[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 |
| 代理公司: | 暫無(wú)信息 | 代理人: | 暫無(wú)信息 |
| 地址: | 150001 黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)*** | 國(guó)省代碼: | 黑龍江;23 |
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| 摘要: | |||
| 搜索關(guān)鍵詞: | 一種 倒相式 深海 彎張水聲換能器 | ||
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。
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