[發(fā)明專利]碟型發(fā)射換能器

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200610090118.3
• 申請(qǐng)日: 2006-06-23
• 公開（公告）號(hào): CN101093667A
• 公開（公告）日: 2007-12-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李朝暉;黃愛根;欒桂冬;張金鐸
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): G10K9/122
• 分類號(hào): G10K9/122;G10K9/128
• 代理公司: 北京君尚知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所
• 代理人: 賈曉玲

技本領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水聲換能器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種碟型發(fā)射換能器。該換能器可以應(yīng)用于低頻主動(dòng)聲吶(LFAS)、遠(yuǎn)程水聲通信、海底聲層析成像以及海洋資源勘探開發(fā)等領(lǐng)域。

背景技術(shù)

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)。聲波是唯一能夠在海洋中遠(yuǎn)距離傳播的信息載體。在軍事領(lǐng)域，聲學(xué)方法是水下目標(biāo)探測(cè)、定位、識(shí)別、導(dǎo)航、通信的主要手段；在民用領(lǐng)域，聲學(xué)方法對(duì)于海上石油、天然氣資源勘探以及海底地層成像，更是具有舉足輕重的地位。

隨著目標(biāo)隱身技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的被動(dòng)聲吶正在失去優(yōu)勢(shì)地位，低頻主動(dòng)聲納(LFAS)日益成為隱身目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別的主要手段，而低頻大功率發(fā)射換能器則是低頻主動(dòng)聲納的關(guān)鍵技術(shù)之一。發(fā)射換能器在主動(dòng)聲納設(shè)備中負(fù)責(zé)將電磁振蕩能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)能，從而推動(dòng)水介質(zhì)進(jìn)行振動(dòng)，向水中輻射聲能。為了提高對(duì)隱身潛艇的遠(yuǎn)程探測(cè)能力，必須大幅度降低換能器的工作頻率，提高發(fā)射聲功率。

在水聲領(lǐng)域的各種應(yīng)用中，單個(gè)發(fā)射換能器常常不能滿足指向性、發(fā)射聲功率以及信息處理等多方面的要求，往往必須由換能器陣元組成各種基陣完成各種任務(wù)。這些基陣通常以固定在艇上或者拖曳的方式工作，因此受到安裝平臺(tái)的嚴(yán)重限制，為了布陣和安裝方便，必須大幅度減小低頻大功率發(fā)射換能器陣元的體積和重量。

因此，低頻、大功率、小尺寸、高效率的發(fā)射換能器是各種水聲應(yīng)用提出必然要求，是亟待解決的科學(xué)技術(shù)問題。

低頻大功率換能器設(shè)計(jì)的主要困難是：一、為了提高發(fā)射效率和發(fā)射功率，換能器必須工作在共振狀態(tài)，而經(jīng)典的縱振模式換能器尺寸通常與波長(zhǎng)成正比，因此越低的工作頻率，也就意味著越龐大的換能器尺寸，同時(shí)意味著巨大的重量和成本，以及制造和布設(shè)的難度；二、低頻換能器的輻射功率與頻率及輻射面積平方成正比，意味著頻率降低或面積減小10倍，輻射功率將減小100倍，因此，如果在減小尺寸的同時(shí)，保持或增加低頻時(shí)換能器的輻射功率，需要更大的體積速度，即更大的驅(qū)動(dòng)功率來補(bǔ)償，而這往往是不可實(shí)現(xiàn)的。

因此，降低工作頻率與減小尺寸是一對(duì)矛盾，增大輻射功率與減小尺寸也是一對(duì)矛盾。而且，降低頻率與增大輻射功率同樣是一對(duì)矛盾。

目前解決以上問題的主要方法有：一是結(jié)構(gòu)上采用彎曲振動(dòng)模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的漲縮振動(dòng)模式，降低共振頻率，相應(yīng)的代表是I型、II型、III型、IV型、V型彎張換能器，其中以IV型、V型彎張換能器最為常用，環(huán)狀換能器也曾經(jīng)一度使用過，但效率較低；二是應(yīng)用具有更大順性和伸縮系數(shù)的材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓電陶瓷材料，提高效率和振動(dòng)位移，典型的代表是超磁致伸縮材料、弛豫鐵電單晶材料與壓電復(fù)合材料。

參考圖1，IV型彎張換能器的殼體12為一凸卵圓、扁平卵圓或橢圓管，也可做成凹形(凹形也稱VI?I型彎張)。壓電陶瓷晶片堆11沿橢圓管的長(zhǎng)軸緊密安裝于殼體內(nèi)部，當(dāng)激勵(lì)它作伸縮振動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)橢圓管作彎曲振動(dòng)。短軸方向的位移被放大，通常為長(zhǎng)軸方向的二至四倍。橢圓管在兩端被密封形成腔體。這類換能器通過螺桿或裝配時(shí)預(yù)先使橢圓管變形，給晶片堆施加預(yù)應(yīng)力(壓力)，以滿足在最大深度滿功率工作時(shí)偏置應(yīng)力的需要。IV型彎張換能器的缺點(diǎn)是輻射面上有節(jié)線，部分輻射聲能被抵消，單根壓電陶瓷堆(或稀土棒)驅(qū)動(dòng)，空間利用率不高，功率容量有限；

V型彎張換能器一般被稱為蛤殼換能器(如圖2所示)，應(yīng)用一個(gè)陶瓷環(huán)作為驅(qū)動(dòng)器，也稱圓環(huán)-殼型彎張換能器，V型彎張換能器由兩個(gè)對(duì)稱的球殼22緊夾住一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)圓環(huán)21組成，球殼也可做成凹面形的(凹形也稱VI型彎張)。很大尺寸的驅(qū)動(dòng)環(huán)可以由做成矩形的壓電陶瓷條和金屬鍥形條拼鑲而成。驅(qū)動(dòng)環(huán)作徑向振動(dòng)時(shí)，推動(dòng)球殼作彎曲振動(dòng)。V型彎張換能器的缺點(diǎn)是大尺寸的驅(qū)動(dòng)環(huán)不易加工，環(huán)狀驅(qū)動(dòng)器的空間利用率不高，功率容量有限，而且V型彎張換能器利用壓電材料的d₃₁參數(shù)，不如利用d₃₃參數(shù)的發(fā)射電壓響應(yīng)高；