[發明專利]一種倒相式深海彎張水聲換能器

有效

• 申請號: 201710417805.X
• 申請日: 2017-06-06
• 公開（公告）號: CN107274877B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 桑永杰;藍宇;吳彤;丁玥文
• 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

本發明公開了一種倒相式深海彎張換能器，屬于海洋探測、水聲通信技術領域，包括IV型彎張換能器，倒相管和連接結構，兩個倒相管分別位于IV型彎張換能器的兩端，兩個倒相管靠近IV型彎張換能器的一端由連接結構進行連接，IV型彎張換能器被連接結構固定在之間。IV型彎張換能器外部為橢圓形殼體，內部為一驅動單元；橢圓形殼體長軸方向帶有過渡塊，驅動單元由壓電陶瓷或稀土超磁致伸縮材料等有源材料構成。本發明采用半波長倒相管，不僅使彎張換能器具有傳統的溢流彎張換能器能低頻、深海工作的特點，又使彎張換能器具有了大功率、指向性發射的特征，這種彎張換能器可應用于低頻主動聲納、遠距離水聲通信、基于聲學手段的海洋環境監測等領域。

技術領域

本發明屬于海洋探測、水聲通信技術領域，具體涉及一種倒相式深海彎張水聲換能器。

背景技術

水聲設備是重要的海洋觀測設備，利用聲波攜帶信息對水下目標進行探測和識別。換能器是水聲設備的關鍵部件，水聲設備依靠它實現電、聲能量互換。依據工作狀態不同，換能器分成兩大類：將電磁能量轉換成聲能的發射換能器和將聲能轉換為電磁能量的接收換能器(或稱為水聽器)。發射換能器把電磁振蕩能轉換成機械振動能，從而推動水介質進行振動，把電信號轉換成在海洋中傳播的聲信號，輻射聲能；接收換能器把機械振動能轉換成電磁振蕩能量，把聲波信號轉換成電信號，經過放大和處理后，送到顯示器中進行觀察和識別。目前換能器中運用較為廣泛的是壓電換能器，利用壓電效應和逆壓電效應，進行機械能和電能之間能量轉換。某些晶體因受外力作用而發生形變時，在它的某些表面上會出現電荷，出現壓電效應，具有壓電效應的晶體稱為壓電晶體。壓電效應是可逆的，即晶體在外電場的作用下要發生形變，即反向壓電效應或逆壓電效應。

彎張型換能器是實現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，將驅動單元小振幅的縱向振動轉化為殼體大振幅的彎曲振動，提高聲輻射能力。根據其外殼結構可以分成七個主要類型：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的類型之一。

低頻聲波具有吸收損失小的特點，如果利用深海聲道優良的聲傳播條件，低頻聲波的傳播距離可達上千公里，因此在遠距離水聲通信、基于聲學手段的大海域環境監測等領域對低頻、大功率、深海水聲換能器提出了迫切的需求。

目前，水聲換能器領域通常采用IV型彎張結構實現低頻、大功率發射。IV型彎張換能器是一種應用廣泛的彎張換能器，其殼體結構為一橢圓形管，工作時利用橢圓殼體的彎曲振動模態，相比起其他水聲換能器常用的振動模態(如縱振動模態和徑向振動模態)，彎曲振動模態剛度小、諧振頻率低，因此可以實現小尺寸、低頻發射；

IV型彎張換能器常見的驅動方式是將驅動單元沿彎張殼長軸方向置于殼體內部，通過殼體變形為驅動單元施加預應力，這種驅動單元位于殼體內部的驅動方式具有結構緊湊的優勢。利用彎張換能器結構上特有的杠桿原理，壓電晶堆在長軸方向的縱振動可轉化為彎張殼體在短軸方向的呼吸振動，并且長軸方向的振動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，從而實現大功率發射。

然而，IV型彎張換能器也存在著固有的缺點：無法深水工作。傳統的IV型彎張換能器為空氣背襯結構，這樣帶來的主要問題是：當置于深水環境時，換能器的殼體承受了指向內部的靜水壓力，長軸方向的功能材料(如壓電陶瓷材料PZT-8、稀土材料Terfenol-D)上靠彎張殼體恢復力施加的預應力會被釋放，這樣就制約了功能材料的大功率發射能力。另外，較大的靜水壓力還會對彎張殼體造成損壞。因此傳統的空氣背襯IV型彎張換能器的工作深度一般不超過百米。