CN101964185B

CN101964185B - 一种超宽带水声换能器

Info

Publication number: CN101964185B
Application number: CN 201010270641
Authority: CN
Inventors: 陈思; 兰宇
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: CN101964185A

Abstract

本发明提供的是一种超宽带水声换能器。包括弧形梁、U型梁、过渡块和驱动元件；所述弧形梁为截面为椭圆弧的柱壳；所述U型梁为U型曲线的平移体；由所述的弧形梁和U型梁连接构成弯张壳体，弯张壳体的两端面用盖板封闭；所述驱动元件和过渡块组成振子装配体，振子装配体置于弯张壳体内，并与U型梁内壁刚性连接。本发明具有频率低、功率大、结构紧凑、尺寸重量小的特点。可应用于水声探测、对抗、通讯、测量以及海洋资源勘探等领域。

Description

一种超宽带水声换能器

技术领域

本发明涉及的是一种声学传感器，具体地说是一种超宽带水声换能器。

背景技术

水声换能器是实现水下电声能量转化的器件。随着现代声纳技术的飞速发展和水声学应用范围的不断扩大，对水声换能器及换能器阵列提出了越来越高的要求。目前，低频、大功率、小尺寸、宽频带的发射换能器是水声换能器研究的主要方向。随着水声信号处理技术的迅速发展，需要从水声换能器获取更多的信息，宽频带这一换能器技术指标显得越来越重要，在诸如合成孔径声纳，图像声纳以及水声通讯、水声对抗等应用领域，均需要发射换能器具有较宽的频带。

目前，广泛应用的宽频带水声发射换能器主要有纵振式换能器、圆管换能器等。它们实现宽带发射的方法主要是利用多模态振动耦合。对于纵振式换能器，其经典的拓展带宽的方法有：纵振动—弯曲振动耦合、匹配层、双激励、单侧激励等；对于圆管换能器，主要利用其径向振动与液腔谐振、径向振动与长度振动耦合等方法以拓展频带。但上述类型的换能器在低频工作时均存在尺寸重量大、制造和布放困难等不足。

Ⅳ型弯张换能器是水声领域一种典型的低频、大功率、小尺寸换能器，其壳体通常为一椭圆管(William J.Toulis Flexual-extensional Electromechanical TransducerU.S.Patent No.3,277,433 1966)，驱动元件沿椭圆管的长轴方向紧密安装于壳体内部，利用其纵向伸缩振动激励壳体作弯曲振动，耦合成弯曲伸张振动模式，其结构示意图如图1所示。由于弯张换能器利用了杠杆原理，具有振幅放大效应，椭圆管短轴方向的位移通常为长轴的2-4倍，因此可以辐射出较大的声功率；且其声辐射主要是利用壳体的一阶弯曲振动，因此在低频发射时具有尺寸小、重量轻的特点。但由于其机械品质因数Q_m较高(Q_m＝f_r/Δf，f_r为谐振频率，Δf为带宽)，带宽并不宽，使其应用受到了一定的限制。

Ⅳ型弯张换能器在高于弯曲基频的频段内存在高阶弯曲振动。但若想通过多模态耦合的原理，直接利用一阶、二阶弯曲振动之间的振动耦合拓展频带则存在很大困难。原因在于：Ⅳ型弯张换能器的二阶弯曲振动在壳体的辐射面上存在很强的振动反相，相位相反的壳体振动使得换能器有效的体积位移大大减小，声辐射效率迅速下降，体现在其性能上就是发送电压响应曲线上在一阶二阶弯曲振动之间出现很深的凹谷。通常一阶弯曲振动的谐振峰同响应凹谷之间的起伏在20dB以上，换能器很难直接利用一阶、二阶弯曲振动之间的耦合形成宽带。

通常的Ⅳ型弯张换能器在高于二阶弯曲振动的频段存在一种膜振动模态。换能器工作在这一模态频率附近时壳体表面振动的相位一致性较好、等效辐射面较大，辐射阻较大，因此可以辐射出较大的声功率。但由于膜振动模态的频率较高，且很难通过换能器结构尺寸的调整加以控制，因此也难以产生对换能器宽带性能有益的贡献。

发明内容

本发明的目的在于提供一种频率低、功率大、结构紧凑、尺寸重量小的超宽带水声换能器。

本发明的目的是这样实现的：

包括弧形梁、U型梁、过渡块和驱动元件；所述弧形梁为截面为椭圆弧的柱壳；所述U型梁为U型曲线的平移体；由所述的弧形梁和U型梁连接构成弯张壳体，弯张壳体的两端面用盖板封闭；所述驱动元件和过渡块组成振子装配体，振子装配体置于弯张壳体内，并与U型梁内壁刚性连接。

本发明还可以包括：

1、所述振子装配体的纵向尺寸大于两个U型梁底部之间的距离，通过预先使弯张壳体产生变形、利用增加两个U型梁底部之间的距离所产生的压力使振子装配体固定于换能器U型梁之间。

2、所述驱动元件包括偶数片压电单晶片粘接而成的压电单晶堆，单晶片在电路上采用并联连接。

3、所述驱动元件包括偶数片压电陶瓷片粘接而成的压电陶瓷堆，陶瓷片在电路上采用并联连接。

4、所述驱动元件包括稀土超磁致伸缩棒，稀土超磁致伸缩棒外面套有线圈骨架，线圈骨架上绕有线圈，在稀土超磁致伸缩棒两端各安放一片永磁片。

5、所述弧形梁、U型梁、过渡块、盖板采用不锈钢、钢、钛合金、铝合金、玻璃纤维或碳纤维制成。

本发明的工作原理是：

本发明的超宽带水声换能器是利用多模态耦合的原理设计的一种弯张式换能器。

本发明的换能器采用弧形梁和U型梁连接构成弯张壳体，相当于增加了传统椭圆柱型弯张壳体长轴方向的尺寸，从而降低了弯张换能器膜振动模态的频率，利用换能器的一阶弯曲振动、膜振动、二阶弯曲振动之间的振动耦合实现换能器的超宽带发射。

本发明的优点在于：

1、本发明的超宽带水声换能器提供了一种弧形梁和U型梁连接构成弯张壳体的新型换能器结构形式。U型梁的加入相当于增加了Ⅳ型弯张换能器椭圆柱型壳体长轴方向的尺寸，降低了弯张换能器膜振动模态的谐振频率——对换能器膜振动模态的控制可以主要通过对U型梁结构参数的调整来实现，而U型梁的尺寸对一阶、二阶弯曲振动的影响相对较小——利用膜振动的振动相位一致性好的特点来“弥补”传统Ⅳ型弯张换能器发送电压响应曲线上一阶二阶弯曲振动之间出现的深谷，降低了换能器在整个频带内的响应起伏，从而实现弯张换能器的超宽带发射。

2、本发明的超宽带水声换能器采用了弯张换能器的基本原理，因此具有低频、大功率、尺寸重量小的优点。

3、本发明的超宽带水声换能器壳体为封闭曲线的平移体，结构简单紧凑，易于实现。

本发明的超宽带水声换能器可应用于水声探测、对抗、通讯、测量以及海洋资源勘探等领域。

附图说明

图1是Ⅳ型弯张换能器结构示意图；

图2是本发明用压电单晶做驱动元件的超宽带水声换能器的结构示意图；

图3是本发明用压电单晶做驱动元件的晶片连线示意图；

图4是本发明的超宽带水声换能器整体外形的等轴测视图；

图5是本发明用压电单晶做驱动元件的超宽带水声换能器的发送电压响应测试曲线；

图6是本发明用稀土超磁致伸缩棒做驱动元件的超宽带水声换能器的结构示意图。

具体实施方式

本发明的超宽带换能器采用了弧形梁和U型梁连接而成的弯张壳体，相当于增加了椭圆柱型弯张壳体长轴方向的尺寸，使得可以通过对换能器壳体结构尺寸的设计相对独立的控制膜振动模态的谐振频率，而使一阶、二阶弯曲振动的模态频率相对固定——这是本发明实现宽带的关键——从而利用换能器的一阶弯曲振动、膜振动、二阶弯曲振动之间的耦合振动实现换能器的超宽带发射。

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

实施例1

参考图2、图3、图4，制作一本发明的超宽带水声换能器，该水声换能器由两个弧形梁1、两个U型梁2连接构成弯张壳体，均采用铝合金材料加工制作。本实施例的超宽带水声换能器的总长度约为144mm。

本实施例的驱动元件5采用圆形压电单晶铌镁酸铅—钛酸铅(PMNT69/31)晶片制作，晶片尺寸为Φ16m×3mm。每18片晶片为一组驱动元件，压电晶堆采用并联连接，接线如图3所示。压电晶片之间夹以金属薄片，以焊接引线，金属薄片的尺寸为Φ16m×0.1mm，采用黄铜材料制作。用环氧树脂将压电晶片与金属薄片相间逐一粘接构成驱动元件，本实施例的驱动元件共有两组。

驱动元件和过渡块4组成振子装配体，过渡块4采用铝合金制作。振子装配体的纵向尺寸要大于换能器两个U型梁底部3之间的距离，本实施例的振子装配体的纵向尺寸比换能器两个U型梁底部之间的距离大0.3mm。在装配换能器时，通过对两个弧形梁1的顶点施加压力，增大U型梁底部之间的距离使之大于振子装配体的纵向尺寸，将装配体置于两个U型梁底部之间并释放压力，此时通过预应力将装配体固定在换能器两个U型梁之间，并与换能器壳体刚性连接。

换能器采用盖板6封闭，盖板6与换能器壳体之间加入垫板7以起到密封和隔振的作用。盖板6通过分布在换能器壳体外侧的螺纹杆8和螺母9紧固于换能器壳体两端，使换能器内部形成封闭空气腔。盖板6上装配有电缆头10。本实施例的垫板7采用硅胶板，厚度为5mm，盖板6采用铝合金材料，螺纹杆8采用不锈钢材料制作。

换能器工作时，通过电缆11对压电晶堆5施加交流电载荷，由于晶片具有压电效应，使得整体压电晶堆产生纵向伸缩振动，通过驱动元件与壳体的机械耦合，在不同的频率范围内激发出壳体不同的振动模式，利用多种振动模态的耦合实现换能器的宽带发射。换能器的发送电压响应测试曲线如图5所示。发送电压响应是指发射换能器在某频率下，在指定方向上的远场中，离其等效声中心某参考距离处的声压和该参考距离的乘积与加到输入电端的电压的比值。图5中，第一阶谐振峰12由换能器的一阶弯曲振动产生，谐振频率约为2kHz；第二阶谐振峰14由换能器的膜振动产生，谐振频率约为5kHz；第三阶谐振峰13由换能器的二阶弯曲振动产生，谐振频率约为10.2kHz。在1.6kHz-16kHz的频率范围内，换能器的最大发送电压响应136dB(参考级0dB：1μPa/V，1m处)，响应起伏7.8dB，带宽达到3个倍频程以上，可以实现换能器的超宽带发射。

实施例2

如图6所示，本实施例的驱动元件采用稀土超磁致伸缩棒18，外面套有线圈骨架16，线圈骨架16上绕有线圈15，在稀土超磁致伸缩棒18两端各安放一片永磁片17。稀土超磁致伸缩棒18、永磁片17和过渡块4构成振子装配体。本实施例的换能器装配过程与实施例1相同。

换能器工作时，稀土超磁致伸缩棒18在永磁片17提供的静态偏置磁场和线圈15通电后产生的动态驱动磁场的联合作用下产生磁致伸缩振动，通过驱动元件与壳体的机械耦合，在不同的频率范围内激发出壳体不同的振动模式，利用多种振动模态的耦合实现换能器的宽带发射。

本实施例的其余部分与实施例1相同。

Claims

1.一种超宽带水声换能器，包括弧形梁、U型梁、过渡块和驱动元件；其特征是：所述弧形梁为截面为椭圆弧的柱壳；所述U型梁为U型曲线的平移体；由所述的弧形梁和U型梁连接构成弯张壳体，弯张壳体的两端面用盖板封闭；所述驱动元件和过渡块组成振子装配体，振子装配体置于弯张壳体内，并与U型梁内壁刚性连接；所述振子装配体的纵向尺寸大于两个U型梁底部之间的距离，通过预先使弯张壳体产生变形、利用增加两个U型梁底部之间的距离所产生的压力使振子装配体固定于换能器U型梁之间。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带水声换能器，其特征是：所述驱动元件包括偶数片压电单晶片粘接而成的压电单晶堆，单晶片在电路上采用并联连接。

3.根据权利要求1所述的一种超宽带水声换能器，其特征是：所述驱动元件包括偶数片压电陶瓷片粘接而成的压电陶瓷堆，陶瓷片在电路上采用并联连接。

4.根据权利要求1所述的一种超宽带水声换能器，其特征是：所述驱动元件包括稀土超磁致伸缩棒，稀土超磁致伸缩棒外面套有线圈骨架，线圈骨架上绕有线圈，在稀土超磁致伸缩棒两端各安放一片永磁片。

5.根据权利要求1-4任何一项所述的一种超宽带水声换能器，其特征是：所述弧形梁、U型梁、过渡块、盖板采用不锈钢、钛合金、铝合金、玻璃纤维或碳纤维制成。