CN115532570A - 一种深水无指向性换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水声通讯、水下资源、物体探测、水声对抗、海洋信息获取等领域，具体是一种深水无指向性换能器，所述换能器包括多面体形的中心质量块，在所述中心质量块的若干个周期性对称面的每一个面上均固定一个连接杆，连接杆上套设压电陶瓷堆，连接杆的另一端连接带筒辐射头；所述若干个周期性对称面的数量≥3。本发明可应用于水声通信、水下探测、勘探、水声对抗、海洋信息获取等领域。
Description
技术领域
本发明属于水声通讯、水下资源、物体探测、水声对抗、海洋信息获取等领域，具体地，本发明涉及一种无指向性的低频、大功率、深水换能器。
背景技术
水声发射换能器作为一种水下声波信号产生的装置。水声发射换能器在海洋信息获取、资源勘探、目标探测、水声对抗等领域都是不可或缺的重要设备。相比高频声源，低频、深水、大功率换能器声源被水介质衰减、吸收的要小的多，同时利用海洋声道轴，可实现更远距通讯，远距目标探测，以及高效的进行大尺度海洋特性监测研究如：温度、内波等。
大深度换能器需要有很好的耐压性，常见的大深度换能器一种是采用气体压力补偿的，工作深度可达1000m左右，更大深度多采用充液压力补偿及自身耐压溢流结构方式，主要有充油圆管换能器、溢流镶拼圆管换能器、充油复合棒换能器等，可达万米深度，但一般用于通讯，工作频率较高在几kHz以上。
近年来，深水低频发射采用Janus-Helmholtz、Janus hammer Bell及压电镶拼圆管和筒复合的换能器等，结构采用自身耐压和溢流压力平衡方式实现大深度工作。压电镶拼圆管低频尺寸较大，镶拼工艺复杂，一致性难保证，难修复，结构大深度工作可靠性相比前二者低。Janus-Helmholtz利用双端复合棒换能器激励筒体形成的亥姆兹腔，进行低频大功率发射。其不足是换能器辐射头和筒体周向辐射口的发送电压差异较大，有明显的指向性，利用筒体周向辐射口进行水平全指向发射，但声源级较低。而采用辐射头方向发射，由于开角问题，和水中风浪、水下洋流等因素，布放的换能器姿态会产生旋转，俯仰等情况，给测试、使用带来不便。Janus hammer Bell，利用双端面复合棒纵向振动和筒体的径向振动耦合拓展带宽，不足是径向尺寸较大，同尺寸筒体振动工作模态频率相比亥姆霍兹谐振频率高，对低频贡献小，低频段声源级低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无指向性深水低频大功率换能器。该换能器结构自耐压，可大深度作业使用，多个带筒辐射头结构实现了水平以及空间无指向性的声发射。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种深水无指向性换能器，所述换能器包括多面体形的中心质量块，在所述中心质量块的若干个周期性对称面的每一个面上均固定一个连接杆，连接杆上套设压电陶瓷堆，连接杆的另一端连接带筒辐射头；所述若干个周期性对称面的数量≥3。
连接杆的一端连接中心质量块，另一端连接带筒辐射头。
优选地，所述多面体形为三棱柱形或正方体形。本领域技术人员根据需要还可以选择多面体形为八面体或其他多面体形。
优选地，若干个周期性对称面上连接的压电陶瓷堆以中心质量块为中心。
优选地，若干个周期性对称面在中心质量块上呈周向分布。
优选地，所述带筒辐射头的形状为锥形、圆柱形、弧形或多边形。本领域技术人员根据需要还可以选择其他形状。
优选地，所述压电陶瓷堆采用机械串联，电路并联的方式，陶瓷片间采用环氧粘接。
根据本发明的一个优选实施例，本发明的换能器包括若干带筒辐射头，对应若干压电陶瓷堆和若干连接杆、一个中心质量块及包覆的绝缘水密层、供电电缆头。连接杆一端固定于带螺孔的中心质量块上，压电陶瓷堆、带筒辐射头依次套于带绝缘处理(绝缘处理可以为在连接杆上套设绝缘套筒)的连接杆上，连接杆的另一端用螺母紧固于带筒辐射头上。若干通过连接杆、螺母刚性连接于中心质量块的压电陶瓷堆、带筒辐射头结构整体以中心质量块为中心均布。
所述的中心质量块为金属多面体，周向若干周期对称面上中心有螺纹孔，螺纹孔和压电陶瓷一端通过粘接和施加预应力方式刚性连接。金属多面体，上下端面可有螺孔或通孔，用于换能器的吊放、固定及成阵连接等。同时电缆出线孔亦置于其上。
所述的带筒辐射头的外形不限于锥形、弧形、多边形，可为一体成型的，也可以是筒和辐射头两部分分体加工如图7、8、9，其中部件8为辐射头，部件9为筒，二者通过螺栓紧固方式刚性连接成一体，分体筒材料可选择金属、非金属。不包含筒体部分的辐射头形状可为圆柱形、圆台形、多边形/弧形，辐射头内端面和压电陶瓷堆一端，通过粘接和施加预应力方式刚性连接。
所述的若干个压电陶瓷堆，每个压电陶瓷堆采用机械串联，电路并联的方式，陶瓷片间有电极片(陶瓷片)，并采用环氧粘接，压电陶瓷堆两端有陶瓷绝缘垫片，两端分别和带筒辐射头和中心质量块通过预应力连接杆和螺母连接。
所述的驱动压电陶瓷堆亦可采用其它有源功能材料，如超磁致伸缩材料、压电单晶、铁镓等。
换能器周向结构周期分布数量为不少于3个，实现水平无指向性。
进一步地，所述的换能器可以拓展为空间六面体结构及空间均布扩展的多面体结构，实现空间全指向性工作。
本发明的连接杆可以采用预应力连接杆。亦可采用其他形式的连接方式。
本发明的换能器不限于低频使用，亦可应用于高频。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供一种多个带筒辐射头结构的换能器，利用辐射头端相比筒开口端声源级大的特性及多个辐射头声场叠加的贡献，实现大功率发射。采用一体辐射头结构，相比筒体辐射头分离方式，实现结构辐射质量增加，实现比同尺寸Janus-Helmholtz换能器产生更低的工作频率，结构自耐压，可大深度作业使用，多个周向带筒辐射头结构实现了水平无指向性的声发射。空间均布扩展结构可实现深水、低频、大功率的空间全指向性声发射。本发明的换能器结构通过调节尺寸亦可拓展于无指向性的深水、高频大功率工作。
本发明可应用于水声通信、水下探测、勘探、水声对抗、海洋信息获取等领域。
附图说明
图1为本发明实施例1的十字形平面深水无指向性换能器的结构示意图；
图2为本发明实施例1的十字形结构用中心质量块的结构示意图；
图3为本发明实施例2的三叉形平面深水无指向性换能器的结构示意图；
图4为本发明实施例2的三叉形结构用中质量块结构示意图；
图5为本发明实施例3的空间六面深水无指向性换能器的结构示意图；
图6为本发明的一体带筒辐射头结构示意图；
图7为本发明的分体筒和辐射头结构组装示意图；
图8为本发明的分体弧度筒和辐射头结构组装示意图；
图9为本发明的分体弧度筒和辐射头结构组装剖面图；
附图标记：1、压电陶瓷堆；2、中心质量块；3、带筒辐射头；4、螺母；5、连接杆；6、螺孔；7、孔；8、辐射头；9、筒。
具体实施方式
结合附图举例对本发明做更详细地描述：
实施例1
如图1所示，一种水平无指向性深水低频大功率换能器，由四个带筒辐射头3、四个压电陶瓷堆1、四个预应力螺母4、四个连接杆5、一个中心质量块2。连接杆5一端固定于设置螺孔6的中心质量块2上，中心质量块2如图2，压电陶瓷堆1、带筒辐射头3依次套于带绝缘套筒的连接杆5上，连接杆5另一端用螺母4紧固于带筒辐射头3上。4个通过螺母4、连接杆5连接于中心质量块2的带筒辐射头3，压电陶瓷堆1结构整体以中心质量块2为中心四周均布，呈十字形。本实施例的换能器还包括所包覆的绝缘水密层、供电电缆头等附属结构。
中心质量块如图2所示，上面各有对称的螺孔6四个，上下两端面上可开孔7，该孔可为2个不通孔，也可通孔，用作电缆接口、吊放或成阵固定等。孔7还可设置在中心质量块未使用空间处，如棱、角等空间处。
本实施例的组装具体过程如下：
连接杆5一端涂覆环氧，旋紧于一端面带螺孔6的中心质量块2上，连接杆5套绝缘管，陶瓷绝缘片和压电陶瓷堆1，压电陶瓷间使用电极片，涂覆环氧，按机械串联，电路并联方式，套于连接杆5上，放置另一个陶瓷绝缘片，然后把带筒辐射头3内端面涂覆环氧，从其开孔处套于连接杆5上。在中心质量块2和带筒辐射头3两端施加预应力，螺母涂覆环氧，旋入连接杆5另一端，通过螺母4紧固于带筒辐射头3上。
同样方式，后续另外3分支也按顺序组装好，分别施加大小一致预应力，完成另外3个分支的安装，4路压电陶瓷堆正极、负极分别并联焊接，正负极短路，防止放电，并在80℃烘箱中烘4小时以上，固化。
固化后的结构，各压电陶瓷堆1，紧固的连接杆5、螺母4等部分，相连的带筒辐射头3、中心质量块2连接部分，进行水密灌封绝缘处理，分别进行聚氨酯灌注，并在80℃烘箱中烘4小时以上，固化。
带筒辐射头3可以是一体成型的如图6，亦可采用分体筒和辐射头结构组装，如图7，筒9和辐射头8分别加工，其中筒体可为底带弧面，筒侧壁为锥形，如图8-9所示，刚性连在一起，可采用O环和灌注方式对接触面进行密封处理。
实施例2
如图3所示，本实施例与实施例1不同的是，本实施例的中心质量块如图4所示，为三棱柱形，换能器结构整体呈三叉形。
实施例3
如图5所示，本实施例与实施例1不同的是，本实施例在中心质量块的六个面分别设置六个压电陶瓷堆和带筒辐射头。
本发明中，当多面体的各个面均设置带筒辐射头时，孔7可放置于中心质量块未使用空间处，如棱、角等空间处。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
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该理解，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。
Claims (6)
1.一种深水无指向性换能器，其特征在于，所述换能器包括多面体形的中心质量块，在所述中心质量块的若干个周期性对称面的每一个面上均固定一个连接杆，连接杆上套设压电陶瓷堆，连接杆的另一端连接带筒辐射头；所述若干个周期性对称面的数量≥3。
2.根据权利要求1所述的深水无指向性换能器，其特征在于，所述多面体形为三棱柱形或正方体形。
3.根据权利要求1所述的深水无指向性换能器，其特征在于，若干个周期性对称面上连接的压电陶瓷堆以中心质量块为中心。
4.根据权利要求1所述的深水无指向性换能器，其特征在于，若干个周期性对称面在中心质量块上呈周向分布。
5.根据权利要求1所述的深水无指向性换能器，其特征在于，所述带筒辐射头的形状为锥形、圆柱形、弧形或多边形。
6.根据权利要求1所述的深水无指向性换能器，其特征在于，所述压电陶瓷堆采用机械串联，电路并联的方式，陶瓷片间采用环氧粘接。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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