一種彎曲圓柱換能器及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水聲換能器技術(shù)領(lǐng)域，更確切地說(shuō)，是一種彎曲圓柱換能器及其實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水聲換能器是聲納系統(tǒng)中產(chǎn)生或接收聲波信號(hào)的重要設(shè)備，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)電能和聲能間相互轉(zhuǎn)換。將電能轉(zhuǎn)化為聲能輻射到水中的稱為發(fā)射換能器，而將接收聲能轉(zhuǎn)化為電能的稱為接收器或水聽(tīng)器。一般情況下，換能器具有互易性，既能用作發(fā)射，也能用作接收。
[0003]圓柱換能器是水聲換能器中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式之一，可作為發(fā)射換能器或水聽(tīng)器使用。其通常的工作機(jī)理是由內(nèi)部的有源元件(壓電材料或磁致伸縮材料等)激勵(lì)外部無(wú)源材料構(gòu)成的殼體產(chǎn)生周向振動(dòng)，通過(guò)水介質(zhì)向外聲波，具有水平無(wú)指向性的特點(diǎn)。
[0004]低頻聲波在水中具有吸收系數(shù)低、傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，因而要提高聲納遠(yuǎn)程探測(cè)能力其換能器工作頻率必須向低頻拓展。薄壁圓柱換能器作自由振動(dòng)時(shí)，其徑向諧振頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)近似等于其圓柱周長(zhǎng)。因此，對(duì)于諧振頻率在IkHz以下的低頻圓柱換能器，不可避免存在體積大、重量重等缺點(diǎn)，同時(shí)有源元件的制備和換能器裝配工藝也均存在一定困難。目前，一般采用彎張換能器、彎曲圓盤換能器等利用彎曲模態(tài)工作的換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)低頻大功率發(fā)射，但工作頻率500Hz以下的換能器仍然尺寸龐大而難以實(shí)現(xiàn)或應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，而提供一種彎曲圓柱換能器及其實(shí)現(xiàn)方法，該換能器可以應(yīng)用于低頻主動(dòng)浮標(biāo)、低頻主動(dòng)潛標(biāo)以及主動(dòng)拖曳聲源等，是聲納系統(tǒng)使用的重要部件。
[0006]本發(fā)明的要解決的技術(shù)問(wèn)題是以小型、輕型水聲換能器實(shí)現(xiàn)低頻(小于500Hz)大功率水下聲輻射。
[0007]本發(fā)明的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)完成的。這種彎曲圓柱換能器，主要包括開(kāi)口圓柱殼、開(kāi)口多邊形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和水密結(jié)構(gòu)，在開(kāi)口圓柱殼內(nèi)部，由開(kāi)口多邊形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)通過(guò)縱向振動(dòng)驅(qū)動(dòng)開(kāi)口圓柱殼產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)水介質(zhì)產(chǎn)生振動(dòng)輻射低頻聲波；其中開(kāi)口圓柱殼為一沿母線方向開(kāi)槽的薄壁圓柱殼，開(kāi)口多邊形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由棱柱支撐塊、楔形頂塊和驅(qū)動(dòng)單元組成，棱柱支撐塊和驅(qū)動(dòng)單元交替構(gòu)成多邊形結(jié)構(gòu)，并且至少包含兩層以便組成閉合磁路。
[0008]所述開(kāi)口圓柱殼的截面是均勻壁厚，或是開(kāi)槽處薄、開(kāi)槽正對(duì)處厚的漸變壁厚；其材料為鋁、不銹鋼或鈦合金的金屬材料，或是碳纖維、玻璃纖維的高強(qiáng)度非金屬材料。
[0009]所述驅(qū)動(dòng)單元主要由線圈、永磁片和有源元件構(gòu)成，線圈由漆包線繞制而成，永磁片為銣鐵硼高磁能級(jí)磁性材料，有源元件為超磁致伸縮材料，其中交變電流經(jīng)過(guò)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，永磁片提供偏置磁場(chǎng)，使得有源元件在最佳工作點(diǎn)附近產(chǎn)生交變振動(dòng)位移；楔形頂塊由高磁導(dǎo)率材料構(gòu)成，其截面為梯形，通過(guò)螺釘向開(kāi)口圓柱殼方向抽緊實(shí)現(xiàn)在有源元件兩端施加預(yù)應(yīng)力。
[0010]所述棱柱支撐塊由磁導(dǎo)率高的材料構(gòu)成，其截面等腰三角形形狀由多邊形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的邊數(shù)和周長(zhǎng)來(lái)確定，其高度和開(kāi)口圓柱殼高度一致；驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)安裝定位片安裝在棱柱支撐塊上，用于定位去耦；安裝定位片由環(huán)氧板或碳纖維板或具有一定剛度的非金屬材料構(gòu)成，并卡接在棱柱支撐塊上。
[0011]所述水密結(jié)構(gòu)部件具體包括:硫化橡膠套、上端蓋、下端蓋、水密接插件、同軸安裝套筒和振動(dòng)部件，上端蓋和下端蓋通過(guò)同軸安裝套筒固定安裝在振動(dòng)部件的上下端面，圓周方向通過(guò)硫化橡膠套實(shí)現(xiàn)密封，上端蓋上有水密接插件用于引出電纜。
[0012]本發(fā)明所述的這種彎曲圓柱換能器的實(shí)現(xiàn)方法，該方法包括如下步驟:
[0013](I)、首先將漆包線均勻繞制在聚四氟乙烯骨架上，然后將有源元件放入線圈中，并在棒的兩個(gè)端面遵循磁場(chǎng)方向吸附永磁片，至此構(gòu)成一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)單元；
[0014](2)、將安裝定位片插入棱柱支撐塊中，將驅(qū)動(dòng)單元依此吸附安裝在棱柱支撐塊上，并依據(jù)磁路閉合準(zhǔn)則，確定每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的磁場(chǎng)N極和S極的方向，以圓柱開(kāi)口處為對(duì)稱面，左側(cè)上下兩層構(gòu)成一個(gè)磁路回路，右側(cè)上下兩層構(gòu)成一個(gè)磁路回路，在電路上，上下兩個(gè)線圈串聯(lián)構(gòu)成一組，再將各組線圈并聯(lián)引出兩個(gè)線端，焊接至水密接插件；
[0015](3)、將線圈和棱柱支撐塊安裝好后，塞入開(kāi)口圓柱殼中，先將靠近開(kāi)口處的棱柱支撐塊用螺釘通過(guò)預(yù)留孔位固定安裝在開(kāi)口圓柱殼上，利用楔形頂塊擠壓開(kāi)口正對(duì)處的兩個(gè)棱柱支撐塊使得每個(gè)棱柱支撐塊與開(kāi)口圓柱殼完全接觸，并繼續(xù)用螺釘將楔形頂塊抽緊，使得每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元承受設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力要求；
[0016](4)、將水密接插件安裝在上端蓋預(yù)留安裝孔位中，然后將上、下端蓋放置在振動(dòng)部件的上、下端面，通過(guò)定位銷釘確保三者同心，利用同軸安裝套筒將上下端面與殼體端面壓緊固定；將硫化橡膠套自下端蓋向上端蓋的方向套在換能器上，并在上端蓋預(yù)留的壓槽上用喉箍抽緊固定，實(shí)現(xiàn)換能器水密。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明和彎張換能器、彎曲圓盤換能器相比，在相同工作頻率下大大降低了換能器的體積和重量，提高了小平臺(tái)聲納的適裝性和使用便利性。采用磁致伸縮驅(qū)動(dòng)方式和壓電陶瓷拼鑲條的方案相比，一是可以獲得更大的振動(dòng)位移輸出，二是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，加工精度可以保證，裝配工藝簡(jiǎn)便易實(shí)施，三是有效平衡了開(kāi)口圓柱殼低剛度和有源元件高預(yù)應(yīng)力需求的矛盾，利用開(kāi)口圓柱殼自有剛度實(shí)現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力施加方法，確保有源元件始終在壓應(yīng)力條件下工作。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明中彎曲圓柱換能器振動(dòng)部件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明中彎曲圓柱換能器振動(dòng)模式示意圖(1/2模型)。
[0020]圖3是本發(fā)明中彎曲圓柱換能器水密結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖4是本發(fā)明中彎曲圓柱換能器發(fā)送電壓響應(yīng)曲線。
[0022]圖5是本發(fā)明中彎曲圓柱換能器指向性圖。
[0023]附圖標(biāo)記:開(kāi)口圓柱殼1、棱柱支撐塊2、安裝定位片3、線圈4、永磁片5、有源元件6、驅(qū)動(dòng)單元7、楔形頂塊8、硫化橡膠套9、上端蓋10、下端蓋11、水密接插件12、同軸安裝套同13、振動(dòng)部件14。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明:
[0025]本發(fā)明提出的彎曲圓柱換能器沿軸向在振動(dòng)柱殼上開(kāi)槽，并應(yīng)用壓電材料或磁致伸縮材料組成的有功元件驅(qū)動(dòng)殼體產(chǎn)生振動(dòng)，推動(dòng)媒質(zhì)向外輻射聲能。開(kāi)槽降低了柱殼的周向剛度，并利用彎曲模替代周向模工作，大大降低了低頻發(fā)射換能器尺寸與重量。本發(fā)明與現(xiàn)有陶瓷條拼鑲結(jié)構(gòu)組成的開(kāi)口圓環(huán)方案相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，工藝過(guò)程簡(jiǎn)便可控，同時(shí)具有較大的輸出聲源級(jí)。
[0026]本發(fā)明提出的彎曲圓柱換能器振動(dòng)部件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括:開(kāi)口圓柱殼
1、棱柱支撐塊2、安裝定位片3、線圈4、永磁片5、有源元件6、楔形頂塊8，在開(kāi)口圓柱殼I內(nèi)部，由多個(gè)棱柱支撐塊2和驅(qū)動(dòng)單元組成的多層開(kāi)口多邊形結(jié)構(gòu)通過(guò)縱向振動(dòng)驅(qū)動(dòng)開(kāi)口圓柱殼I產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，當(dāng)彎曲圓柱換能器處于水中時(shí)，產(chǎn)生低頻輻射聲波。其中單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元主要由線圈4、永磁片5及有源元件6組成。
[0027]本發(fā)明中開(kāi)口圓柱殼I為一沿母線方向開(kāi)槽的薄壁圓柱殼，其截面可以是均勻壁厚，也可以是開(kāi)槽處薄、開(kāi)槽正對(duì)處厚的漸變壁厚；其材料可以為鋁、不銹鋼、鈦合金等金屬材料，也可以是碳纖維、玻璃纖維等高強(qiáng)度非金屬材料。
[0028]本發(fā)明中棱柱支撐塊2 —般由磁導(dǎo)率高的材料如電工純鐵構(gòu)成，其截面等腰三角形形狀由多邊形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的邊數(shù)和周長(zhǎng)來(lái)確定，其高度可以和圓柱殼高度一致。
[0029]本發(fā)明中安裝定位片3 —般由環(huán)氧板或碳纖維板等具有一定剛度的非金屬材料構(gòu)成，起到在安裝驅(qū)動(dòng)單元時(shí)定位去親的作用。
[0030]本發(fā)明中線圈4、永磁片5、有源元件6構(gòu)成一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元7，其中交變電流經(jīng)過(guò)線圈4產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，永磁片5提供偏置磁場(chǎng)，使得有源元件6在最佳工作點(diǎn)附近產(chǎn)生交變振動(dòng)位移。其中線圈4