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

背景技術(shù)：

在遠(yuǎn)程水聲通信、基于聲學(xué)手段的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，需要一種低頻、大功率、寬帶水聲換能器發(fā)射聲波。受到換能器搭載平臺(tái)的限制，水聲換能器的體積和重量是很重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。使用者總是希望水聲換能器體積小重量輕，并且能低頻、大功率、寬帶工作，這就為水聲換能器設(shè)計(jì)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。主要的挑戰(zhàn)來源于以下幾點(diǎn)：

一是小體積與低頻發(fā)射互為矛盾。傳統(tǒng)的利用縱振動(dòng)、圓環(huán)徑向振動(dòng)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(dòng)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(yīng)用中是無法接受的。

二是小體積低頻與大功率發(fā)射也是互為矛盾的。由于低頻時(shí)輻射阻很低，導(dǎo)致低頻時(shí)的輻射聲功率難以提升。若想實(shí)現(xiàn)低頻大功率發(fā)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(tǒng)的換能器結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)小尺寸、低頻和大功率發(fā)射是困難的。

目前，彎張振動(dòng)模態(tài)和液腔振動(dòng)模態(tài)常被用于低頻大功率水聲換能器中。主要原因在于：利用彎張振動(dòng)模態(tài)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(shí)現(xiàn)較大功率的聲發(fā)射，同時(shí)彎張振動(dòng)模態(tài)具有比縱振動(dòng)及圓環(huán)徑向振動(dòng)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(dòng)利用了腔內(nèi)流體的體積模量遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的彈性模量這一優(yōu)勢(shì)，因此液腔的諧振頻率遠(yuǎn)低于同尺寸下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)諧振頻率。此外，液腔振動(dòng)的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)大，電聲轉(zhuǎn)換效率高，因此具有較強(qiáng)的聲輻射能力。但是，上述兩種振動(dòng)模態(tài)的帶寬較窄，單獨(dú)使用一種模態(tài)難以實(shí)現(xiàn)寬帶發(fā)射。

本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)為在ⅲ型彎張換能器外側(cè)設(shè)置helmholtz共振腔，利用彎張振動(dòng)模態(tài)激勵(lì)出液腔振動(dòng)模態(tài)，兩個(gè)低頻振動(dòng)耦合可以實(shí)現(xiàn)換能器低頻寬帶發(fā)射，同時(shí)保留了兩者小尺寸、低頻大功率發(fā)射的優(yōu)點(diǎn)。因此換能器同時(shí)兼具了小尺寸、低頻、大功率、寬帶發(fā)射的特點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供兼具小尺寸、低頻、大功率、寬帶發(fā)射等特點(diǎn)的一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)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)及螺桿(3)組成，其特征在于：所述的ⅲ型彎張換能器包括上蓋板(5)、上質(zhì)量塊(6)、凹筒形輻射板(7)、壓電陶瓷堆(8)、預(yù)應(yīng)力螺桿(9)、下質(zhì)量塊(10)組成；所述上圓柱殼(2)與下圓柱殼(4)分別設(shè)置在ⅲ型彎張換能器兩端并通過螺桿(3)連接，兩個(gè)圓柱殼體與ⅲ型彎張換能器為非剛性連接并構(gòu)成同軸嵌套結(jié)構(gòu)；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(dòng)的輻射口；兩個(gè)圓柱殼體與ⅲ型彎張換能器中的凹筒形輻射板(7)構(gòu)成helmholtz共振腔。

本發(fā)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)采用不銹鋼金屬材料制成；所述的上圓柱殼(2)與上質(zhì)量塊(6)之間、下圓柱殼(4)與下質(zhì)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(shè)有定位圈，用于固定ⅲ型彎張換能器與圓柱殼體的相對(duì)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(shè)有電極片，壓電陶瓷片在電路上采用并聯(lián)；所述的壓電陶瓷堆(8)與ⅲ型彎張換能器的外側(cè)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制成的圓棒，圓棒外圍纏繞一組激勵(lì)線圈，激勵(lì)線圈封閉在高磁導(dǎo)率材料制成的閉合回路里。

所述的ⅲ型彎張換能器中的預(yù)應(yīng)力螺桿(9)，預(yù)應(yīng)力螺桿(9)上端由上質(zhì)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(zhì)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(shè)有螺紋孔與上質(zhì)量塊(6)連接。

所述的ⅲ型彎張換能器中的上質(zhì)量塊(6)，質(zhì)量塊(6)頂部設(shè)置水密槽，底部設(shè)有一個(gè)或兩個(gè)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(zhì)量塊(6)及下質(zhì)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(shù)量可根據(jù)ⅲ型彎張換能器體積大小進(jìn)行調(diào)整。

所述的螺桿(3)采用不銹鋼金屬材料，連接上下兩個(gè)圓柱形殼體；螺桿(3)的尺寸與數(shù)量依據(jù)換能器整體尺寸、重量及殼體大小確定，螺桿(3)沿圓柱殼腔體外側(cè)周向均布。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明提供了一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器，利用兩個(gè)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(fā)射等特點(diǎn)；

本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的helmholtz換能器工作帶寬窄的缺點(diǎn)，同時(shí)利用helmholtz共振腔的液腔振動(dòng)與ⅲ型彎張換能器彎曲振動(dòng)耦合實(shí)現(xiàn)了寬帶發(fā)射；

本發(fā)明利用了液腔振動(dòng)和彎曲振動(dòng)諧振頻率低的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了小尺寸低頻發(fā)射；

本發(fā)明可應(yīng)用于低頻主動(dòng)聲納、遠(yuǎn)程水聲通信、低頻水聲實(shí)驗(yàn)、海洋聲層析等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器示意圖。

圖2為本發(fā)明一種低頻寬帶helmholtz水聲換能器剖視圖。

圖3為本發(fā)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

結(jié)合圖1所示，本發(fā)明的第一種實(shí)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、螺桿3及下圓柱殼4組成。

結(jié)合圖2所示，ⅲ型彎張換能器各部分包括上蓋板5、質(zhì)量塊6、凹筒形輻射板7、壓電陶瓷堆8、預(yù)應(yīng)力螺桿9、下質(zhì)量塊10，隔振橡膠圈11、螺栓12及水密橡膠層13。

本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)為同軸嵌套結(jié)構(gòu)，所述的上圓柱殼2與下圓柱殼4分別設(shè)置在ⅲ型彎張換能器兩端并通過螺桿3連接，兩個(gè)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(dòng)的輻射口；兩個(gè)圓柱殼體與ⅲ型彎張換能器中的凹筒形輻射板7構(gòu)成helmholtz共振腔。

本實(shí)施方案中壓電陶瓷堆8由n片(n為≥2為的偶數(shù))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(shè)有電極片，壓電陶瓷片在電路上采用并聯(lián)。

本實(shí)施方案中壓電陶瓷堆通過預(yù)應(yīng)力螺桿9與上、下質(zhì)量塊連接，預(yù)應(yīng)力螺桿9由上質(zhì)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(zhì)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制成的圓棒替代，圓棒外圍纏繞一組激勵(lì)線圈，線圈封閉在純鐵等高磁導(dǎo)率材料制成的閉合回路中。

本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)過程包括：

所述的上質(zhì)量塊6和下質(zhì)量塊10由金屬材料加工成圓柱形，中間設(shè)置螺紋通孔，以便安裝預(yù)應(yīng)力螺桿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，兩者之間通過螺桿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(shè)有隔振橡膠圈11。圓柱形殼體與螺桿3材質(zhì)為剛度較大金屬如不銹鋼或鈦合金等。

所述的壓電陶瓷堆8由n片(n為≥2為的偶數(shù))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(shè)有電極片，壓電陶瓷片在電路上采用并聯(lián)。

所述的壓電陶瓷堆8與ⅲ型彎張換能器的外側(cè)均包覆有水密橡膠層13。

所述的上蓋板5設(shè)有螺紋孔以便于同上質(zhì)量塊6連接。上質(zhì)量塊6頂部設(shè)置水密槽，底部設(shè)有一個(gè)或兩個(gè)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(zhì)量塊6及下質(zhì)量塊10上，輻射板間留有縫隙。凹筒形輻射板7的數(shù)量可根據(jù)ⅲ型彎張換能器體積大小進(jìn)行調(diào)整。

結(jié)合圖3所示，本發(fā)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(gè)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(shí)，壓電陶瓷堆8上施加交變電壓，壓電陶瓷在交變電場(chǎng)的激勵(lì)下產(chǎn)生縱向伸縮振動(dòng)，引起凹筒形輻射板7產(chǎn)生彎曲振動(dòng)。彎曲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)helmholtz共振腔的流體產(chǎn)生液腔振動(dòng)，當(dāng)交變信號(hào)頻率達(dá)到helmholtz共振腔的諧振頻率時(shí)，聲壓頻響曲線出現(xiàn)第一個(gè)極大值，當(dāng)交變信號(hào)頻率達(dá)到ⅲ型彎張換能器的彎曲振動(dòng)諧振頻率時(shí)，聲壓頻響曲線出現(xiàn)第二個(gè)極大值。

最后應(yīng)說明的是，以上實(shí)例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。