[發明專利]一種低頻寬帶Helmholtz水聲換能器

在審

• 申請號: 201710416175.4
• 申請日: 2017-06-06
• 公開（公告）號: CN107221316A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 桑永杰;藍宇;丁玥文;吳彤
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G10K9/12
• 分類號: G10K9/12;G10K9/122
• 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水聲領域的換能裝置，具體涉及利用Ⅲ型彎張換能器激勵的一種低頻寬帶Helmholtz水聲換能器。

背景技術

在遠程水聲通信、基于聲學手段的海洋環境監測等技術領域，需要一種低頻、大功率、寬帶水聲換能器發射聲波。受到換能器搭載平臺的限制，水聲換能器的體積和重量是很重要的設計參數。使用者總是希望水聲換能器體積小重量輕，并且能低頻、大功率、寬帶工作，這就為水聲換能器設計技術提出了挑戰。主要的挑戰來源于以下幾點：

一是小體積與低頻發射互為矛盾。傳統的利用縱振動、圓環徑向振動的壓電水聲換能器諧振頻率與尺寸成反比，即所需頻率越低則尺寸越大。以縱振動換能器為例，諧振頻率1000Hz則換能器長度一般超過1米，這種尺寸及帶來的重量在水聲換能器應用中是無法接受的。

二是小體積低頻與大功率發射也是互為矛盾的。由于低頻時輻射阻很低，導致低頻時的輻射聲功率難以提升。若想實現低頻大功率發射，只有增加輻射面積，而這樣又增加了聲源的體積重量。

總之，利用傳統的換能器結構形式，同時實現小尺寸、低頻和大功率發射是困難的。

目前，彎張振動模態和液腔振動模態常被用于低頻大功率水聲換能器中。主要原因在于：利用彎張振動模態的彎張換能器殼體具有位移放大作用，可以在輻射面積一定的情況下獲得更大的體積位移，從而以小體積實現較大功率的聲發射，同時彎張振動模態具有比縱振動及圓環徑向振動更大的等效順性，因此相同尺寸下其諧振頻率更低，Helmholtz共振腔的液腔振動利用了腔內流體的體積模量遠小于結構振動的彈性模量這一優勢，因此液腔的諧振頻率遠低于同尺寸下的結構振動諧振頻率。此外，液腔振動的機械品質因數大，電聲轉換效率高，因此具有較強的聲輻射能力。但是，上述兩種振動模態的帶寬較窄，單獨使用一種模態難以實現寬帶發射。

本發明提出的設計為在Ⅲ型彎張換能器外側設置Helmholtz共振腔，利用彎張振動模態激勵出液腔振動模態，兩個低頻振動耦合可以實現換能器低頻寬帶發射，同時保留了兩者小尺寸、低頻大功率發射的優點。因此換能器同時兼具了小尺寸、低頻、大功率、寬帶發射的特點。

發明內容

本發明的目的在于提供兼具小尺寸、低頻、大功率、寬帶發射等特點的一種低頻寬帶Helmholtz水聲換能器。

本發明的目的是這樣實現的：

本發明一種低頻寬帶Helmholtz水聲換能器，包括Ⅲ型彎張換能器、水密電纜頭(1)、上圓柱殼(2)、下圓柱殼(4)及螺桿(3)組成，其特征在于：所述的Ⅲ型彎張換能器包括上蓋板(5)、上質量塊(6)、凹筒形輻射板(7)、壓電陶瓷堆(8)、預應力螺桿(9)、下質量塊(10)組成；所述上圓柱殼(2)與下圓柱殼(4)分別設置在Ⅲ型彎張換能器兩端并通過螺桿(3)連接，兩個圓柱殼體與Ⅲ型彎張換能器為非剛性連接并構成同軸嵌套結構；所述上圓柱殼(2)與下圓柱殼(4)之間留有一定距離，形成液腔振動的輻射口；兩個圓柱殼體與Ⅲ型彎張換能器中的凹筒形輻射板(7)構成Helmholtz共振腔。

本發明還可以包括：

所述一種低頻寬帶Helmholtz水聲換能器，所述的上圓柱殼(2)與下圓柱殼(4)采用不銹鋼金屬材料制成；所述的上圓柱殼(2)與上質量塊(6)之間、下圓柱殼(4)與下質量塊(10)之間均有隔振橡膠圈(11)；所述上圓柱殼(2)與下圓柱殼(4)均設有定位圈，用于固定Ⅲ型彎張換能器與圓柱殼體的相對位置。

所述的Ⅲ型彎張換能器中的壓電陶瓷堆(8)，壓電陶瓷堆(8)由n片壓電陶瓷片粘接而成，n為壓電陶瓷片沿厚度方向極化，每兩片陶瓷片之間設有電極片，壓電陶瓷片在電路上采用并聯；所述的壓電陶瓷堆(8)與Ⅲ型彎張換能器的外側均包覆有水密橡膠層(13)。

所述的壓電陶瓷堆(8)為稀土超磁致伸縮材料制成的圓棒，圓棒外圍纏繞一組激勵線圈，激勵線圈封閉在高磁導率材料制成的閉合回路里。

所述的Ⅲ型彎張換能器中的預應力螺桿(9)，預應力螺桿(9)上端由上質量塊(6)的中心圓孔插入，貫穿壓電陶瓷堆(8)，末端螺紋與下質量塊(10)的螺紋擰緊。

所述的Ⅲ型彎張換能器中的上蓋板(5)，上蓋板(5)設有螺紋孔與上質量塊(6)連接。

所述的Ⅲ型彎張換能器中的上質量塊(6)，質量塊(6)頂部設置水密槽，底部設有一個或兩個通孔。