[发明专利]一种超低频弯张式水声换能器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种声学传感器，具体地说是一种具有多重放大效应的超低频弯张式水声换能器。

背景技术

超低频声波主要是指频率在100Hz以下的声波，其在海洋研究、资源开发、军事等领域都具有十分重要的应用价值。因此，对于超低频水声换能器的研制显得尤为重要。

能够实现水声换能器超低频声辐射的方法有多种，常见的有弯曲振动式换能器、亥姆霍兹谐振器、动圈式换能器、弯张换能器等。

弯曲振动换能器中具有代表性的是在太平洋声学测温计划中使用的HX-554型弯曲振动超低频水声换能器。该换能器主要运用十个弯曲条围成圆桶型，通过三叠片的弯曲振动实现换能器的超低频声发射。换能器直径0.94m，空气中重2300kg，水中重700kg，谐振频率为75Hz，最大声功率420瓦，带宽37.5Hz。

采用亥姆霍兹谐振器结构的超低频换能器，比较典型的有1976年Ralph S.Woollet等人研制的一系列单压电圆盘、双压电圆盘驱动的超低频换能器。通过压电弯曲圆盘的弯曲振动激励亥姆霍兹腔内流体向外辐射超低频声波。40Hz单压电圆盘亥姆霍兹超低频换能器的最大声源级为196dB(0dB=1μPa，1m处)，质量2800kg，最大工作深度460m。65Hz单压电圆盘亥姆霍兹超低频换能器的最大声源级为203dB，质量1900kg。

动圈式换能器也是实现低频声辐射的较好声源，其驱动力由恒定磁场和位于恒定磁场中通过一定交变电流的线圈之间的相互作用而产生。比较有代表性的动圈式换能器是英国G..W公司研制的UW600型动圈式超低频换能器。该换能器的工作频段为4Hz-1kHz，最大声源级188dB，重量1070kg，内部采用空气压缩系统进行压力补偿，工作深度可达200m。

弯曲伸张换能器简称弯张换能器，是水声领域一种典型的低频、大功率、小尺寸换能器。弯张换能器的工作原理是：利用有源材料的伸缩振动激励壳体做弯曲振动，耦合成弯曲伸张振动模式。做伸缩振动的振子通常是有源材料堆、棒或者片，壳体通常是曲面的反转体、曲线的回旋体或平移体。

Ⅳ型弯张换能器是弯张换能器中应用较为广泛的一种。Ⅳ型弯张换能器其辐射壳体通常为一椭圆管(William J.Toulis Flexual-extensional Electromechanical Transducer U.S.PatentNo.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。Ⅶ型弯张换能器在Ⅳ型的基础上将椭圆柱壳变成凹壳，这种结构不但使得壳体表面的振动相位相同，还使得预应力随着深度的增加而增大。弯张换能器利用了杠杆原理，具有振幅放大效应，因此可以辐射出较大的声功率。弯张换能器的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。工作频率越低，要求换能器的长轴越长，因此，工作在超低频段的弯张换能器同样会存在尺寸、重量大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尺寸小、重量轻、频率低的超低频弯张式水声换能器。

本发明的目的是这样实现的：

包括辐射壳体、驱动壳体、驱动元件和过渡块；所述辐射壳体以及驱动壳体采用截面为椭圆形的柱壳或凹壳；所述驱动元件的两侧设置有第一过渡块，驱动元件与第一过渡块组成振子装配体；所述振子装配体长度方向的尺寸大于驱动壳体两个长轴内壁间的距离，振子装配体置于驱动壳体内部并与驱动壳体长轴内壁刚性连接，构成驱动单元；两个第二过渡块刚性连接在驱动单元的短轴端，构成驱动单元装配体；所述驱动单元装配体的长度方向尺寸大于辐射壳体两个长轴内壁间的距离，驱动单元装配体置于辐射壳体内部并与辐射壳体长轴内壁刚性连接。

本发明还可以包括：

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

2、所述驱动元件是由稀土超磁致伸缩棒，所述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。

3、所述驱动单元由至少两组驱动单元短轴方向串联构成。

4、驱动壳体为凹形壳体和凸形壳体相间排列的结构。

5、所述振子装配体置于驱动壳体内部并与驱动壳体长轴内壁刚性连接是：预先使所述驱动壳体产生变形，利用增加驱动壳体两个长轴内壁间的距离所产生的压力使振子装配体固定于驱动壳体两个长轴内壁之间。