[發(fā)明專利]一種倒相式深海彎張水聲換能器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710417805.X
• 申請(qǐng)日: 2017-06-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107274877B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 桑永杰;藍(lán)宇;吳彤;丁玥文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G10K9/12
• 分類號(hào): G10K9/12;G10K9/122
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• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明公開(kāi)了一種倒相式深海彎張換能器，屬于海洋探測(cè)、水聲通信技術(shù)領(lǐng)域，包括IV型彎張換能器，倒相管和連接結(jié)構(gòu)，兩個(gè)倒相管分別位于IV型彎張換能器的兩端，兩個(gè)倒相管靠近IV型彎張換能器的一端由連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，IV型彎張換能器被連接結(jié)構(gòu)固定在之間。IV型彎張換能器外部為橢圓形殼體，內(nèi)部為一驅(qū)動(dòng)單元；橢圓形殼體長(zhǎng)軸方向帶有過(guò)渡塊，驅(qū)動(dòng)單元由壓電陶瓷或稀土超磁致伸縮材料等有源材料構(gòu)成。本發(fā)明采用半波長(zhǎng)倒相管，不僅使彎張換能器具有傳統(tǒng)的溢流彎張換能器能低頻、深海工作的特點(diǎn)，又使彎張換能器具有了大功率、指向性發(fā)射的特征，這種彎張換能器可應(yīng)用于低頻主動(dòng)聲納、遠(yuǎn)距離水聲通信、基于聲學(xué)手段的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于海洋探測(cè)、水聲通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種倒相式深海彎張水聲換能器。

背景技術(shù)

水聲設(shè)備是重要的海洋觀測(cè)設(shè)備，利用聲波攜帶信息對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別。換能器是水聲設(shè)備的關(guān)鍵部件，水聲設(shè)備依靠它實(shí)現(xiàn)電、聲能量互換。依據(jù)工作狀態(tài)不同，換能器分成兩大類：將電磁能量轉(zhuǎn)換成聲能的發(fā)射換能器和將聲能轉(zhuǎn)換為電磁能量的接收換能器(或稱為水聽(tīng)器)。發(fā)射換能器把電磁振蕩能轉(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)，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成在海洋中傳播的聲信號(hào)，輻射聲能；接收換能器把機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電磁振蕩能量，把聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和處理后，送到顯示器中進(jìn)行觀察和識(shí)別。目前換能器中運(yùn)用較為廣泛的是壓電換能器，利用壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，進(jìn)行機(jī)械能和電能之間能量轉(zhuǎn)換。某些晶體因受外力作用而發(fā)生形變時(shí)，在它的某些表面上會(huì)出現(xiàn)電荷，出現(xiàn)壓電效應(yīng)，具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體。壓電效應(yīng)是可逆的，即晶體在外電場(chǎng)的作用下要發(fā)生形變，即反向壓電效應(yīng)或逆壓電效應(yīng)。

彎張型換能器是實(shí)現(xiàn)低頻聲輻射的常用水聲換能器，其工作原理是利用彎張殼體的位移放大效應(yīng)，將驅(qū)動(dòng)單元小振幅的縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)化為殼體大振幅的彎曲振動(dòng)，提高聲輻射能力。根據(jù)其外殼結(jié)構(gòu)可以分成七個(gè)主要類型：I型、II型、III型、IV型、V型、VI型和VII型。IV型彎張換能器是最常見(jiàn)的類型之一。

低頻聲波具有吸收損失小的特點(diǎn)，如果利用深海聲道優(yōu)良的聲傳播條件，低頻聲波的傳播距離可達(dá)上千公里，因此在遠(yuǎn)距離水聲通信、基于聲學(xué)手段的大海域環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?qū)Φ皖l、大功率、深海水聲換能器提出了迫切的需求。

目前，水聲換能器領(lǐng)域通常采用IV型彎張結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低頻、大功率發(fā)射。IV型彎張換能器是一種應(yīng)用廣泛的彎張換能器，其殼體結(jié)構(gòu)為一橢圓形管，工作時(shí)利用橢圓殼體的彎曲振動(dòng)模態(tài)，相比起其他水聲換能器常用的振動(dòng)模態(tài)(如縱振動(dòng)模態(tài)和徑向振動(dòng)模態(tài))，彎曲振動(dòng)模態(tài)剛度小、諧振頻率低，因此可以實(shí)現(xiàn)小尺寸、低頻發(fā)射；

IV型彎張換能器常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式是將驅(qū)動(dòng)單元沿彎張殼長(zhǎng)軸方向置于殼體內(nèi)部，通過(guò)殼體變形為驅(qū)動(dòng)單元施加預(yù)應(yīng)力，這種驅(qū)動(dòng)單元位于殼體內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)方式具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢(shì)。利用彎張換能器結(jié)構(gòu)上特有的杠桿原理，壓電晶堆在長(zhǎng)軸方向的縱振動(dòng)可轉(zhuǎn)化為彎張殼體在短軸方向的呼吸振動(dòng)，并且長(zhǎng)軸方向的振動(dòng)位移在短軸方向得到了放大(一般可放大3-4倍)，因此彎張換能器能以較小的尺寸輸出較大的體積位移，從而實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)射。

然而，IV型彎張換能器也存在著固有的缺點(diǎn)：無(wú)法深水工作。傳統(tǒng)的IV型彎張換能器為空氣背襯結(jié)構(gòu)，這樣帶來(lái)的主要問(wèn)題是：當(dāng)置于深水環(huán)境時(shí)，換能器的殼體承受了指向內(nèi)部的靜水壓力，長(zhǎng)軸方向的功能材料(如壓電陶瓷材料PZT-8、稀土材料Terfenol-D)上靠彎張殼體恢復(fù)力施加的預(yù)應(yīng)力會(huì)被釋放，這樣就制約了功能材料的大功率發(fā)射能力。另外，較大的靜水壓力還會(huì)對(duì)彎張殼體造成損壞。因此傳統(tǒng)的空氣背襯IV型彎張換能器的工作深度一般不超過(guò)百米。