本發(fā)明屬于低頻主動(dòng)探測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種共形驅(qū)動(dòng)iv型彎張換能器。

背景技術(shù)：

聲波是人類迄今為止已知的唯一能在海水中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰枯d體。無(wú)論是軍事作戰(zhàn)，還是海洋開發(fā)，均都采用聲波作為運(yùn)載信息的媒介。水聲換能器作為水下產(chǎn)生聲音的通用設(shè)備，需根據(jù)時(shí)代需求進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用技術(shù)改進(jìn)。

近年來(lái)，國(guó)家發(fā)展海洋戰(zhàn)略強(qiáng)國(guó)的愿望愈加強(qiáng)烈，海洋開發(fā)的愈加廣泛，這就要求相應(yīng)的水聲設(shè)備及技術(shù)更加快速發(fā)展。21世紀(jì)是海洋時(shí)代，艦艇聲納裝備越來(lái)越重要，已經(jīng)成為海軍艦艇上最為重要的水聲作戰(zhàn)系統(tǒng)，這些潛艇安裝良好的消聲設(shè)備，使傳統(tǒng)的被動(dòng)聲納探測(cè)難度越來(lái)越大、探測(cè)距離越來(lái)越近、安全防范能力幾乎消失，這就要求使用主動(dòng)聲納遠(yuǎn)距離探測(cè)安靜型潛艇，根據(jù)聲波在水中傳播及消聲瓦的特點(diǎn)，使用低頻、大功率主動(dòng)聲納，可以大大增加探測(cè)距離，增加我方潛艇的作戰(zhàn)部署時(shí)間。作為低頻主動(dòng)聲納系統(tǒng)的最重要組成部分，低頻發(fā)射換能器的設(shè)計(jì)也越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視，不過換能器尺寸過大、輻射阻抗相對(duì)較低、組陣時(shí)的互輻射影響以及深水限制等問題仍需要通過技術(shù)手段的不斷進(jìn)步來(lái)解決。同時(shí)隨著近年來(lái)水下小目標(biāo)平臺(tái)及其吊放聲納的廣泛應(yīng)用，對(duì)于小尺寸的低頻主動(dòng)探測(cè)應(yīng)用換能器的需求更加迫切，所以研究低頻、小尺寸、大功率的換能器顯得尤其重要。

目前，在所有低頻大功率換能器類型中，彎張換能器利用的為殼體彎曲振動(dòng)實(shí)現(xiàn)低頻特性，所以相對(duì)其他形式換能器結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕，而彎張換能器的殼體輻射面積占總表面積比例較大，又具有位移放大作用，使得具有較大聲功率，因而成為一種常用的低頻水聲換能器。但隨著近年來(lái)水聲探測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域的新需求，換能器的應(yīng)用頻率越來(lái)越低。通常來(lái)說(shuō)，水聲換能器的工作頻率越低，尺寸重量就越大，相應(yīng)的加工制作難度和成本也就越高。現(xiàn)階段應(yīng)用在100-500hz頻段的換能器重量基本都在幾百公斤以上，普遍存在體積大，重量大的問題。雖然對(duì)于小體積的低頻換能器需求愈加強(qiáng)烈，但是，國(guó)內(nèi)外專家們對(duì)進(jìn)一步降低彎張類換能器的工作頻率和小尺寸等問題的研究并不是很多，主要也就是從驅(qū)動(dòng)材料角度使用低聲速的材料(如terfenol-d)，或者增加殼體主振區(qū)振動(dòng)質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

專利號(hào)為cn105702244a的一種嵌入式外部驅(qū)動(dòng)iv型彎張換能器為改變傳統(tǒng)內(nèi)部縱向驅(qū)動(dòng)為外部縱向驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，通過殼體嵌入式的結(jié)構(gòu)，使驅(qū)動(dòng)堆進(jìn)入殼體內(nèi)部，而驅(qū)動(dòng)形式又為外部驅(qū)動(dòng)，其合理的減少了換能器的外結(jié)構(gòu)尺寸。

本發(fā)明相比于上述專利中提出的外部驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，區(qū)別在于，本發(fā)明中的共形驅(qū)動(dòng)iv型彎張換能器，采用的為與彎張殼體共形的新驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，目的是實(shí)現(xiàn)換能器更低的工作頻率特性，無(wú)論是實(shí)現(xiàn)原理以及結(jié)構(gòu)都完全不同。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)目前現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明旨在提供一種解決同等結(jié)構(gòu)尺寸下iv型彎張換能器進(jìn)一步降低諧振頻率的問題，使iv型彎張換能器更容易實(shí)現(xiàn)低頻、小尺寸特性的共形驅(qū)動(dòng)iv型彎張換能器。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明為共形驅(qū)動(dòng)iv型彎張換能器，包括彎張殼體1、陶瓷圓弧2、橡膠墊3、上蓋板4、下蓋板5、螺桿6、螺帽7以及便于電連接的水密電纜頭8，其特征在于：所述的彎張殼體1為開有內(nèi)部鑲嵌口9的拉伸橢圓結(jié)構(gòu)，上下端面與橡膠墊3連接，橡膠墊3的上下表面分別與上蓋板4、下蓋板5緊密接觸；上蓋板4、下蓋板5上分布有通孔10，螺桿6連接上蓋板4、下蓋板5，用螺帽7旋緊,，組成共形驅(qū)動(dòng)彎張換能器的整體外結(jié)構(gòu)；上蓋板4設(shè)置有電連接孔11，電連接孔11上設(shè)置有水密電纜頭8，水密電纜頭8通過導(dǎo)線與兩個(gè)陶瓷圓弧2進(jìn)行并聯(lián)電連接。

所述的彎張殼體1外表面輪廓結(jié)構(gòu)為橢圓，彎張殼體1短軸內(nèi)側(cè)開有兩個(gè)對(duì)稱的內(nèi)部鑲嵌口9；內(nèi)部鑲嵌口9為圓弧結(jié)構(gòu)，其邊緣面與陶瓷圓弧2外邊緣面曲率半徑一致；陶瓷圓弧2開角角度大于內(nèi)部鑲嵌口9的開角角度。

所述的螺桿6螺桿兩側(cè)分別帶有限位功能的臺(tái)階。

所述的陶瓷圓弧2為徑向極化陶瓷圓弧或鑲拼陶瓷圓弧。

所述的徑向極化陶瓷圓弧為pzt-4陶瓷圓環(huán)的部分結(jié)構(gòu)；徑向極化陶瓷圓弧環(huán)向邊緣內(nèi)外面有去電極處理

所述的鑲拼陶瓷圓弧是由n片楔形pzt-4壓電陶瓷條拼接成的圓弧，n為偶數(shù)；壓電陶瓷條沿厚度方向極化，每相鄰的兩片壓電陶瓷條極化方向相反；相鄰兩陶瓷條之間設(shè)置并聯(lián)連接的電極片；環(huán)向最邊緣有兩片金屬條13；鑲拼陶瓷圓弧外表面為環(huán)氧樹脂膠玻璃絲層12。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：

本發(fā)明克服了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的iv型彎張換能器由于長(zhǎng)梁驅(qū)動(dòng)形式使得換能器殼體振動(dòng)頻率明顯提高的缺點(diǎn)，采用陶瓷圓弧驅(qū)動(dòng)及其開有圓弧鑲嵌口的殼體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)陶瓷與殼體共形的驅(qū)動(dòng)形式，在保證殼體彎曲振動(dòng)頻率不明顯升高的前提下，又能夠合理利用彎張換能器的位移放大作用，從而實(shí)現(xiàn)彎張換能器進(jìn)一步降低工作頻率，并具有較大功率工作的特性。本專利水聲換能器兼具小尺寸、低頻、大功率、重量輕等特點(diǎn)，可單獨(dú)或者組陣應(yīng)用于搭載各種小平臺(tái)的主動(dòng)探測(cè)聲納，深海水聲通信等領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1是共形驅(qū)動(dòng)iv型彎張換能器結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。

圖2是共形驅(qū)動(dòng)iv型彎張換能器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是共形驅(qū)動(dòng)iv型彎張換能器殼體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是共形驅(qū)動(dòng)iv型彎張換能器徑向極化陶瓷圓弧結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是共形驅(qū)動(dòng)iv型彎張換能器鑲拼陶瓷圓弧結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

如圖1至圖2所示，本發(fā)明的共形驅(qū)動(dòng)iv型彎張換能器，主要包括彎張殼體1、兩個(gè)陶瓷圓弧2、兩個(gè)橡膠墊3、上蓋板4、下蓋板5、六個(gè)連接螺桿6、六個(gè)螺帽7、水密電纜頭8。彎張殼體1帶有兩個(gè)內(nèi)部鑲嵌口9，分別與兩個(gè)陶瓷圓弧2配合連接實(shí)現(xiàn)共形，彎張殼體1上下表面分別與橡膠墊3連接，橡膠墊其余兩面與上蓋板4和下蓋板5連接，上下蓋板上分布有通孔10，連接螺桿6配合連接上下蓋板5，用螺帽7旋緊，形成換能器整體外結(jié)構(gòu)，并對(duì)橡膠墊施加預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)水密。上蓋板4上有與水密電纜頭8配合連接的電連接孔11，水密電纜頭8通過導(dǎo)線與兩個(gè)陶瓷圓弧2進(jìn)行并聯(lián)電連接。

如圖3所示，本發(fā)明的彎張殼體1是由鋁合金(或者鈦合金)金屬材料經(jīng)加工而成，其為拉伸體結(jié)構(gòu)，外表面輪廓為橢圓結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)表面為開有兩個(gè)內(nèi)部鑲嵌口9的橢圓結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部鑲嵌口9為一定角度的圓弧截面，兩個(gè)內(nèi)部鑲嵌口9對(duì)稱分布在彎張殼體1短軸內(nèi)側(cè)；

本發(fā)明的陶瓷圓弧2可以為徑向極化圓弧，也可以是鑲拼陶瓷圓弧。徑向極化陶瓷圓弧如圖4所示，弧的環(huán)向邊緣內(nèi)外面做去電極處理，防止與殼體接觸時(shí)電短路；鑲拼陶瓷圓弧如圖5所示，是由n片(n由圓弧角度、半徑和楔形條尺寸決定，其中n必須為偶數(shù))楔形pzt-4壓電陶瓷條粘接成一定角度的圓弧，壓電陶瓷條沿環(huán)向厚度方向極化，每相鄰的兩片壓電陶瓷條極化方向相反，陶瓷條之間設(shè)置電極片，在電路上采用并聯(lián)連接，環(huán)向最邊緣有兩片金屬條13，保證與殼體裝配時(shí)具有足夠的強(qiáng)度，方便裝配；并在鑲拼陶瓷圓弧外側(cè)貼覆粘有環(huán)氧樹脂膠玻璃絲層12，用于實(shí)現(xiàn)在與殼體接觸時(shí)的電絕緣和增加陶瓷圓弧2的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。水密電纜頭8與電連接孔11連接，并通過橡膠墊3保證水密，用導(dǎo)線引出陶瓷圓弧2正負(fù)電極與水密電纜頭8連接。

上述所述的彎張殼體1和陶瓷圓弧2，其特征在于，陶瓷圓弧2的外表面和彎張殼體內(nèi)部?jī)?nèi)部鑲嵌口9的表面曲率半徑相同，陶瓷圓弧2的開角角度大于內(nèi)部?jī)?nèi)部鑲嵌口9的開角度，在徑向?qū)崿F(xiàn)緊密配合的同時(shí)，在環(huán)向由殼體對(duì)陶瓷圓弧施加足夠預(yù)應(yīng)力，以實(shí)現(xiàn)大功率工作。

橡膠墊3是由具有一定硬度、耐滲水的硅橡膠或者氟橡膠制作而成，其外結(jié)構(gòu)輪廓橢圓與彎張殼體1外尺寸相同，上下表面平整光滑，與彎張殼體1上下端面及上蓋板4和下蓋板5表面足夠接觸，在起到基本水密特性之外，也在高度方向上實(shí)現(xiàn)一定程度的去耦；

上蓋板4和下蓋板5結(jié)構(gòu)尺寸相同，是由鋁合金(或者鈦合金)金屬材料加工而成，其外結(jié)構(gòu)輪廓為橢圓結(jié)構(gòu)，在邊緣處分布有六個(gè)通孔，與螺桿6配合連接；上蓋板4處開有電連接孔11，用于安裝電連接的水密電纜頭8；

連接螺桿6是由不銹鋼(或者鈦合金)金屬材料加工而成，兩側(cè)分別帶有限位功能的臺(tái)階，兩個(gè)限位臺(tái)階在裝配上蓋板4和下蓋板5過程中，通過螺帽7旋緊壓縮橡膠墊3，設(shè)定了壓縮橡膠墊3的最大行程，使得橡膠墊3在彈性范圍內(nèi)，并能實(shí)現(xiàn)水密密封功能，同時(shí)也在一定程度上保證換能器的整體強(qiáng)度以及工作最大水深。

本發(fā)明的換能器在水中工作時(shí)，對(duì)電并聯(lián)連接的兩個(gè)陶瓷圓弧2施加交變電場(chǎng)，在交變電場(chǎng)的激勵(lì)下陶瓷圓弧2產(chǎn)生環(huán)向的往復(fù)振動(dòng)，從而激勵(lì)出彎張殼體1的呼吸振動(dòng)模態(tài)，由于位移放大作用，在殼體短軸處具有較大的往復(fù)振動(dòng)位移，實(shí)現(xiàn)聲音的輻射。本發(fā)明因?yàn)椴捎锰沾蓤A弧2與彎張殼體1共形的結(jié)構(gòu)形式，所以使得彎張殼體1的結(jié)構(gòu)剛度變化較小，在基本的呼吸振動(dòng)模態(tài)情況下，實(shí)現(xiàn)了換能器的更低頻率輻射特性。共形驅(qū)動(dòng)形式為彎張換能器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低頻、小尺寸特性提供了新的方法。

以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)情況，作出本發(fā)明的其他實(shí)施方式，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。