縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，該換能器包括：壓電陶瓷堆7和絕緣墊片12通過(guò)預(yù)應(yīng)力螺桿9和上、下質(zhì)量塊5、6相連構(gòu)成，上端蓋3、下端蓋2分別與上質(zhì)量塊5、下質(zhì)量塊6剛性連接，薄壁外殼1與上下端蓋3和2剛性相連；壓電陶瓷堆7外套設(shè)水密層11；上下端蓋3、2上連有亥姆霍茲管4；預(yù)應(yīng)力螺桿9和上質(zhì)量塊6有密封10結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)置順性管13。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：采用縱振激勵(lì)源來(lái)驅(qū)動(dòng)亥姆霍茲薄壁外殼共鳴器，具有大功率發(fā)射、大深度、低頻、寬帶、重量輕的特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水聲通信、探測(cè)、聲誘餌、聲除雷，海洋勘測(cè)領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器。

【背景技術(shù)】
[0002]水聲換能器是軍、民用聲納設(shè)備的“耳目”，在水聲通信、探測(cè)、聲誘餌、聲除雷，海洋勘測(cè)廣泛應(yīng)用。隨著各國(guó)對(duì)海洋資源和海洋領(lǐng)土的重視，開(kāi)發(fā)海洋，保衛(wèi)海洋成為各國(guó)的重要政治任務(wù)。深海開(kāi)發(fā)技術(shù)成為熱點(diǎn)，需要滿足深海工作要求的換能器，由于換能器深水工作受到很大壓力，一般結(jié)構(gòu)很難承受高壓，亥姆霍茲換能器采用溢流結(jié)構(gòu)可很好的實(shí)現(xiàn)深水工作，目前亥姆霍茲換能器多采用彎曲圓片激勵(lì)形式，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有功率容量小，帶寬窄的缺點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于，為克服上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種深水亥姆霍茲低頻寬帶換能器。
[0004]本發(fā)明提供的一種縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，所述換能器包含:薄壁外殼1、下端蓋2、上端蓋3、若干亥姆霍茲管4和中心驅(qū)動(dòng)單元；所述上端蓋3、下端蓋2分別與薄壁外殼I的上端口和下端口相連，形成腔體；所述亥姆霍茲管4位于上端蓋和下端蓋上，實(shí)現(xiàn)腔體內(nèi)外貫通；其中，所述中心驅(qū)動(dòng)單元為:固定于上端蓋3且深入腔體中的預(yù)應(yīng)力螺桿9，該預(yù)應(yīng)力螺桿9的外壁相隔一定距離的圓周上設(shè)置壓電陶瓷堆7 ;所述壓電陶瓷堆7的外表面鋪設(shè)水密層11。
[0005]上述中心驅(qū)動(dòng)單元為一個(gè)，布放于上端蓋3的中部。
[0006]上述中心驅(qū)動(dòng)單元為多個(gè)，且多個(gè)中心驅(qū)動(dòng)單元在腔體中關(guān)于軸線為中心的圓周上均勻布放。
[0007]上述壓電陶瓷堆7上表面和下表面分別經(jīng)過(guò)絕緣塊12與上端蓋3和下端蓋2相接觸。
[0008]上述上端蓋3和下端蓋2的中部分別設(shè)置上質(zhì)量塊6和下質(zhì)量塊5中；且所述上質(zhì)量塊6與所述預(yù)應(yīng)力螺桿9的上部固定相連,該上質(zhì)量塊6下端可深入腔體中,所述絕緣片12的上表面與上質(zhì)量塊6的下表面相接觸；
[0009]所述預(yù)應(yīng)力螺桿9的下部深入下質(zhì)量塊5中，且下質(zhì)量塊5的上表面與另一絕緣片12的下表面相接觸。
[0010]上述壓電陶瓷堆7的上表面和下表面分別經(jīng)過(guò)絕緣塊12與上質(zhì)量塊6和下質(zhì)量塊5相接觸。
[0011]上述的壓電陶瓷堆7包含壓電陶瓷材料、稀土超磁致伸縮材料或壓電單晶材料之
O
[0012]當(dāng)壓電陶瓷堆7采用稀土超磁致伸縮材料時(shí)，所述中心驅(qū)動(dòng)單元為:預(yù)應(yīng)力螺桿9的螺母部分定位于上質(zhì)量塊6中，預(yù)應(yīng)力螺桿9從上向下依次穿過(guò):上質(zhì)量塊6、上導(dǎo)磁塊
17、和由永磁材料16和稀土超磁致伸縮材料14構(gòu)成的重復(fù)結(jié)構(gòu)，然后穿過(guò)下導(dǎo)磁塊17，最后將該預(yù)應(yīng)力螺桿9固定于下質(zhì)量塊5中；且距預(yù)應(yīng)力螺桿9圓周外側(cè)一定距離同心布放永磁材料16和稀土超磁致伸縮材料14,所述線圈15套在永磁材料16和稀土超磁致伸縮材料14的外徑上，圓周導(dǎo)磁塊17套在線圈結(jié)構(gòu)15外側(cè)，并和連接上質(zhì)量塊6和下質(zhì)量塊5的上下兩個(gè)導(dǎo)磁塊17形成閉合磁路。
[0013]上述亥姆霍茲管4長(zhǎng)度等于上端蓋3或下端蓋2的厚度；或亥姆霍茲管4的長(zhǎng)度分別向上端蓋3和下端蓋2兩端延長(zhǎng)。
[0014]上述薄壁外殼I米用凸殼、圓筒或凹?xì)ば问健?br> [0015]上述腔體內(nèi)部設(shè)置若干順性管13，軟連接于薄壁外殼I ;其中，所述軟連接所采用的材料包含:繩或網(wǎng)；順性管13為內(nèi)部密封空氣的圓柱殼體。
[0016]壓電陶瓷堆7中各壓電片正負(fù)極分別通過(guò)電極引線8連接，形成機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)形式。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:采用縱振激勵(lì)源來(lái)驅(qū)動(dòng)亥姆霍茲共鳴器，具有大功率發(fā)射，大深度工作，低頻，寬帶的特點(diǎn)，且采用薄壁外殼，相比厚殼質(zhì)量輕，該換能器具有重量輕的特點(diǎn)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為現(xiàn)有的亥姆霍茲換能器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2(a)和(b)為本發(fā)明的深水亥姆霍茲低頻寬帶換能器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明的深水亥姆霍茲低頻寬帶換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)圖；
[0021]圖4為亥姆霍茲管布放方式示意圖；
[0022]圖5 (a)和5 (b)為實(shí)施例提供的3組中心驅(qū)動(dòng)單元的深水亥姆霍茲低頻寬帶換能器結(jié)構(gòu)不意圖；
[0023]圖6為采用稀土超磁致伸縮材料的深水亥姆霍茲低頻寬帶換能器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]附圖標(biāo)識(shí):
[0025]1、薄壁外殼2、下端蓋 3、上端蓋
[0026]4、亥姆霍茲管5、下質(zhì)量塊 6、上質(zhì)量塊
[0027]7、壓電陶瓷堆8、電極引線 9、預(yù)應(yīng)力螺桿
[0028]10、密封11、水密層 12、絕緣墊片
[0029]13、順性管14、稀土超磁致伸縮材料
[0030]15、線圈16、永磁材料 17、導(dǎo)磁塊

【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0032]如圖2 Ca)和圖2 (b)所示，該圖為本發(fā)明提供的基于一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，該換能器包括:薄壁外殼1、下端蓋2、上端蓋3、亥姆霍茲管4、下質(zhì)量塊5、上質(zhì)量塊6、壓電陶瓷堆7、電極引線8、預(yù)應(yīng)力螺桿9、密封10、水密層11、絕緣墊片12、順性管13 ；
[0033]壓電陶瓷堆7和絕緣墊片12通過(guò)預(yù)應(yīng)力螺桿9和上質(zhì)量塊6及下質(zhì)量塊5相連構(gòu)成，下端蓋2和上端蓋3分別與下質(zhì)量塊5和上質(zhì)量塊6剛性連接，薄壁外殼I與上端蓋3及下端蓋2剛性相連；
[0034]所述的壓電陶瓷堆7外套設(shè)水密層11。
[0035]所述的上端蓋3和下端蓋2上連有亥姆霍茲管4。
[0036]所述的預(yù)應(yīng)力螺桿9和上質(zhì)量塊6通過(guò)密封10相連。
[0037]所述的壓電陶瓷堆7由若干陶瓷片機(jī)械級(jí)聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)形式堆積。且所述的壓電陶瓷堆7可有若干組構(gòu)成。
[0038]所述的壓電陶瓷堆7兩端和絕緣墊片12相連。
[0039]下質(zhì)量塊5與下端蓋2可以是一體結(jié)構(gòu)，同樣上質(zhì)量塊6與上端蓋3也可以是一體結(jié)構(gòu)。
[0040]所述的壓電陶瓷堆7也可采用其它驅(qū)動(dòng)材料，如稀土超磁致伸縮材料、壓電單晶材料等。
[0041]上端蓋3及下端蓋2上連接有若干亥姆霍茲管4，且:亥姆霍茲管4可只在上端蓋3或下端蓋2上或亥姆霍茲管4可向上端蓋3和下端蓋2兩端延長(zhǎng)，具體如圖4所示。
[0042]所述薄壁外殼I可采用凸殼、圓筒、凹?xì)ば问?，且所述薄壁外殼I內(nèi)部可有若干順性管13，薄壁外殼I通過(guò)亥姆霍茲管4內(nèi)外貫通。
[0043]上述方案中的上質(zhì)量塊6和下質(zhì)量塊5均為可選的技術(shù)手段，即壓電陶瓷堆可以直接與上端蓋3和下端蓋2相連。
[0044]上述方案中的絕緣塊12以及順性管13均為可選的技術(shù)手段，即壓電陶瓷堆可以直接與上質(zhì)量塊6和下質(zhì)量塊5相連，所述順性管13可以不必布置在薄壁外殼與上端蓋和下端蓋構(gòu)成的空腔內(nèi)。
[0045]基于上述相同的發(fā)明構(gòu)思:本發(fā)明還提供一種多驅(qū)動(dòng)單元的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，如圖5 (a)和5 (b)所示，該圖中提供的換能器包含:薄壁外殼1、下端蓋2、上端蓋3、若干亥姆霍茲管4和若干個(gè)關(guān)于軸線為中心的圓周上均勻布放的中心驅(qū)動(dòng)單元(該圖中以3個(gè)中心驅(qū)動(dòng)單元為例);所述上端蓋3、下端蓋2分別與薄壁外殼I的上端口和下端口相連，形成腔體；所述亥姆霍茲管4位于上端蓋和下端蓋上，實(shí)現(xiàn)腔體與外界貫通；其中，一個(gè)中心驅(qū)動(dòng)單元為:上端蓋3某設(shè)定位置固定一個(gè)深入腔體中的預(yù)應(yīng)力螺桿9，且與該預(yù)應(yīng)力螺桿9的外壁相隔一定距離的圓周上設(shè)置壓電陶瓷堆7 ;所述壓電陶瓷堆7的外表面鋪設(shè)水密層11 ;所述3個(gè)中心驅(qū)動(dòng)單元在腔體中關(guān)于軸線為中心的圓周上對(duì)稱(chēng)分布。
[0046]對(duì)于單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器所使用的改進(jìn)型技術(shù)手段:例如，上質(zhì)量塊、下質(zhì)量塊、絕緣塊等結(jié)構(gòu)均適用于多驅(qū)動(dòng)單元的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器。
[0047]此外，當(dāng)上述技術(shù)方案的壓電陶瓷堆7采用稀土超磁致伸縮材料，本發(fā)明的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器結(jié)構(gòu)如圖6所示，上述的中心驅(qū)動(dòng)單元改由若干導(dǎo)磁塊17永磁材料16、稀土超磁致伸縮材料14線圈15代替，其它部分未變。預(yù)應(yīng)力螺桿9的螺母部分定位于上質(zhì)量塊6中，預(yù)應(yīng)力螺桿9依次穿過(guò):上質(zhì)量塊6、上導(dǎo)磁塊17、和由永磁材料16和稀土超磁致伸縮材料14構(gòu)成的重復(fù)結(jié)構(gòu)，然后穿過(guò)下導(dǎo)磁塊17，最后固定于下質(zhì)量塊5中。距所述預(yù)應(yīng)力螺桿9圓周外側(cè)一定距離同心布放永磁材料16和稀土超磁致伸縮材料14，線圈15套在永磁材料16和稀土超磁致伸縮材料14外徑上，圓周導(dǎo)磁塊17套在線圈結(jié)構(gòu)15外側(cè)，并和連接上下質(zhì)量塊6、5的上下兩個(gè)導(dǎo)磁塊17形成閉合磁路。
[0048]實(shí)施例
[0049]陶瓷堆7采用極化的PZT-4壓電陶瓷，絕緣墊片12采用未極化的PZT-4壓電陶瓷。下質(zhì)量塊2，上質(zhì)量塊3，下端蓋5，上端蓋6，預(yù)應(yīng)力螺桿9，均采用不銹鋼。薄壁外殼I采用不銹鋼或復(fù)合材料，如碳纖維等。密封10采用環(huán)氧樹(shù)脂或聚氨酯膠或O圈密封結(jié)構(gòu)。水密層11采用聚氨酯膠或硫化橡膠，膠層內(nèi)可充蓖麻油等。順性管采用彈性薄壁金屬管。
[0050]陶瓷堆7，絕緣墊片12，下質(zhì)量塊2，上質(zhì)量塊3，預(yù)應(yīng)力螺桿9涂覆環(huán)氧，加預(yù)應(yīng)力組裝，用環(huán)氧或聚氨酯膠灌注密封10處，80°c烘箱烘4小時(shí)，自然降溫。
[0051]在烘好的陶瓷堆7，絕緣墊片12，下質(zhì)量塊2，上質(zhì)量塊3外徑灌注聚氨酯膠或采用成型硫化橡膠粘水密，亦可內(nèi)部充蓖麻油等利于散熱。
[0052]下質(zhì)量塊2外周有螺紋，涂覆環(huán)氧樹(shù)脂，安裝下端蓋5。
[0053]下端蓋5外周涂覆環(huán)氧樹(shù)脂，擰上薄壁外殼1，并用螺釘緊固。
[0054]上質(zhì)量塊3外周有螺紋，涂覆環(huán)氧樹(shù)脂，安裝上端蓋6。
[0055]上端蓋6外周涂覆環(huán)氧樹(shù)脂，并用螺釘把上端蓋6和薄壁外殼I緊固，高溫固化即可。
[0056]最后所應(yīng)說(shuō)明的是，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)施例對(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，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，其特征在于，所述換能器包含: 薄壁外殼(I)、下端蓋(2 )、上端蓋(3 )、若干亥姆霍茲管(4)和中心驅(qū)動(dòng)單元； 所述上端蓋(3)、下端蓋(2)分別與薄壁外殼(I)的上端口和下端口相連，形成腔體；所述亥姆霍茲管(4)位于上端蓋和下端蓋上，實(shí)現(xiàn)腔體內(nèi)外貫通； 其中，所述中心驅(qū)動(dòng)單元為:固定于上端蓋(3)且深入腔體中的預(yù)應(yīng)力螺桿(9)，該預(yù)應(yīng)力螺桿(9)的外壁相隔一定距離的圓周上設(shè)置壓電陶瓷堆(7);螺桿(9)另一端固定于下端蓋(2)中，所述壓電陶瓷堆(7)的外表面鋪設(shè)水密層(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，其特征在于，所述中心驅(qū)動(dòng)單元為一個(gè)，布放于上下端蓋(3) (2)的中部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，其特征在于，所述中心驅(qū)動(dòng)單元為多個(gè)，且多個(gè)中心驅(qū)動(dòng)單元在腔體中關(guān)于軸線為中心的圓周上均勻布放。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，其特征在于，所述壓電陶瓷堆(7)上表面和下表面分別經(jīng)過(guò)絕緣塊(12)與上端蓋(3)和下端蓋(2)相接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，其特征在于，所述上端蓋(3)和下端蓋(2)的中部分別設(shè)置上質(zhì)量塊(6)和下質(zhì)量塊(5)； 且所述上質(zhì)量塊(6)與所述預(yù)應(yīng)力螺桿(9)的上部固定相連，該上質(zhì)量塊(6)下端可深入腔體中，所述絕緣片(12)的上表面與上質(zhì)量塊(6)的下表面相接觸； 所述預(yù)應(yīng)力螺桿(9)的下部深入下質(zhì)量塊(5)中，且下質(zhì)量塊(5)的上表面與另一絕緣片(12)的下表面相接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，其特征在于，所述壓電陶瓷堆(7)的上表面和下表面分別經(jīng)過(guò)絕緣塊(12)與上質(zhì)量塊(6)和下質(zhì)量塊(5)相接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，其特征在于，所述的壓電陶瓷堆(7)包含壓電陶瓷材料、稀土超磁致伸縮材料或壓電單晶材料之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，其特征在于，當(dāng)壓電陶瓷堆(7)包含稀土超磁致伸縮材料時(shí)， 所述中心驅(qū)動(dòng)單元為:預(yù)應(yīng)力螺桿(9)的螺母部分定位于上質(zhì)量塊(6)中，預(yù)應(yīng)力螺桿(9)從上向下依次穿過(guò):上質(zhì)量塊(6)、上導(dǎo)磁塊(17)、和由永磁材料(16)和稀土超磁致伸縮材料(14)構(gòu)成的重復(fù)結(jié)構(gòu)，然后穿過(guò)下導(dǎo)磁塊(17 )，最后將該預(yù)應(yīng)力螺桿(9 )固定于下質(zhì)量塊(5)中； 且距所述預(yù)應(yīng)力螺桿(9)圓周外側(cè)一定距離同心布放永磁材料(16)和稀土超磁致伸縮材料(14)，所述線圈(15)套在永磁材料(16)和稀土超磁致伸縮材料(14)的外徑上，圓周導(dǎo)磁塊(17)套在線圈結(jié)構(gòu)(15)外側(cè)； 所述圓周導(dǎo)磁塊(17)和連接上質(zhì)量塊(6)和下質(zhì)量塊(5)的上導(dǎo)磁塊(17)和下導(dǎo)磁塊(17)形成閉合磁路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，其特征在于，所述亥姆霍茲管(4)長(zhǎng)度等于上端蓋(3)或下端蓋(2)的厚度；或 亥姆霍茲管(4)的長(zhǎng)度分別向上端蓋(3)和下端蓋(2)兩端延長(zhǎng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，其特征在于，所述薄壁外殼(I)米用凸殼、圓筒或凹?xì)ば问健?br> 11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱振亥姆霍茲深水低頻寬帶換能器，其特征在于，所述腔體內(nèi)部設(shè)置若干順性管(13)，軟連接于薄壁外殼(I); 其中，所述軟連接所采用的材料包含:繩或網(wǎng)。
【文檔編號(hào)】G10K9/122GK104282299SQ201310293921
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2013年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月12日
【發(fā)明者】劉慧生, 莫喜平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所