專利名稱：發(fā)聲裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一特別用于發(fā)聲裝置的機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。現(xiàn)有的發(fā)聲裝置可作為發(fā)射器，亦即作為聲信號(hào)的換能器和聲信號(hào)的接收器?？墒褂帽景l(fā)明而十分有利的發(fā)聲裝置，如所謂的聲納，即可在水下發(fā)送聲波信號(hào)的發(fā)射器，該聲波經(jīng)反射后，又可由各種類型的水聽器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
眾所周知的事實(shí)是低頻聲波在水中傳播的距離比高頻聲波遠(yuǎn)。從軍事觀點(diǎn)和近海石油天然氣工業(yè)觀點(diǎn)出發(fā)，長(zhǎng)期以來(lái)迫切需要強(qiáng)有力的能在水下工作的低頻聲波發(fā)射器。在一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期中，市場(chǎng)上可以買到適于這些目的和領(lǐng)域所使用的具有各種不同設(shè)計(jì)和裝置的發(fā)射器。有關(guān)這類聲波發(fā)射器的一篇摘要，其題“摻入稀土合金的聲納換能器設(shè)計(jì)”，刊登于1984年11月《防御系統(tǒng)周刊》(DEFENSESYSTEMREVIEW)，第50-55頁(yè)上。
大多數(shù)目前使用的聲發(fā)射器或是依據(jù)壓電效應(yīng)，或是依據(jù)磁致伸縮。如所周知，壓電效應(yīng)指晶體物質(zhì)分別當(dāng)端面被加電壓時(shí)，發(fā)生形變;和當(dāng)物質(zhì)發(fā)生物理形變時(shí)，獲得電壓。磁致伸縮指磁性材料分別在磁通量變化時(shí)，發(fā)生形變;和在外界因素引起長(zhǎng)度變化時(shí)，引起磁通量的變化。這表明一個(gè)利用這些效應(yīng)的發(fā)射器，原則上也可作為一個(gè)接收器。
現(xiàn)在已有種種不同的聲發(fā)射器裝置。在低頻應(yīng)用中，它一般是帶有圓形或橢圓形截面的圓筒形狀。
此類發(fā)射器的最大問(wèn)題是如何得到足夠強(qiáng)的振蕩幅度。為此，要求一個(gè)有大的振蕩幅度的大發(fā)射器區(qū)域或小發(fā)射器區(qū)域。
引入所謂巨磁致伸縮材料，改善了條件以獲得好的聲發(fā)射器。以這種材料作為驅(qū)動(dòng)元件，幅度的變化比使用壓電材料的相應(yīng)變化高30倍。使用這種巨磁致伸縮材料的發(fā)射器已有數(shù)年之久。使用巨磁致伸縮材料的發(fā)射器的一個(gè)特性是必須對(duì)其施加機(jī)械預(yù)應(yīng)力。這可通過(guò)不同途徑，例如在(美國(guó)專利申請(qǐng))US-A-4438509中所示帶有預(yù)應(yīng)力線路的設(shè)備。
本文將從帶有近橢圓形截面的圓筒狀發(fā)射器開始詳細(xì)描述在實(shí)際驅(qū)動(dòng)中的常用裝置。圓筒形封套的表面包括一彈性膜片或外殼。圓筒內(nèi)有兩根梁，與軸平行并與外殼接觸，可向外殼加壓。梁的截面與橢圓形外殼的短軸之間為對(duì)稱的鏡面-反轉(zhuǎn)關(guān)系且每個(gè)梁由外殼朝向長(zhǎng)軸的端點(diǎn)的那部分所定界，弦平行于短軸。電控驅(qū)動(dòng)部件，以驅(qū)動(dòng)棒的形式裝于梁之間，并與其平面-平行側(cè)面相接觸。驅(qū)動(dòng)棒的縱軸與橢圓截面的長(zhǎng)軸相一致，位于發(fā)射器端面的中間。在利用磁致伸縮效應(yīng)的情況下，驅(qū)動(dòng)棒包括一磁致伸縮材料，其周圍的線圈經(jīng)磁化，以跟上發(fā)射器所要求的頻率。如利用壓電效應(yīng)，則驅(qū)動(dòng)棒包括一壓電材料。當(dāng)然，在驅(qū)動(dòng)棒的整體中或其某一部分中包括具有所需長(zhǎng)度變化能力的材料。
以上所述的聲發(fā)射器的基本裝置，就實(shí)際細(xì)節(jié)而言，可能有所不同。一具有圓筒形狀及橢圓形截面，并有巨磁致伸縮材料的驅(qū)動(dòng)棒的聲發(fā)射器，業(yè)已公開發(fā)表在US-A4901293，題為“一種稀土彎張換能器”的美國(guó)專利申請(qǐng)中。
瑞典專利8901905-3，“聲發(fā)射器中的裝置”，也描述了一種具有橢圓形截面的圓筒形發(fā)射器。其驅(qū)動(dòng)部件包括具有兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的槽的主體部分，驅(qū)動(dòng)棒即插入該槽中。這些驅(qū)動(dòng)棒本身也固定于以上述同樣方式影響膜片的壓桿中。
瑞典專利申請(qǐng)9003086-7描述了一種用于聲發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)組件，它包括一帶有窗口的磁性材料框架，其窗口用以安裝驅(qū)動(dòng)部件及預(yù)應(yīng)力裝置。兩個(gè)帶有驅(qū)動(dòng)部件的窗口和一個(gè)帶有機(jī)械預(yù)應(yīng)力裝置的居中的窗口縱排成列。其通過(guò)驅(qū)動(dòng)部件中的壓緊螺栓及框架上的洞對(duì)位于發(fā)射器內(nèi)的壓梁施加預(yù)應(yīng)力，且該列位于發(fā)射器殼內(nèi)。驅(qū)動(dòng)組件可包括數(shù)個(gè)縱列。
本發(fā)明所包含的組裝系統(tǒng)，包括用于磁化活性物質(zhì)的磁路，該磁路系以(美國(guó)專利申請(qǐng))US-A-4914412，“磁路”為依據(jù)。依該美國(guó)專利，所包括的磁路沿軸向磁化磁致伸縮材料制成的圓筒形柱芯。該磁路包括一個(gè)磁化線圈、偏磁磁化的圓盤形永磁體及軟磁材料圓盤，其直徑相當(dāng)于線圈外徑，以及圍繞于磁線圈外周的軟磁性圓筒狀管。軟磁部件包括于磁路中，該磁路包含磁致伸縮柱芯。
根據(jù)本發(fā)明，用于發(fā)聲裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包含若干平行且對(duì)稱地放置于壓梁間的驅(qū)動(dòng)裝置，該梁根據(jù)工藝情況亦包括于驅(qū)動(dòng)裝置中。驅(qū)動(dòng)裝置包括一固定框架，框架內(nèi)有兩個(gè)帶有一中間機(jī)械預(yù)應(yīng)力裝置的驅(qū)動(dòng)單元。驅(qū)動(dòng)裝置有軸向伸出棒，與對(duì)側(cè)的發(fā)聲裝置中的壓梁相接觸。
驅(qū)動(dòng)單元也包括可任選數(shù)目疊排成行的驅(qū)動(dòng)部件。每個(gè)驅(qū)動(dòng)部件包括一定子元件、驅(qū)動(dòng)元件和導(dǎo)引裝置，該裝置為導(dǎo)引環(huán)和空心導(dǎo)引圓盤形式，連同其它部件依據(jù)US-A-4914412實(shí)現(xiàn)磁路。
上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所包括的每一部件，均將加以簡(jiǎn)短描述。定子元件包括上述磁化線圈，該線圈固定于如上所述的外圍軟磁圓筒管，該管又再固定于一個(gè)類似的非磁性材料圓筒管，以下稱之為固定管。從對(duì)所選實(shí)施例的詳細(xì)描述明顯可見，軟磁性管的軸向長(zhǎng)度略大于線圈的軸向長(zhǎng)度，而固定管的軸向長(zhǎng)度又更略大一些。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)驅(qū)動(dòng)元件同時(shí)包括上述圓筒狀磁致伸縮柱芯及上述軟磁性圓盤，其與柱芯的兩個(gè)環(huán)形端面同心連接，并與每個(gè)永磁材料圓盤相接觸。所有這些圓盤有一與線圈的外徑相當(dāng)?shù)耐鈴健?br> 為了對(duì)定子元件內(nèi)圓盤的對(duì)中和徑向?qū)б约隘B排固定管，這些管均伸向位于環(huán)狀端面的導(dǎo)引環(huán)。為了磁致伸縮柱芯的對(duì)中和徑向?qū)б?，在面向柱芯的一個(gè)軟磁圓盤的一個(gè)側(cè)面上，加放了一個(gè)開孔的薄導(dǎo)引圓盤，其外徑等于圓盤外徑，且內(nèi)徑稍大于柱芯直徑。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)部件疊排成一驅(qū)動(dòng)單元時(shí)，定子元件有一經(jīng)過(guò)導(dǎo)引環(huán)的共同的軸向中心線。用此方法，驅(qū)動(dòng)元件也疊排起來(lái)形成驅(qū)動(dòng)元件組件，且在每?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)元件之間，有一個(gè)共同的永磁圓盤和導(dǎo)引環(huán)。柱芯與開孔導(dǎo)引圓盤之間的運(yùn)動(dòng)如此之大以至于可移動(dòng)疊層組件變得與定子疊層組件完全平行，盡管事實(shí)上可移動(dòng)疊層組件內(nèi)的接觸面之間并不完全平行。所用的導(dǎo)引環(huán)的功能是，特別在安裝時(shí)，在定子疊層組件與移動(dòng)疊層組件之間取得平行，并保證這些疊層沿軸方向可自由移動(dòng)。
通過(guò)在每個(gè)其它元件上疊排適當(dāng)數(shù)目的驅(qū)動(dòng)部件，即可組成不同長(zhǎng)度的驅(qū)動(dòng)單元。
為了使驅(qū)動(dòng)單元按預(yù)定方式發(fā)生作用，必須施加機(jī)械預(yù)應(yīng)力，按上文對(duì)已有技術(shù)所述亦清楚可見。根據(jù)本發(fā)明，這是通過(guò)在一固定框架內(nèi)安裝兩個(gè)中間帶有機(jī)械預(yù)應(yīng)力裝置的驅(qū)動(dòng)單元而實(shí)現(xiàn)的。帶驅(qū)動(dòng)單元和預(yù)應(yīng)力裝置的框架構(gòu)成一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，它本身構(gòu)成一組合元件，該元件除使用在發(fā)聲裝置中，另外也可為其他應(yīng)用作為通用的力和運(yùn)動(dòng)的傳遞裝置。
如上所述，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括若干平行的驅(qū)動(dòng)裝置，其軸向長(zhǎng)度和數(shù)量，取決于周圍外殼的尺寸以及在每一種不同情況下所需的力和運(yùn)動(dòng)。通過(guò)提供驅(qū)動(dòng)裝置的固定框架，該裝置有將框架相互固定在一起的裝置，可使驅(qū)動(dòng)裝置裝配在一起以構(gòu)成一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包含所需數(shù)量的驅(qū)動(dòng)裝置。固定板也可安裝于驅(qū)動(dòng)裝置上，且在這些固定板上可安置任何輔助設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)聲裝置在共振頻率范圍之外，通常具有低于50%的效率。這意味著，在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所包含的各部分需加以冷卻。根據(jù)本發(fā)明，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的冷卻可通過(guò)提供帶有冷卻管或冷卻法蘭盤的定子元件外環(huán)來(lái)適當(dāng)?shù)刈龅?。一種在定子元件中帶有冷卻管的冷卻系統(tǒng)，在與本申請(qǐng)共同提交的，題為“用于發(fā)聲裝置的冷卻系統(tǒng)”的專利申請(qǐng)中作了描述。


圖1示出了一帶導(dǎo)引環(huán)的定子元件。
圖2示出了一帶開孔導(dǎo)引圓盤的驅(qū)動(dòng)元件。
圖3示出了驅(qū)動(dòng)單元的組成。
圖4示出了一驅(qū)動(dòng)裝置是如何組裝的。
圖5和圖6示出了一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成和它如何裝配在發(fā)聲裝置中。
圖1示出了一帶導(dǎo)引環(huán)的定子元件。定子元件包括磁化線圈1，固定于軟磁管2，后者依次也固定于固定管3。在固定管端面中為導(dǎo)引環(huán)4和5開了槽。由圖清楚可見，導(dǎo)引環(huán)的設(shè)計(jì)有些不同，將于下文對(duì)此加以解釋。
圖2示出了帶有組合在一起的導(dǎo)引圓盤的驅(qū)動(dòng)元件的組成。它包含一圓筒形磁柱芯6，其帶有軟磁材料圓盤7和8，與柱芯的兩端面相接觸。永磁圓盤9和10直接與圓盤7和8接觸。圓盤的直徑與磁化線圈的外徑基本上一致。為徑向?qū)б荆贿m當(dāng)?shù)乃芰喜牧系拈_孔薄導(dǎo)引圓盤11，安裝于面向柱芯的軟磁圓盤8的側(cè)面，該導(dǎo)引圓盤的外徑與各圓盤的外徑相同，內(nèi)徑稍大于柱芯直徑。
圖3示出一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，它由疊在一起的任意數(shù)目的定子元件和相應(yīng)數(shù)量的驅(qū)動(dòng)元件組成。如圖所示，疊排的驅(qū)動(dòng)元件構(gòu)成一驅(qū)動(dòng)元件組件，在每?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)元件之間，有一個(gè)共同的永磁圓盤。靠近驅(qū)動(dòng)單元外表面的定子元件，與邊緣環(huán)12和13相連接。這些環(huán)的朝外表面可為截頭錐體形式。如所示出的，為了對(duì)中邊緣環(huán)，導(dǎo)引環(huán)5a和5b，形狀上與定子元件間的導(dǎo)引環(huán)4有些不同，因?yàn)閷?dǎo)引環(huán)5a和5b僅需對(duì)中一個(gè)軟磁圓盤和一個(gè)永磁圓盤。銅是一種適合于導(dǎo)引環(huán)的材料，它在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可起一定的潤(rùn)滑作用，同時(shí)其良好的熱傳導(dǎo)性能使之有可能很好地將熱量傳送至固定管。驅(qū)動(dòng)單元力和運(yùn)動(dòng)的輸出作用于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)棒14和15，其在靠近外表面驅(qū)動(dòng)元件的永磁圓盤處，形如圓盤16和17。
依照?qǐng)D3的一個(gè)驅(qū)動(dòng)元件可通過(guò)多種不同途徑施加機(jī)械預(yù)應(yīng)力，例如以上述及的(美國(guó)專利申請(qǐng))US-A-4438509說(shuō)明的。但本發(fā)明一首選實(shí)施例如圖4所示，它構(gòu)成一個(gè)所謂的驅(qū)動(dòng)裝置。該驅(qū)動(dòng)裝置包括兩個(gè)實(shí)際上與圖3的驅(qū)動(dòng)單元相同并帶一個(gè)中間楔形機(jī)械預(yù)應(yīng)力裝置的驅(qū)動(dòng)單元。驅(qū)動(dòng)單元之間的區(qū)別在于，面向預(yù)應(yīng)力裝置的邊緣環(huán)被平行六面體18和19所替代。面對(duì)預(yù)應(yīng)力裝置的驅(qū)動(dòng)銷20和21也可對(duì)其軸向長(zhǎng)度稍加調(diào)節(jié)以適合于平行六面體的尺寸。
在平行六面體中為兩懸臂22和23設(shè)有凹槽，懸臂的相對(duì)的平面所形成的夾角，與置于懸臂之間的預(yù)應(yīng)力楔24的楔角相等。在楔中開有一為預(yù)應(yīng)力螺栓25而設(shè)的孔洞，驅(qū)動(dòng)銷20和21與中間的預(yù)應(yīng)力裝置相接觸，后者固定于固定框架26。驅(qū)動(dòng)棒14和15從驅(qū)動(dòng)裝置中伸出，與發(fā)聲裝置的兩個(gè)壓梁27和28接觸。
固定框架是鐵磁材料制成并構(gòu)成磁路的一個(gè)主體部分，該磁路包繞由驅(qū)動(dòng)裝置兩外端永磁材料圓盤所發(fā)出的磁通量。
兩個(gè)相互垂直的視圖，圖5和圖6示出了根據(jù)本發(fā)明在首選實(shí)施例中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如何組裝，并以虛線示出了它是如何組裝于一帶有近似橢圓截面的圓筒形發(fā)聲裝置中的。發(fā)聲裝置的外殼如圖中29所示。在該實(shí)施例中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括四個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，經(jīng)固定框架上的延伸臂30和31，兩兩直接擰在一起。這些直接旋扭在一起的驅(qū)動(dòng)裝置，又通過(guò)間隔箍圈擰在一起，形成一個(gè)中間空隙，以便為電控設(shè)備等使用。這些控制設(shè)備被適當(dāng)?shù)匕惭b于一如圖中32所示的固定板上。顯然，按照?qǐng)D3和圖4的驅(qū)動(dòng)裝置中的預(yù)應(yīng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)于圖5中的預(yù)應(yīng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)放置了90°。預(yù)應(yīng)力螺栓25的反撐架，現(xiàn)包括一個(gè)固定于平行六面體18和19之間的部件33，在首選的實(shí)施例中，預(yù)應(yīng)力螺栓頭制成為蝸桿螺釘，它們都可由伸向一個(gè)端面板的蝸螺釘桿操作。
外側(cè)的驅(qū)動(dòng)裝置用螺釘34、35、36和37固定于相應(yīng)的發(fā)聲裝置的端面板38和39。外殼的可動(dòng)性和密封性，由端面板周圍的彈性環(huán)40和41保證。
一根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并非僅局限于附圖中所示的首選實(shí)施例。為此，例如，該驅(qū)動(dòng)單元可包括任何一至數(shù)個(gè)驅(qū)動(dòng)元件。同樣，驅(qū)動(dòng)裝置也可由任何一至數(shù)個(gè)驅(qū)動(dòng)單元組成。在僅包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)裝置中，則預(yù)應(yīng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)中的一個(gè)部件將與固定框架接觸，一個(gè)驅(qū)動(dòng)棒將從預(yù)應(yīng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)中伸出。當(dāng)然，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也可能僅包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置。
權(quán)利要求
1.用于發(fā)聲裝置的一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，系依據(jù)一磁路，其中包括一圓筒狀磁致伸縮柱芯(6)，一外圍的磁化線圈(1)和圍繞線圈的軟磁材料管(2)以及與柱芯端面相接觸的軟磁材料圓盤(7，8)，和與上述圓盤接觸的永磁材料圓盤(9，10)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，它至少包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)稱地位于發(fā)聲裝置壓梁(27，28)之間，所說(shuō)的壓梁經(jīng)驅(qū)動(dòng)裝置的伸出的驅(qū)動(dòng)棒(14，15)，置發(fā)聲裝置的外殼(29)于運(yùn)動(dòng)中；驅(qū)動(dòng)裝置至少包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，連同一機(jī)械預(yù)應(yīng)力裝置(22、23、24、25)，以疊排形式，安裝于固定框架(26)中；驅(qū)動(dòng)單元包括至少一個(gè)定子元件，后者包括磁化線圈(1)和軟磁管(2)和一個(gè)非磁性外固定管(3)以及相應(yīng)數(shù)量的驅(qū)動(dòng)元件，該驅(qū)動(dòng)元件包括圓筒形磁致伸縮材料柱芯(6)和與柱芯的端面接觸的軟磁材料圓盤(7，8)，以及與上述圓盤接觸的永磁材料圓盤(9，10)，連同用于定子和驅(qū)動(dòng)元件對(duì)中的導(dǎo)引環(huán)(4，5)和導(dǎo)引圓盤(11)，定子和驅(qū)動(dòng)元件一個(gè)一個(gè)地向上疊排，同時(shí)驅(qū)動(dòng)元件間留有空隙。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的一發(fā)聲裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，它包括四個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，且每個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置包括兩個(gè)疊排的帶一個(gè)中間預(yù)應(yīng)力裝置(22，23，24，25)的驅(qū)動(dòng)單元。
3.依據(jù)權(quán)利要求1的一發(fā)聲裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元包括十個(gè)疊排的定子元件和驅(qū)動(dòng)元件。
4.依據(jù)權(quán)利要求1的一發(fā)聲裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，預(yù)應(yīng)力裝置配置為一楔接，它包括兩個(gè)懸臂(22，23)，其相對(duì)的兩平面所組成的角等于設(shè)于兩平面間楔(24)的楔角，楔由一螺栓(25)相連，螺栓通過(guò)一個(gè)反撐架(33)被施以預(yù)應(yīng)力，以驅(qū)動(dòng)與懸臂相接觸的各元件。
全文摘要
一種發(fā)聲裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)裝置、伸出的驅(qū)動(dòng)棒(14、15)，其與發(fā)聲裝置的壓梁(27，28)相連，驅(qū)動(dòng)裝置包括一固定框架(26)，其中安裝帶有一中間機(jī)械預(yù)應(yīng)力裝置(22、23、24、25)的驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)單元包括定子和驅(qū)動(dòng)元件，通過(guò)導(dǎo)引環(huán)(4、5)和導(dǎo)引盤(11)疊排起來(lái)，定子元件包括一帶有外圍的軟磁材料管(2)的磁化線圈(1)固定在固定管(3)中，驅(qū)動(dòng)元件包括一圓筒形磁柱芯(6)、軟磁材料圓盤(7、8)以及永磁材料圓盤(9、10)，它們與所說(shuō)的磁柱芯相接觸。
文檔編號(hào)G10K9/12GK1069846SQ9210958
公開日1993年3月10日 申請(qǐng)日期1992年8月26日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月29日
發(fā)明者G·恩達(dá)爾, J·希德曼, G·莫隆, R·滕格漢 申請(qǐng)人:Abb.原子有限公司