本發(fā)明屬于水聲探測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磁致伸縮換能器和采用該磁致伸縮換能器制成的用于水下發(fā)射的大功率超低頻聲源。本發(fā)明所說的超低頻是指頻率為30-300hz。

背景技術(shù)：

為滿足使用要求，水下大功率超低頻聲源需要具備大的振動體積位移，目前能夠產(chǎn)生大的振動體積位移的方式主要有以下幾種。

空氣槍超低頻聲源主要是將高壓壓縮空氣以有效的脈沖方式在水中突然釋放，利用高速排出的氣體激發(fā)周圍的介質(zhì)產(chǎn)生超低頻振動形成所需要的超低頻聲波?？諝鈽屄曉唇Y(jié)構(gòu)簡單、體積小、聲發(fā)射功率大，但存在發(fā)射頻率不可控，重復(fù)性差等問題。

電動式超低頻聲源主要是利用電場與磁場之間的相互作用產(chǎn)生驅(qū)動力推動輻射面輻射超低頻聲波。電動式超低頻聲源又存在著輻射聲功率小，技術(shù)難度高等一系列問題。

有源材料驅(qū)動的超低頻聲源主要是采用壓電陶瓷等有源材料作為聲源的激勵源。有源材料驅(qū)動式聲源具有技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)可靠，頻率可控等特點，但是現(xiàn)有的利用壓電陶瓷實現(xiàn)超低頻發(fā)射的聲源重量將達(dá)到噸級，直徑1m左右，運輸、使用均極為不便。而對于同樣技術(shù)指標(biāo)，若采用超磁致伸縮材料制成聲源，重量和體積約為壓電陶瓷型聲源的五分之一左右。由于超磁致伸縮棒材料易脆，無法直接制成所需長度，使用單根磁棒制成的傳統(tǒng)磁致伸縮換能器只能發(fā)射中高頻信號，使用兩根磁棒直接粘接又會存在偏置磁場不足的情況。另外，傳統(tǒng)磁致伸縮換能器采用鋼外殼結(jié)構(gòu)，磁漏較大，電能—磁能轉(zhuǎn)化效率較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種磁致伸縮換能器和用于水下發(fā)射的大功率超低頻聲源。本發(fā)明磁致伸縮換能器采用永磁體和超磁致伸縮棒交替粘接、利用大輻射面和驅(qū)動振子耦合的方式，在超低頻下可使換能器獲得很高的振動體積位移，同時具有小型化、輕量化的特點。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種磁致伸縮換能器，包括激勵線圈組件、質(zhì)量塊、磁回路外殼、偏置磁場組件、輸出桿、壓蓋和前輻射頭；

激勵線圈組件包括線圈骨架和繞制在線圈骨架外的激勵線圈；激勵線圈組件固定安裝在質(zhì)量塊上，磁回路外殼套裝在激勵線圈組件外且磁回路外殼的一個端面與質(zhì)量塊固定連接；

其特殊之處在于：

偏置磁場組件安裝在所述線圈骨架內(nèi)，偏置磁場組件由同軸交替粘接的n+1個永磁體和n根長度相同的超磁致伸縮棒構(gòu)成；n≥3；

所述偏置磁場組件的總長度大于等于200mm；單根超磁致伸縮棒和單個永磁體的長度比為5～10：1；

輸出桿的中部帶有碟簧和限位凸起；輸出桿的一端插入所述線圈骨架內(nèi)并與所述偏置磁場組件緊密接觸；輸出桿中部的限位凸起與所述線圈骨架的端部之間具有一定間隙；

壓蓋從輸出桿的另一端旋入并緊壓所述碟簧；

輸出桿的另一端伸出所述壓蓋后與所述前輻射頭固定連接。

進(jìn)一步地，上述n+1個永磁體的長度均相同。

進(jìn)一步地，由于偏置磁場組件的長度達(dá)到設(shè)計要求的長度才能發(fā)射超低頻信號，同時考慮到實際加工難度，上述n＝3，單根超磁致伸縮棒的長度為60mm，單個永磁體的長度為6mm。

進(jìn)一步地，上述超磁致伸縮棒由鋱鏑鐵稀土或釹鐵硼材料制成。

進(jìn)一步地，為獲得較好的耦合效果，上述前輻射頭為喇叭形，其大口朝向外部，大口外延所在平面為輻射面，輻射面直徑大于等于300mm。

進(jìn)一步地，上述前輻射頭采用硬鋁材料制成。

進(jìn)一步地，上述磁回路外殼采用電工純鐵材料制成。

本發(fā)明同時提供了一種用于水下發(fā)射的大功率超低頻聲源，包括水聲換能器、吊放夾具、以及由聲源外殼和密封堵頭組成的殼體；聲源外殼為一端開口的筒狀結(jié)構(gòu)，聲源外殼套裝在換能器外，吊放夾具固定安裝在聲源外殼外側(cè)面上；其特殊之處在于：

所述水聲換能器為上述的磁致伸縮換能器；聲源外殼的底部與磁致伸縮換能器中的質(zhì)量塊固定連接。

進(jìn)一步地，磁致伸縮換能器的前輻射頭位于所述聲源外殼的邊沿內(nèi)側(cè)，前輻射頭處采用聚氨酯灌封至與聲源外殼邊沿齊平形成聚氨酯密封層，以保證聲源的透聲性和密封性。

進(jìn)一步地，上述吊放夾具有兩個，間隔設(shè)置在聲源外殼的中部。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明利用激勵線圈組件產(chǎn)生的激勵磁場和永磁體共同作用，利用超磁致伸縮棒具有高磁致伸縮系數(shù)的特性，使超磁致伸縮棒產(chǎn)生超低頻大振幅軸向振動，通過質(zhì)量塊使振動能量大部分向前端輻射，再利用輻射頭將超低頻大幅軸向振動耦合為高的振動體積位移，從而實現(xiàn)了水下超低頻聲信號的大功率發(fā)射，同時具有體積小、質(zhì)量輕的特點。

2、本發(fā)明采用永磁體和超磁致伸縮棒交替粘接的結(jié)構(gòu)，即達(dá)到了設(shè)計和使用所要求的總體長度，又保證了超磁致伸縮棒正常工作所需要的偏置磁場，因此能夠?qū)崿F(xiàn)超低頻發(fā)射。

3、本發(fā)明采用碟簧施加預(yù)應(yīng)力的設(shè)計，在激勵線圈組件產(chǎn)生的激勵磁場作用前，利用永磁體給超磁致伸縮棒提供偏置磁場，偏置磁場和激勵磁場共同作用能夠保證超磁致伸縮棒正常工作在線性區(qū)，使得磁能—機械能轉(zhuǎn)化效率較高。

4、本發(fā)明將前輻射頭設(shè)計成喇叭形，喇叭大口朝向外部，大口外延所在平面為輻射面，具有較大的輻射面積，能夠增強輻射能量。

5、本發(fā)明磁回路外殼采用電工純鐵材料，能夠充分利用磁場能，減少磁泄漏，提高電磁轉(zhuǎn)化效率，實現(xiàn)大功率發(fā)射。

附圖說明

圖1為本發(fā)明用于水下發(fā)射的大功率超低頻聲源的一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)號說明：1—前輻射頭，2—輸出桿，3—壓蓋，4—碟簧，5—永磁體，6—超磁致伸縮棒，7—激勵線圈，8—密封堵頭，9—緊固螺栓，10—吊放夾具，11—質(zhì)量塊，12—聲源外殼，13—磁回路外殼，14—聚氨酯密封層。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明所提供的磁致伸縮換能器采用稀土超磁致伸縮材料制成偏置磁場組件，利用偏置磁場和激勵磁場進(jìn)行驅(qū)動。為便于理解，以下通過附圖1中磁致伸縮換能器的制作過程來詳細(xì)說明磁致伸縮換能器的具體結(jié)構(gòu)：

第1步：制作偏置磁場組件。

將四個長度均為60mm的永磁體5和三根長度均為60mm的超磁致伸縮棒6用ab膠交替粘接在一起構(gòu)成偏置磁場組件，并且偏置磁場組件的兩個端部為永磁體；粘接時應(yīng)待上一段ab膠粘接牢固后再進(jìn)行下一段粘接，粘接應(yīng)保證各永磁體和超磁致伸縮棒間粘接牢固且具有較好的同軸性。本發(fā)明中四個永磁體5的長度可以相同也可以不同，長度相同的話磁場更均勻。

第2步：繞制激勵線圈7。

將單根漆包圓導(dǎo)線沿事先加工好的尼龍線圈骨架表面緊密繞制成激勵線圈7，各層導(dǎo)線間采用電纜紙進(jìn)行絕緣。

第3步：裝配。

3.1激勵線圈7繞制完成后，將激勵線圈7及尼龍線圈骨架組成的激勵線圈組件套裝在質(zhì)量塊11的凸起處，然后將步驟1制作好的偏置磁場組件從尼龍線圈骨架的一端插入。質(zhì)量塊11的端面上也可以不設(shè)置凸起，只要保證激勵線圈組件固定安裝在質(zhì)量塊11上即可。

3.2將磁回路外殼13套在尼龍線圈骨架外并推至底部，確保磁回路外殼13與質(zhì)量塊11緊密接觸并固定。

3.3將中部帶有碟簧4和限位凸起的輸出桿2的一端插入尼龍線圈骨架內(nèi)，并確保輸出桿2與偏置磁場組件緊密接觸，輸出桿中部的限位凸起與線圈骨架的端部之間具有一定間隙。

3.4將壓蓋3從輸出桿2的另一端旋入，壓蓋3緊壓碟簧4，輸出桿2伸出壓蓋3，通過壓蓋3的擰入深度來調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力大小。

3.5將前輻射頭1擰到輸出桿2的自由端。

通過上述步驟，即可制成本發(fā)明水下超低頻大功率聲源中的核心部件：磁致伸縮換能器。

本發(fā)明同時提供了一種采用上述磁致伸縮換能器的用于水下發(fā)射的大功率超低頻聲源，該大功率超低頻聲源還包括吊放夾具10、由聲源外殼12和密封堵頭8組成的殼體。

聲源外殼12為一端開口另一端封閉的圓筒結(jié)構(gòu)，套裝在磁致伸縮換能器外，并且磁致伸縮換能器中前輻射頭1位于聲源外殼12的邊沿內(nèi)側(cè)；通過緊固螺栓9將聲源外殼12的底部與磁致伸縮換能器中質(zhì)量塊10固定連接，也可采用焊接等其他固定連接方式將聲源外殼12與質(zhì)量塊10固定連接；在磁致伸縮換能器中前輻射頭1處采用聚氨酯灌封至與聲源外殼12的殼體齊平形成聚氨酯密封層14(灌封時應(yīng)保證前輻射頭的透聲性和密封性)；然后將密封堵頭8扣在聲源外殼12的另一端并采用o型密封圈與聲源外殼12之間實現(xiàn)密封連接；最后將兩對吊放夾具10間隔安裝到聲源外殼12的側(cè)面。每個吊放夾具均通過兩個半圓形圓環(huán)將大功率超低頻聲源夾裝，通過吊放夾具上的孔實現(xiàn)對大功率超低頻聲源的吊放。

本發(fā)明的大功率超低頻聲源的工作原理：

本發(fā)明利用激勵線圈7產(chǎn)生的激勵磁場和永磁體5共同作用，利用超磁致伸縮棒6具有高磁致伸縮系數(shù)的特性，使超磁致伸縮棒6產(chǎn)生超低頻大振幅軸向振動；由于超磁致伸縮棒6的后端頂在質(zhì)量塊10上，使得振動能量大部分向前端輻射；超磁致伸縮棒6的前端通過輸出桿2和前輻射頭1連接，前輻射頭1采用大輻射面積，將超低頻大振幅軸向振動耦合為高的振動體積位移，實現(xiàn)超低頻大功率聲信號發(fā)射。