專利名稱：一種超低頻水聲換能器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于聲學傳感器領域，具體地說，本發(fā)明涉及一種由兩級彎曲梁組成的復合梁超低頻水聲換能器。
背景技術：
隨著現(xiàn)代聲納技術的發(fā)展和聲納技術應用領域的不斷擴大，聲納的低端工作頻率已經(jīng)延伸到幾百赫茲，在某些新的領域中甚至采用幾十赫茲的工作頻率。所以，進行超低頻水聲換能器的研制已凸顯必要性。
實現(xiàn)水聲換能器的超低頻輻射有多種方法。日本曾經(jīng)研制出用于海洋層析探測的稀土低頻大功率圓環(huán)換能器，諧振頻率是30Hz，其外形結構的最大尺寸是2m，空氣中重量為5噸。
另外一種諧振頻率為200Hz的multiport換能器，長度尺寸為2.46m，最大直徑為0.73m。
動圈式換能器(Moving-Coil Transducers)也是實現(xiàn)低頻輻射比較好的聲源，其結構主要由磁路和連接振動線圈的剛性活塞兩部分組成，通常采用壓縮氣體作為壓力釋放機構解決耐靜水壓問題。它是低頻、寬帶、低功率的換能器類型，其低功率的原因在于磁感應系數(shù)和電線長度與負載電流的乘積之間的相互限制。動圈式換能器的另一個缺點是，其性能受到工作深度的影響較大。
早在20世紀60年代，美國人圖利斯(Toulis)提出了彎曲伸張式換能器(簡稱彎張換能器)的概念，如文獻1History of the flextensional electroacoustictransducer，Kenneth D.Rolt，J.A.S.A，87(3)，19901340p-1349p。彎張換能器的結構形式復雜多樣，現(xiàn)在研制成功的實例已不下百余種，歸納起來，公認的彎張換能器有7種類型。彎張換能器是獲得低頻大功率和寬帶聲信號的小巧的聲源，從工作原理上講，彎張換能器是有源元件和機械結構的耦合振動系統(tǒng)，它一般是利用有源元件的伸張振動(在長度方向或徑向)，通過絞鏈機構使機械機構(殼體)做彎曲振動。它借助杠桿原理，可使有源元件沿伸張方向的小的位移在殼體外表面得到不同程度的放大，從而達到提高體積速度的目的。彎張換能器的殼體通常是曲面的反轉體、曲線的回旋體或封閉曲線的平移體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用兩級復合彎曲梁構成換能器殼體，使有限尺寸的結構具有更低的諧振頻率的，采用了兩級振幅放大的設計原理，使驅動元件的激勵位移通過兩級彎曲梁的兩次振幅放大，轉換成輻射面更大的體積位移，具有更大的輻射能力的超低頻水聲換能器。
為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的超低頻水聲換能器，包括彎張殼體、驅動元件、質(zhì)量軛和過渡塊；其特征在于，所述質(zhì)量軛為T形質(zhì)量軛；所述彎張殼體為復合梁彎張殼體，該殼體由一級彎曲梁4、二級彎曲梁11、第一突起1和第二突起12，和在所述一級彎曲梁4的內(nèi)壁上設置第一突起1和第二突起12，T形質(zhì)量軛9設置在2個突起之間，并與一級彎曲梁4連接組成，近似于“弓”形截面的平移體，由兩段彎曲梁(分為一級彎曲梁和二級彎曲梁)組成“弓”形閉合曲面，且結構上下兩部分對稱，平移體的兩端面均不封閉；所述驅動元件、第一過渡塊2和第二過渡塊10組成換能器的內(nèi)腔裝配單元，該裝配單元長度方向的尺寸要大于突起與T形質(zhì)量軛9之間的距離；在每一裝配單元的驅動元件(稀土超磁致伸縮材料8或壓電陶瓷堆7)兩外面分別設置第一過渡塊2和第二過渡塊10，至少一個驅動元件及其左右兩側的過渡塊安裝在一級彎曲梁和T形質(zhì)量軛之間。
上述技術方案中，所述驅動元件包括2個以上，對稱排列安裝在一級彎曲梁和T形質(zhì)量軛之間；所述驅動元件采用多片壓電陶瓷片黏結而成的壓電陶瓷堆，陶瓷片在電路形式上采用并聯(lián)連接。所述驅動元件包括一中心帶有通孔的線圈軸，線圈軸上纏繞有線圈5，線圈軸內(nèi)插入一根稀土超磁致伸縮圓棒6并在其兩端面各放置一圓片狀的稀土永磁8。
上述技術方案中，所述一級彎曲梁4和二級彎曲梁11可以采用相同或不同的壁厚以調(diào)整諧振頻率。
上述技術方案中，所述質(zhì)量軛的厚度要大于復合梁彎張殼體的厚度。
上述技術方案中，所述第一過渡塊呈凹圓弧的方塊狀，第二過渡塊呈長方塊狀。
上述技術方案中，所述第一突起1與第一過渡塊2相接觸的面呈凸圓弧狀，第一過渡塊2的表面呈凹圓弧狀。
上述技術方案中，所述一級彎曲梁4、二級彎曲梁11、質(zhì)量軛和過渡塊采用不銹鋼、鋼、鈦合金、鋁或玻璃纖維制作。
本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明的超低頻水聲換能器是利用彎曲諧振頻率比較低的特點，設計了一種全新的換能器結構形式。該種新結構中采用了兩級復合彎曲梁構成換能器殼體，使有限尺寸的結構具有更低的諧振頻率；結構中還采用了兩級振幅放大的設計原理，使驅動元件的激勵位移通過兩級彎曲梁的兩次振幅放大，轉換成輻射面更大的體積位移，提高了換能器的輻射能力。所以，本發(fā)明換能器的結構形式更有利于實現(xiàn)超低頻、大功率輻射。


圖1是本發(fā)明用稀土超磁致伸縮材料做驅動元件的超低頻水聲換能器結構示意2是本發(fā)明用壓電陶瓷堆做驅動元件的超低頻水聲換能器結構示意面說明1-第一突起2-第一過渡塊4-一級彎曲梁5-線圈6-稀土圓棒 7-壓電陶瓷堆8-稀土永磁9-質(zhì)量軛10-第二過渡塊11-二級彎曲梁 12-第二突起具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。
實施例1參考圖1，制作一本發(fā)明的超低頻水聲換能器，該水聲換能器的外殼由一級彎曲梁4、二級彎曲梁11、T形質(zhì)量軛9和第一突起1組成，均采用不銹鋼材料加工制作。一級彎曲梁4和二級彎曲梁11組成復合彎曲梁，其截面形狀近似于“弓”形，復合梁彎張殼體是“弓”形截面的平移體，平移體的兩端面均不封閉。本實施例的T形質(zhì)量軛的厚度為40mm，在本實施例中一級彎曲梁4和二級彎曲梁11采用相同的壁厚，其壁厚為15mm。
第一突起1與一級彎曲梁4連接，該第一突起1的表面是凸圓弧形狀，這樣的表面處理可以使其在裝配過程及換能器工作時，與凹圓弧第一過渡塊2的表面有較好的機械耦合并可以自動調(diào)節(jié)驅動元件的水平平衡，改善驅動元件的受力狀況。一級彎曲梁4與第一突起1連接之處，作為復合梁彎張殼體彎曲振動的激勵點，激勵力由驅動元件提供。
本實施例的質(zhì)量軛9為T形質(zhì)量軛，它與一級彎曲梁4連接，它的作用是作為驅動元件的尾質(zhì)量，為了保證復合梁彎張殼體的激勵點處具有較大的激勵力，T形質(zhì)量軛9要具有足夠的剛度，不易產(chǎn)生彎曲變形，其厚度要大于殼體壁厚。
驅動元件、凹圓弧第一過渡塊2和第二過渡塊10組成換能器的內(nèi)腔裝配單元。
裝配單元長度方向的尺寸要大于第一突起1與T形質(zhì)量軛9之間的距離，本實施例的內(nèi)腔裝配單元長度方向的尺寸比第一突起1與T形質(zhì)量軛9之間的距離大0.5mm。本實施例的驅動元件由一中心帶有通孔的線圈軸，線圈軸上纏繞有線圈5，線圈軸內(nèi)插入一根超磁致伸縮稀土圓棒6，例如稀土Terfenol-D圓棒，并在稀土圓棒6兩端面各貼放一圓片狀的稀土永磁8。在換能器裝配時，通過擴張第一突起1與T形質(zhì)量軛9之間的距離，使之大于裝配單元的長度尺寸，將裝配單元置于其中并釋放擴張力，可以使裝配單元固定于第一突起1與T形質(zhì)量軛9之間，并對驅動元件施加預應力。本實施例的換能器共裝配有四組對稱排列的驅動單元。
換能器工作時，線圈5通電后產(chǎn)生交變磁場，稀土圓棒6在交變磁場和稀土永磁8提供的靜態(tài)偏置磁場作用下，產(chǎn)生磁致伸縮振動。由于T形質(zhì)量軛9與一級彎曲梁4相比具有足夠的剛度，稀土圓棒6產(chǎn)生的振動位移通過稀土永磁8、凹圓弧第一過渡塊2和第一突起1激勵一級彎曲梁4和二級彎曲梁11作彎曲振動。由于梁的彎曲振動具有振幅放大效應，一級彎曲梁4激勵點處的振動位移首先在上頂點(兩段彎曲梁相交處)得到放大，同時由于二級彎曲梁11的放大作用，其中心腹點處的位移得到了兩級放大。所以本發(fā)明換能器的兩級彎曲梁可以使稀土圓棒6所產(chǎn)生的較小的振動位移，經(jīng)過兩次振幅的放大，轉換成輻射面更大的體積位移，提高了換能器的輻射能力。因此，此種結構的換能器的特點是，在有限的尺寸下具有更低的諧振頻率、更大的輻射能力。
本實施例中的一級彎曲梁4、二級彎曲梁11、凹圓弧第一過渡塊2、第二過渡塊10除了采用不銹鋼制作外，還可以使用鋼、鈦合金、鋁或玻璃纖維制作。
實施例2如圖2所示，本實施例采用壓電陶瓷堆7作為驅動元件，該壓電陶瓷堆7采用長方形壓電陶瓷片黏接而成，陶瓷片在電路形式上采用并聯(lián)連接。壓電陶瓷堆7的預應力施加方式與實施例1相同。
本實施例的其它部分與實施例1完全相同。
權利要求
1.一種超低頻水聲換能器，包括彎張殼體、驅動元件、質(zhì)量軛和過渡塊；其特征在于，所述質(zhì)量軛為T形質(zhì)量軛；所述彎張殼體為復合梁彎張殼體，該殼體由一級彎曲梁(4)、二級彎曲梁(11)、第一突起(1)和第二突起(12)，其中所述一級彎曲梁(4)的內(nèi)壁上設置第一突起(1)和第二突起(12)，T形質(zhì)量軛(9)設置在2個突起之間，并與一級彎曲梁(4)連接組成，并且一級彎曲梁和二級彎曲梁組成“弓”形閉合曲面，呈“弓”形截面平移體，且結構上下兩部分對稱，平移體的兩端面均不封閉；所述過渡塊包括第一過渡塊(2)和第二過渡塊(10)；所述驅動元件、第一過渡塊(2)和第二過渡塊(10)組成換能器的內(nèi)腔裝配單元，該裝配單元長度方向的尺寸要大于突起與T形質(zhì)量軛(9)之間的距離；在每一裝配單元的驅動元件兩外面分別設置第一過渡塊(2)和第二過渡塊(10)，至少一個驅動元件及其左右兩側的過渡塊安裝在一級彎曲梁和T形質(zhì)量軛之間。
2.按權利要求1所述超低頻水聲換能器，其特征在于，所述驅動元件包括2個以上，對稱排列安裝在一級彎曲梁和T形質(zhì)量軛之間。
3.按權利要求1或2所述超低頻水聲換能器，其特征在于，所述驅動元件為一中心帶有通孔的線圈軸，線圈軸上纏繞有線圈(5)，線圈軸內(nèi)插入一根稀土圓棒(6)并在其兩端面各放置一圓片狀的稀土永磁(8)。
4.按權利要求1或2所述超低頻水聲換能器，其特征在于，所述驅動元件為采用多片壓電陶瓷片黏結而成的壓電陶瓷堆，陶瓷片在電路形式上采用并聯(lián)連接。
5.按權利要求1所述超低頻水聲換能器，其特征在于，所述一級彎曲梁(4)和二級彎曲梁(11)采用相同或不同的壁厚以調(diào)整諧振頻率。
6.按權利要求1所述超低頻水聲換能器，其特征在于，所述第一過渡塊呈凹圓弧的方塊狀，第二過渡塊呈長方塊狀。
7.按權利要求1所述超低頻水聲換能器，其特征在于，所述第一突起(1)與第一過渡塊(2)相接觸的面呈凸圓弧狀，其第一過渡塊(2)與第一突起(1)相接觸的表面呈凹圓弧狀。相接觸的表面呈凹圓弧狀。
8.按權利要求1所述超低頻水聲換能器，其特征在于，所述T形質(zhì)量軛的厚度要大于復合梁彎張殼體的厚度。
9.按權利要求1所述超低頻水聲換能器，其特征在于，所述一級彎曲梁(4)、二級彎曲梁(11)、質(zhì)量軛和過渡塊采用不銹鋼、鋼、鈦合金、鋁或玻璃纖維制作。
全文摘要
本發(fā)明涉及超低頻水聲換能器，包括一由一級彎曲梁、二級彎曲梁、第一突起和第二突起，和在所述一級彎曲梁的內(nèi)壁上設置第一突起和第二突起，T形質(zhì)量軛設置在2個突起之間，并與一級彎曲梁連接組成復合梁彎張殼體，由一級彎曲梁和二級彎曲梁組成“弓”形閉合曲面，且結構上下兩部分對稱，平移體的兩端面均不封閉；所述驅動元件、第一過渡塊和第二過渡塊組成換能器的內(nèi)腔裝配單元，該裝配單元長度方向的尺寸要大于突起與T形質(zhì)量軛之間的距離；在每一裝配單元的驅動元件兩外面分別設置第一過渡塊和第二過渡塊，至少一個驅動元件及其左右兩側的過渡塊安裝在一級彎曲梁和T形質(zhì)量軛之間。本發(fā)明換能器的結構形式更有利于實現(xiàn)超低頻、大功率輻射。
文檔編號G10K9/12GK101038740SQ20061006510
公開日2007年9月19日 申請日期2006年3月17日 優(yōu)先權日2006年3月17日
發(fā)明者劉永平, 莫喜平 申請人:中國科學院聲學研究所