一種低頻寬帶Helmholtz水聲換能器的製作方法

2023-12-08 23:06:26

本發明涉及的是一種水聲領域的換能裝置，具體涉及利用ⅲ型彎張換能器激勵的一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器。

背景技術：

在遠程水聲通信、基於聲學手段的海洋環境監測等技術領域，需要一種低頻、大功率、寬帶水聲換能器發射聲波。受到換能器搭載平臺的限制，水聲換能器的體積和重量是很重要的設計參數。使用者總是希望水聲換能器體積小重量輕，並且能低頻、大功率、寬帶工作，這就為水聲換能器設計技術提出了挑戰。主要的挑戰來源於以下幾點：

一是小體積與低頻發射互為矛盾。傳統的利用縱振動、圓環徑向振動的壓電水聲換能器諧振頻率與尺寸成反比，即所需頻率越低則尺寸越大。以縱振動換能器為例，諧振頻率1000hz則換能器長度一般超過1米，這種尺寸及帶來的重量在水聲換能器應用中是無法接受的。

二是小體積低頻與大功率發射也是互為矛盾的。由於低頻時輻射阻很低，導致低頻時的輻射聲功率難以提升。若想實現低頻大功率發射，只有增加輻射面積，而這樣又增加了聲源的體積重量。

總之，利用傳統的換能器結構形式，同時實現小尺寸、低頻和大功率發射是困難的。

目前，彎張振動模態和液腔振動模態常被用於低頻大功率水聲換能器中。主要原因在於：利用彎張振動模態的彎張換能器殼體具有位移放大作用，可以在輻射面積一定的情況下獲得更大的體積位移，從而以小體積實現較大功率的聲發射，同時彎張振動模態具有比縱振動及圓環徑向振動更大的等效順性，因此相同尺寸下其諧振頻率更低，helmholtz共振腔的液腔振動利用了腔內流體的體積模量遠小於結構振動的彈性模量這一優勢，因此液腔的諧振頻率遠低於同尺寸下的結構振動諧振頻率。此外，液腔振動的機械品質因數大，電聲轉換效率高，因此具有較強的聲輻射能力。但是，上述兩種振動模態的帶寬較窄，單獨使用一種模態難以實現寬帶發射。

本發明提出的設計為在ⅲ型彎張換能器外側設置helmholtz共振腔，利用彎張振動模態激勵出液腔振動模態，兩個低頻振動耦合可以實現換能器低頻寬帶發射，同時保留了兩者小尺寸、低頻大功率發射的優點。因此換能器同時兼具了小尺寸、低頻、大功率、寬帶發射的特點。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供兼具小尺寸、低頻、大功率、寬帶發射等特點的一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器。

本發明的目的是這樣實現的：

本發明一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器，包括ⅲ型彎張換能器、水密電纜頭(1)、上圓柱殼(2)、下圓柱殼(4)及螺杆(3)組成，其特徵在於：所述的ⅲ型彎張換能器包括上蓋板(5)、上質量塊(6)、凹筒形輻射板(7)、壓電陶瓷堆(8)、預應力螺杆(9)、下質量塊(10)組成；所述上圓柱殼(2)與下圓柱殼(4)分別設置在ⅲ型彎張換能器兩端並通過螺杆(3)連接，兩個圓柱殼體與ⅲ型彎張換能器為非剛性連接並構成同軸嵌套結構；所述上圓柱殼(2)與下圓柱殼(4)之間留有一定距離，形成液腔振動的輻射口；兩個圓柱殼體與ⅲ型彎張換能器中的凹筒形輻射板(7)構成helmholtz共振腔。

本發明還可以包括：

所述一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器，所述的上圓柱殼(2)與下圓柱殼(4)採用不鏽鋼金屬材料製成；所述的上圓柱殼(2)與上質量塊(6)之間、下圓柱殼(4)與下質量塊(10)之間均有隔振橡膠圈(11)；所述上圓柱殼(2)與下圓柱殼(4)均設有定位圈，用於固定ⅲ型彎張換能器與圓柱殼體的相對位置。

所述的ⅲ型彎張換能器中的壓電陶瓷堆(8)，壓電陶瓷堆(8)由n片壓電陶瓷片粘接而成，n為壓電陶瓷片沿厚度方向極化，每兩片陶瓷片之間設有電極片，壓電陶瓷片在電路上採用並聯；所述的壓電陶瓷堆(8)與ⅲ型彎張換能器的外側均包覆有水密橡膠層(13)。

所述的壓電陶瓷堆(8)為稀土超磁致伸縮材料製成的圓棒，圓棒外圍纏繞一組激勵線圈，激勵線圈封閉在高磁導率材料製成的閉合迴路裡。

所述的ⅲ型彎張換能器中的預應力螺杆(9)，預應力螺杆(9)上端由上質量塊(6)的中心圓孔插入，貫穿壓電陶瓷堆(8)，末端螺紋與下質量塊(10)的螺紋擰緊。

所述的ⅲ型彎張換能器中的上蓋板(5)，上蓋板(5)設有螺紋孔與上質量塊(6)連接。

所述的ⅲ型彎張換能器中的上質量塊(6)，質量塊(6)頂部設置水密槽，底部設有一個或兩個通孔。

所述的ⅲ型彎張換能器中凹筒形輻射板(7)，凹筒形輻射板(7)的兩端通過螺栓固定在上質量塊(6)及下質量塊(10)上；凹筒形輻射板(7)間留有縫隙；凹筒形輻射板(7)的數量可根據ⅲ型彎張換能器體積大小進行調整。

所述的螺杆(3)採用不鏽鋼金屬材料，連接上下兩個圓柱形殼體；螺杆(3)的尺寸與數量依據換能器整體尺寸、重量及殼體大小確定，螺杆(3)沿圓柱殼腔體外側周向均布。

本發明的有益效果在於：

本發明提供了一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器，利用兩個圓柱殼體與ⅲ型彎張換能器凹筒形輻射板形成helmholtz共振腔，使換能器兼具小尺寸、低頻、大功率、寬帶發射等特點；

本發明克服了傳統的helmholtz換能器工作帶寬窄的缺點，同時利用helmholtz共振腔的液腔振動與ⅲ型彎張換能器彎曲振動耦合實現了寬帶發射；

本發明利用了液腔振動和彎曲振動諧振頻率低的優點，實現了小尺寸低頻發射；

本發明可應用於低頻主動聲納、遠程水聲通信、低頻水聲實驗、海洋聲層析等領域。

附圖說明

圖1為本發明一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器示意圖。

圖2為本發明一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器剖視圖。

圖3為本發明一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器拓展工作頻帶示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步描述。

結合圖1所示，本發明的第一種實施方式提供的一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器，包括ⅲ型彎張換能器、水密電纜頭1、上圓柱殼2、螺杆3及下圓柱殼4組成。

結合圖2所示，ⅲ型彎張換能器各部分包括上蓋板5、質量塊6、凹筒形輻射板7、壓電陶瓷堆8、預應力螺杆9、下質量塊10，隔振橡膠圈11、螺栓12及水密橡膠層13。

本實施方式的結構為同軸嵌套結構，所述的上圓柱殼2與下圓柱殼4分別設置在ⅲ型彎張換能器兩端並通過螺杆3連接，兩個圓柱殼體與ⅲ型彎張換能器為非剛性連接；所述上圓柱殼2與下圓柱殼4之間留有一定距離，形成液腔振動的輻射口；兩個圓柱殼體與ⅲ型彎張換能器中的凹筒形輻射板7構成helmholtz共振腔。

本實施方案中壓電陶瓷堆8由n片(n為≥2為的偶數)壓電陶瓷片粘接而成，壓電陶瓷片沿厚度方向極化，每相鄰的兩片壓電陶瓷片極化方向相反。每兩片陶瓷片之間設有電極片，壓電陶瓷片在電路上採用並聯。

本實施方案中壓電陶瓷堆通過預應力螺杆9與上、下質量塊連接，預應力螺杆9由上質量塊6的中心圓孔插入，貫穿壓電陶瓷堆8，末端螺紋與下質量塊10的螺紋擰緊；所述的壓電陶瓷堆8可由稀土超磁致伸縮材料製成的圓棒替代，圓棒外圍纏繞一組激勵線圈，線圈封閉在純鐵等高磁導率材料製成的閉合迴路中。

本發明的具體實現過程包括：

所述的上質量塊6和下質量塊10由金屬材料加工成圓柱形，中間設置螺紋通孔，以便安裝預應力螺杆9。為方便安裝上圓柱殼2和下圓柱殼4通過定位圈14固定位置，兩者之間通過螺杆3連接，軸向夾緊ⅲ型彎張換能器，圓柱殼體與ⅲ型彎張換能器之間設有隔振橡膠圈11。圓柱形殼體與螺杆3材質為剛度較大金屬如不鏽鋼或鈦合金等。

所述的壓電陶瓷堆8由n片(n為≥2為的偶數)壓電陶瓷片粘接而成，壓電陶瓷片沿厚度方向極化，每相鄰的兩片壓電陶瓷片極化方向相反。每兩片陶瓷片之間設有電極片，壓電陶瓷片在電路上採用並聯。

所述的壓電陶瓷堆8與ⅲ型彎張換能器的外側均包覆有水密橡膠層13。

所述的上蓋板5設有螺紋孔以便於同上質量塊6連接。上質量塊6頂部設置水密槽，底部設有一個或兩個通孔以便引出電纜。

所述的凹筒形輻射板7兩端通過螺栓固定在上質量塊6及下質量塊10上，輻射板間留有縫隙。凹筒形輻射板7的數量可根據ⅲ型彎張換能器體積大小進行調整。

結合圖3所示，本發明中的一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器拓展工作頻帶示意圖。該曲線表示的為低頻寬帶helmholtz水聲換能器的頻響曲線，所述的兩個圓柱殼體與ⅲ型彎張換能器凹筒形輻射板7形成helmholtz共振腔，換能器工作時，壓電陶瓷堆8上施加交變電壓，壓電陶瓷在交變電場的激勵下產生縱向伸縮振動，引起凹筒形輻射板7產生彎曲振動。彎曲振動驅動helmholtz共振腔的流體產生液腔振動，當交變信號頻率達到helmholtz共振腔的諧振頻率時，聲壓頻響曲線出現第一個極大值，當交變信號頻率達到ⅲ型彎張換能器的彎曲振動諧振頻率時，聲壓頻響曲線出現第二個極大值。

最後應說明的是，以上實例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。