[發明專利]一種超結構水聲發射換能器

在審

• 申請號: 202011097812.4
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112216262A
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 吳九匯;雷云中;王軻
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G10K11/00
• 分類號: G10K11/00;H04R1/28;H04R1/44;H04R9/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 房鑫

一種超結構水聲發射換能器，包括外殼以及設置在外殼內部密封空間的電動式驅動元件以及超結構輻射蓋板，超結構輻射蓋板由基板以及固定在基板上的多個附加質量單元組成，電動式驅動元件包括軟磁材料底座，軟磁材料底座上開設有環形凹槽，環形凹槽當中放置有永磁材料芯體，由軟磁材料底座頂部至永磁材料芯體與軟磁材料底座之間的縫隙插入安裝線圈骨架，線圈骨架上纏繞線圈，軟磁材料底座的中心掏空并設置有螺旋彈簧，螺旋彈簧通過連接件與基板相連，所述的連接件具有能夠與線圈骨架固定的平板面。本發明水聲發射換能器的尺寸小，能夠在中低頻范圍形成連續的聲發射寬帶。

技術領域

本發明屬于換能器設計領域，具體涉及一種超結構水聲發射換能器。

背景技術

由于減振降噪和消聲瓦技術的進步，各國潛艇輻射噪聲級逐年降低，中高頻的自噪聲逐漸被解決，殘留噪聲頻段越來越向1kHz以下的低頻集中。尤其是近年來，隨著聲隱身技術的發展，潛艇的隱蔽性能和機動性能實現了大幅度提高，安靜型潛艇的輻射噪聲級(1kHz處)甚至已經低于海域內的背景噪聲，大大增加了水下探潛的難度。歐美國家開始嘗試利用主動聲吶進行遠程主動探測，因此，具有低頻、寬帶、大功率、深水、小尺寸等特性的水聲換能器成為國內外學者研究的焦點。目前，應用成熟的低頻水聲發射換能器主要利用彎曲振動、液腔共振以及電動式激勵的方法來實現。其中利用彎曲振動的換能器通過殼體的彎曲振動輻射聲波，并且殼體具有輻射放大效應，因此能夠以較小尺寸實現低頻大功率的聲發射。但是利用彎曲振動的換能器要想實現1kHz以下低頻寬帶工作，則往往需要有很大的體積與質量。利用液腔振動的換能器雖然能夠實現1kHz以下水聲發射，但其尺寸和重量也很大。電動式換能器通常利用交流線圈在磁場中的反作用力驅動活塞或振膜向水中輻射聲能，是甚低頻段寬帶、低功率換能器的首選類型，但是其1kHz以下全頻段水聲發射效率低，尺寸和重量很大。可以看到，傳統低頻換能器，實現工作頻率1kHz以下低頻寬帶振動時，其體積、重量都非常大。因此，小尺寸的低頻大寬帶水聲發射換能器具有重要的軍事和工程應用價值。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術中低頻水聲發射換能器效率低以及尺寸和重量較大的問題，提供一種超結構水聲發射換能器，其尺寸小，能夠在低頻范圍內形成連續的聲發射寬帶。

為了實現上述目的，本發明有如下的技術方案：

一種超結構水聲發射換能器，包括外殼以及設置在外殼內部密封空間的電動式驅動元件以及超結構輻射蓋板，超結構輻射蓋板由基板以及固定在基板上的多個附加質量單元組成，電動式驅動元件包括軟磁材料底座，軟磁材料底座上開設有環形凹槽，環形凹槽當中放置有永磁材料芯體，由軟磁材料底座頂部至永磁材料芯體與軟磁材料底座之間的縫隙插入安裝線圈骨架，線圈骨架上纏繞線圈，軟磁材料底座的中心掏空并設置有螺旋彈簧，螺旋彈簧通過連接件與基板相連，所述的連接件具有能夠與線圈骨架固定的平板面。

優選的，每個附加質量單元能夠在不同頻段局域共振發射中低頻聲波，通過多個附加質量單元并列耦合的方式得到多個輻射聲壓級峰值，從而在中低頻范圍形成連續的聲發射寬帶，中低頻范圍包括30～5000Hz。

優選的，通過降低基板的厚度降低等效剛度和固有頻率，在局域共振的作用下實現中低頻聲波發射，頻率范圍包括30～5000Hz。

優選的，聲輻射頻段通過調節所述附加質量單元的質量在中低頻范圍進行調整，中低頻范圍包括30～5000Hz。

優選的，所述基板的彈性模量越小、厚度越小或面積越大，或附加質量單元質量越大、距離中心位置越遠，其聲輻射頻率越低。

優選的，所述的連接件中心設置有凸起的螺柱，螺柱由基板的中心穿過并通過安裝緊固螺母進行固定連接。

優選的，所述的外殼包括固定在換能器基座上的后殼體以及固定在后殼體上的前殼體，所述的基板與前殼體之間粘接密封墊圈，防止水介質通過邊緣的間隙進入換能器內部。