[發明專利]低頻電聲換能器和產生聲波的方法

有效

• 申請號: 201280011032.0
• 申請日: 2012-01-31
• 公開（公告）號: CN103492090A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: F·莫斯卡;M·維亞爾;G·格雷寧蓋伊;G·馬特
• 申請（專利權）人: 埃艾克斯布魯公司
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 楊曉光;于靜

技術領域

本發明涉及用于水聲通信或用于水下聲學層析成像的電聲換能器。更精確地，本發明涉及可兼容于大浸沒深度（高于3000米）并且具有長期自主性，在低頻域（低于1kHz）中操作的可潛水的電聲換能器。本發明同樣涉及產生低頻和寬頻帶聲波的方法。

背景技術

電聲換能器用于聲壓波的發送和/或接收。在發送模式中，聲學換能器將電勢差轉換成聲壓波，并且在接收模式中反過來。換能器具有頻率帶寬并且呈現對應于帶寬中間的所謂的中心頻率。

在高于約十公里的距離上的水聲通信需要低頻聲源（低于1kHz的頻率）的使用以達到遠程和寬頻帶（比中心頻率的10%高的帶寬）的目標并且允許足夠的數據速率。

各種類型的低頻換能器通常用在水下聲學中：

-電火花器是聲學火花隙，該聲學火花隙的傳輸波的編碼是不可能的；

-轟鳴（boomer）在兩個平行的金屬板中通過Foucault電流產生聲波，但它們不允許編碼通信；

-壓電環是由一個或幾個金屬環組成的系統，在該金屬環的內壁上沿徑向布置幾個壓電電機。當激勵該壓電電機時，該環處于振動中。這些環因此充當喇叭或振動壁。然而，該壓電環系統的實現仍然困難并且它們的可重復性不夠。

-Janus-Helmholtz換能器與編碼兼容，但它們在低頻時受到限制。

在下文中，更特別地參考Janus-Helmholtz型換能器。也稱為雙Tonpilz換能器的Janus-Helmholtz換能器基于形成壓電電機的壓電部件的堆疊的使用。Janus-Helmholtz換能器包括沿著相同軸對齊并且在中心配重上固定的兩個壓聲電機，每個壓聲電機通過預應力桿連接到喇叭上。這兩個喇叭因此位于設備軸上的相對端處，并且關于與軸橫向的平面對稱。Janus-Helmholtz換能器一般包括非諧振的剛性圓筒形外殼，該外殼劃定了位于外殼內壁和喇叭的背面之間的流體腔的界限。Janus-Helmholtz換能器允許在比Tonpilz型換能器（高于1kHz的頻率）更低的聲頻（從150Hz至20kHz）中工作。Janus-Helmholtz換能器在位于沿著該換能器軸的傳輸方向上產生縱向的聲學諧振模式。在下文中，該諧振模式將被稱為縱向諧振模式。然而，該Janus-Helmholtz換能器在低頻（<1kHz）時受到限制。特別是與腔體積成反比的該諧振頻率，低頻Janus-Helmholtz換能器使體積受到約束。

壓聲諧振器一般位于防水保護的外殼中。該喇叭的外表面與浸沒介質直接接觸或放置在透聲膜的后面。該外殼的內腔充滿空氣或充滿選擇以具有良好聲學阻抗而沒有損耗（即沒有隨水阻抗陡變（rupture））的流體。所使用的流體一般是油。當該腔體充滿空氣時，經由喇叭的外表面形成在換能器和浸沒介質之間的聲學耦合。當該腔體充滿油時，經由喇叭，通過油和外殼形成在換能器和浸沒介質之間的聲學耦合。該浸入的換能器將諧振器的振動波轉換成在浸沒介質中傳播的聲壓波。

已知在深度浸沒使用的情況下壓電陶瓷的性能顯著變化，因為靜水壓力隨著浸沒深度線性增加。

存在包括充滿氣體的防水外殼的電聲換能器，但該外殼必須足夠牢固以抵抗在液體中的浸沒壓力，當浸沒深度很大時這顯著增加了換能器的重量。

存在包括用于補償靜水壓力到外殼上的施加力和增加對深度浸沒中的外部壓力的阻力的氣動補償系統的電聲換能器。

然而這種復雜的氣動補償系統被限于低于3000米的浸沒深度。

在包括外殼的電聲換能器中，一般搜索以減弱通過外殼的聲波傳輸，該外殼傳輸處于在不可取的發送和接收方向上輻射損耗的原點處。特別基于用于在與換能器軸橫向的方向上的聲波吸收或衍射裝置的使用，存在用于在外殼和壓電堆疊之間解耦的各種設備。

另一方面，為了減少聲波換能器的諧振頻率，已知的解決方案在于放置在諧振腔中充滿氣體的柔性（compliant）管。然后這種換能器具有包括在500Hz和1000Hz之間的諧振頻率。然而，受到浸沒介質的靜水壓力的該柔性管，它們在高壓下會被壓碎，這使換能器的浸沒深度限于小于1000米。

發明內容

本發明的一個目的是提供用于在大浸沒深度和在低頻時傳輸聲波的自主水聲通信系統。本發明的另一個目的是提出用于產生低頻和寬頻帶聲波的方法。

該技術問題是減少Janus-Helmholtz型的可潛式電聲換能器的諧振頻率而不增加該換能器的尺寸和重量，以便確保大浸沒深度下的電聲效率和長期自主性。