佳實施例的描述，其中
圖1顯示一個根據本發明的包括有一個驅動標準部件的、具有橢圓形截面圓柱體形聲發射器。
圖2顯示帶有一個包括在驅動標準部件內的預應力裝置的驅動元件。
圖1顯示了一個聲發射器，其中最好使用了本發明的驅動標準部件。如圖中所示，該聲發射器有一個帶有橢圓形截面的圓柱體形狀。在外面，該聲發射器包括有一個彈性膜體1形式的封皮表面和端板2和3。在膜體的內部並平行於圓柱體的軸線有兩條壓力棒材4和5位於橢圓形截面的長軸的兩端，這與上面所述的現有技術完全相符合。
驅動標準部件包括一個帶有多個窗口的骨架，包括有一個或多個驅動單元的驅動元件和一個由一個楔塊和兩個應力凸塊組成的預應力裝置。
如上所述，骨架6是一個線性長方體形。為了敘述方便起見，下面將結合骨架的高度h，寬度w和厚度t予以描述。骨架安置在膜體內中央處，使之介於兩個高/寬側邊之間的一個中央平面重合於所有長軸的平面。因此骨架的高度h適配成基本上相當於兩個壓力棒材之間的自由距離，也就是說，骨架的寬/厚側邊實際上與壓力棒材料接觸。骨架的寬度w相當於圓柱體形膜體的軸向長度。因此，聲發射器的端板可用螺絲釘7，8，9和10固定在骨架的高/厚側邊上。骨架的厚度t，也就是兩個高/寬側邊之間的距離，基本上是根據安裝驅動元件和預應力裝置的要求以及壓力鈕銷隙孔必要的尺寸的要求而確定的。由於當聲發射的器藉助預應力裝置而處於機械預應力狀態時，骨架漂浮於聲發射器內部，因此，這樣的骨架就不會受到任何明顯的機械應力。所以骨架的高度和寬度基本上取決於為了獲得所要求的聲效應而需要的驅動單元/驅動元件的數目。
上面所述的兩個驅動窗口11和12，如圖中所示，都是帶圓角的長方體形。在其間的中央處為預應力窗口13，也是帶圓角的長方體形。這些窗口有一條共同的中心線，該中心線與橢圓形截面的長軸重合。為了隨後的描述，最好是如前所述的將該兩驅動窗口和中間的預應力窗口說成是形成一個縱行。可以看到根據圖1的地震波發射器包括有5個縱行。如前所述，安置在驅動窗口內的驅動元件具有軸向延伸的壓力鈕銷。提供給這些壓力鈕銷的隙孔14，15，16和17則開設在骨架上，以每個縱行的中心線作為其共同的中心線。
為了對壓力鈕銷的定心和導引，以及其對壓力棒材的平衡支承，如前所述，在壓力棒材料上開有凹座18和19，這些凹座的軸線就是縱行的中心線。
圖2顯示用於插入每個縱行中的帶有一個中間預應力裝置22的兩個驅動元件20和21的設計舉例。驅動元件由一個或多個驅動單元23所組成。當應用多個驅動單元時，將它們安裝成使之具有一個共同的軸向延伸方向。驅動元件具有的壓力鈕銷24和25。預應力裝置由兩個預應力凸塊26和27及一個中間楔塊28所組成。當藉助於一個螺絲釘裝置29將楔塊插進兩個預應力凸塊之間時，驅動元件就卡緊在壓力棒材上。這種螺絲釘裝置以及預應力凸塊的導引可以用各種不同且普通的方式形成，因此就不再詳細敘述了。
所述的基本構思，就其細節而論，可以設計成多種不同方式，但都包括在本發明的範圍之中。除了如已於前面提到的選擇縱行的數目，每個驅動元件的驅動單元和骨架的尺寸之外，例如窗口和將端板連接到骨架的高/厚側邊上也可能是一個不同實施例的問題。預應力裝置的楔塊也可以是錐形體的，這樣，預應力凸塊朝著楔塊的那些面也將是錐形的，其錐削度與楔塊的錐削度應相同。當然驅動標準部件也可用於帶有例如圓形截面的而不是帶有橢圓形截面的圓柱體形聲發射器中。
權利要求
1.一種包括在圓柱體形聲發射器內的驅動標準部件，該聲發射器的殼體設置成彈性膜體(1)，在膜體內帶有徑向對置的壓力棒材(4、5)，其特徵在於該驅動標準部件設置在壓力棒材之間並包括骨架(6)、驅動元件(20、21)和預應力裝置(22)，骨架為磁性材料製成線性長方體形的板，其上有由帶圓角的長方體凹口形成的驅動窗口(11、12)和預應力窗口(13)，兩個驅動窗口連同一個中間預應力窗口形成個具有沿徑向而位於壓力棒材之間一條共同中心線的縱行，骨架具有至少一個縱行，驅動元件設置在驅動窗口內並包括有一個或多個驅動單元(23)，驅動單元可用電或磁控制並使之伸縮，驅動元件沿伸縮方向的端頭設置成壓力鈕銷(24、25)，在骨架上提供以供這些壓力鈕銷的從預應力窗口朝著壓力棒材和朝著中間預應力窗口而設置的隙孔(14、15、16、17)，該隙孔的中心線與縱行的各窗口的中心線相同，預應力裝置設置在預應力窗口內，它包括兩個預應力凸塊(26、27)，其朝外的面與驅動元件朝內的壓力鈕銷相接觸，其相面對的面則貼合在中間楔塊的面(28)上，楔塊配有螺絲釘裝置(29)，利用這螺絲釘裝置可以使楔塊移入預應力凸塊之間，從而使朝向壓力棒材的驅動元件的那些壓力鈕銷與壓力棒材上的凹座(18、19)相接觸。
2.如權利要求1的所述的驅動標準部件，其特徵在於該驅動標準部件包括在帶橢圓形截面的聲發射器內。
3.如權利要求1所述的驅動標準部件，其特徵在於該驅動標準部件包括在帶圓形截面的聲發射器內。
4.如權利要求1所述的驅動標準部件，其特徵在於一個驅動單元包括一個通過一塊永久磁鐵偏磁化的磁路，該磁路有一個由巨磁致伸縮材料製成的磁芯。
5.如權利要求1所述的驅動標準部件，其特徵在於一個驅動單元包括一個壓電元件。
6.如權利要求1所述的驅動標準部件，其特徵在於預應力凸塊安排成其相面對的平面相互形成一個相當於一個中間平面楔形的楔角的角度。
7.如權利要求1所述的包括驅動標準部件，其特徵在於楔塊呈錐體形狀，而面向該楔塊的預應力凸塊的那些面與楔塊錐體形狀相配合。
8.職權利要求1所述的驅動標準部件，其特徵在於聲發射器的端板(2，3)固定在驅動標準部件上。
全文摘要
一種用於聲發射器的驅動標準部件包括一個帶有用於容納驅動元件(20)和預應力裝置(22)的窗口的由磁性材料製成的骨架。兩個帶有驅動元件的窗口和一個帶有一個預應力裝置的中間窗口形成一個縱行，該縱行利用驅動元件上的壓力鈕銷(24)和骨架上的隙孔(14)將位於聲發射器內的壓力棒材(4)卡緊在聲發射器的殼體(1)上。驅動標準部件可以包括多個縱行。
文檔編號H04R15/00GK1060192SQ9110936
公開日1992年4月8日 申請日期1991年9月24日 優先權日1990年9月28日
發明者G·莫隆德, R·滕漢姆, M·策特隆德 申請人:Abb·原子有限公司