[發明專利]一種超寬帶水聲換能器

有效

• 申請號: 201010270641.0
• 申請日: 2010-09-03
• 公開（公告）號: CN101964185A
• 公開（公告）日: 2011-02-02
• 發明（設計）人: 陳思;蘭宇
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G10K9/12
• 分類號: G10K9/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及的是一種聲學傳感器，具體地說是一種超寬帶水聲換能器。

背景技術

水聲換能器是實現水下電聲能量轉化的器件。隨著現代聲納技術的飛速發展和水聲學應用范圍的不斷擴大，對水聲換能器及換能器陣列提出了越來越高的要求。目前，低頻、大功率、小尺寸、寬頻帶的發射換能器是水聲換能器研究的主要方向。隨著水聲信號處理技術的迅速發展，需要從水聲換能器獲取更多的信息，寬頻帶這一換能器技術指標顯得越來越重要，在諸如合成孔徑聲納，圖像聲納以及水聲通訊、水聲對抗等應用領域，均需要發射換能器具有較寬的頻帶。

目前，廣泛應用的寬頻帶水聲發射換能器主要有縱振式換能器、圓管換能器等。它們實現寬帶發射的方法主要是利用多模態振動耦合。對于縱振式換能器，其經典的拓展帶寬的方法有：縱振動—彎曲振動耦合、匹配層、雙激勵、單側激勵等；對于圓管換能器，主要利用其徑向振動與液腔諧振、徑向振動與長度振動耦合等方法以拓展頻帶。但上述類型的換能器在低頻工作時均存在尺寸重量大、制造和布放困難等不足。

Ⅳ型彎張換能器是水聲領域一種典型的低頻、大功率、小尺寸換能器，其殼體通常為一橢圓管(William?J.Toulis?Flexual-extensional?Electromechanical?TransducerU.S.Patent?No.3,277,433?1966)，驅動元件沿橢圓管的長軸方向緊密安裝于殼體內部，利用其縱向伸縮振動激勵殼體作彎曲振動，耦合成彎曲伸張振動模式，其結構示意圖如圖1所示。由于彎張換能器利用了杠桿原理，具有振幅放大效應，橢圓管短軸方向的位移通常為長軸的2-4倍，因此可以輻射出較大的聲功率；且其聲輻射主要是利用殼體的一階彎曲振動，因此在低頻發射時具有尺寸小、重量輕的特點。但由于其機械品質因數Q_m較高(Q_m＝f_r/Δf，f_r為諧振頻率，Δf為帶寬)，帶寬并不寬，使其應用受到了一定的限制。

Ⅳ型彎張換能器在高于彎曲基頻的頻段內存在高階彎曲振動。但若想通過多模態耦合的原理，直接利用一階、二階彎曲振動之間的振動耦合拓展頻帶則存在很大困難。原因在于：Ⅳ型彎張換能器的二階彎曲振動在殼體的輻射面上存在很強的振動反相，相位相反的殼體振動使得換能器有效的體積位移大大減小，聲輻射效率迅速下降，體現在其性能上就是發送電壓響應曲線上在一階二階彎曲振動之間出現很深的凹谷。通常一階彎曲振動的諧振峰同響應凹谷之間的起伏在20dB以上，換能器很難直接利用一階、二階彎曲振動之間的耦合形成寬帶。

通常的Ⅳ型彎張換能器在高于二階彎曲振動的頻段存在一種膜振動模態。換能器工作在這一模態頻率附近時殼體表面振動的相位一致性較好、等效輻射面較大，輻射阻較大，因此可以輻射出較大的聲功率。但由于膜振動模態的頻率較高，且很難通過換能器結構尺寸的調整加以控制，因此也難以產生對換能器寬帶性能有益的貢獻。

發明內容

本發明的目的在于提供一種頻率低、功率大、結構緊湊、尺寸重量小的超寬帶水聲換能器。

本發明的目的是這樣實現的：

包括弧形梁、U型梁、過渡塊和驅動元件；所述弧形梁為截面為橢圓弧的柱殼；所述U型梁為U型曲線的平移體；由所述的弧形梁和U型梁連接構成彎張殼體，彎張殼體的兩端面用蓋板封閉；所述驅動元件和過渡塊組成振子裝配體，振子裝配體置于彎張殼體內，并與U型梁內壁剛性連接。

本發明還可以包括：

1、所述振子裝配體的縱向尺寸大于兩個U型梁底部之間的距離，通過預先使彎張殼體產生變形、利用增加兩個U型梁底部之間的距離所產生的壓力使振子裝配體固定于換能器U型梁之間。

2、所述驅動元件包括偶數片壓電單晶片粘接而成的壓電單晶堆，單晶片在電路上采用并聯連接。

3、所述驅動元件包括偶數片壓電陶瓷片粘接而成的壓電陶瓷堆，陶瓷片在電路上采用并聯連接。

4、所述驅動元件包括稀土超磁致伸縮棒，稀土超磁致伸縮棒外面套有線圈骨架，線圈骨架上繞有線圈，在稀土超磁致伸縮棒兩端各安放一片永磁片。

5、所述弧形梁、U型梁、過渡塊、蓋板采用不銹鋼、鋼、鈦合金、鋁合金、玻璃纖維或碳纖維制成。

本發明的工作原理是：

本發明的超寬帶水聲換能器是利用多模態耦合的原理設計的一種彎張式換能器。

本發明的換能器采用弧形梁和U型梁連接構成彎張殼體，相當于增加了傳統橢圓柱型彎張殼體長軸方向的尺寸，從而降低了彎張換能器膜振動模態的頻率，利用換能器的一階彎曲振動、膜振動、二階彎曲振動之間的振動耦合實現換能器的超寬帶發射。