專(zhuān)利名稱(chēng)：聲發(fā)射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于聲發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)組件。目前的聲發(fā)射裝置可以同時(shí)作為發(fā)射器和接收器，也就是作為聲信號(hào)的測(cè)量變換器。可以非常有利地應(yīng)用本發(fā)明的聲發(fā)射裝置即所謂的聲吶，也就是一種在水下發(fā)出聲波，經(jīng)反射后能被各種類(lèi)型的水聽(tīng)器監(jiān)控的聲發(fā)射器。
這是一個(gè)熟知的事實(shí)，即低頻率的聲波比高頻率的聲波在水下傳送得更遠(yuǎn)。長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)，不論從軍事觀點(diǎn)上和離岸石油和氣體燃料工業(yè)觀點(diǎn)上都十分需要有能在水下操作的強(qiáng)有力低頻聲發(fā)射器。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，市場(chǎng)上已有供應(yīng)為此目的和用途的各種設(shè)計(jì)的聲發(fā)射器。在1984年11月期的“國(guó)際防系統(tǒng)評(píng)論”(Defense System Review)第50-55頁(yè)上題為“結(jié)合稀土合金的聲吶換能器設(shè)計(jì)”一文中對(duì)這種聲發(fā)射器已有綜合性的報(bào)道。
目前應(yīng)用的大部分聲發(fā)射器都是基于壓電效應(yīng)或者磁致伸縮現(xiàn)象。如已熟知的，壓電效應(yīng)就是當(dāng)一個(gè)電壓施加在一種晶體物質(zhì)的端面時(shí)，該晶體物質(zhì)的長(zhǎng)度就會(huì)改變，而相應(yīng)地，當(dāng)該物質(zhì)經(jīng)受形變時(shí)就可以得到一個(gè)電壓。磁致伸縮現(xiàn)象是一種磁性材料經(jīng)受磁通量的變化后，其長(zhǎng)度就會(huì)改變，而相應(yīng)地，由于外界引起的長(zhǎng)度變化就會(huì)使磁通量發(fā)生變化。這意味著應(yīng)用了這些效應(yīng)的發(fā)射器，就也能夠在原則上被用途為接收器。
目前存在著各種不同的聲發(fā)射器具體實(shí)例。在低頻率應(yīng)用中，它們通常具有帶圓形或橢圓形的斷面的圓柱體形狀。
這種聲發(fā)射器最大的問(wèn)題是如何取得足夠的振蕩振幅。為達(dá)到這一目的，或者需要具有大振蕩振幅的大的聲發(fā)射器面積或者獲小的聲發(fā)射器面積。
采用所謂巨磁致伸縮材料改進(jìn)了獲得優(yōu)異聲發(fā)射器的條件。以這種材料作為驅(qū)動(dòng)元件，所得到的振幅的變化會(huì)達(dá)到相當(dāng)于使用壓電材料或普通的磁性材料的變化100倍之多。采用這種巨磁致伸縮材料的聲發(fā)射器在市面上也已銷(xiāo)售了多年。
一種經(jīng)常遇到的這種實(shí)際驅(qū)動(dòng)的實(shí)例將詳盡地從一個(gè)帶有橢圓截面的圓柱體形聲發(fā)射器開(kāi)始描述。圓柱體形包封體表面由一個(gè)彈性的膜體或殼體組成。在圓柱體內(nèi)并平行于圓柱體的軸線(xiàn)并接觸殼體有兩條棒材。該棒材對(duì)殼體施加壓力。該棒材的截面相對(duì)于橢圓殼體的短軸是鏡象倒置對(duì)稱(chēng)的，而每個(gè)棒材由朝著長(zhǎng)軸的端頭并平行于短軸的弦的那部分殼體所限定。在兩條棒材之間并與其平行側(cè)面相接觸處，設(shè)置有一個(gè)取驅(qū)動(dòng)桿形式的電力控制驅(qū)動(dòng)元件。驅(qū)動(dòng)桿的縱向軸與橢圓形截面的長(zhǎng)軸相重合，并位于聲發(fā)射器端面之間的中央。在應(yīng)用磁致伸縮現(xiàn)象的實(shí)例中，驅(qū)動(dòng)桿用磁性材料，最好是巨磁致伸縮材料制成，其周?chē)@有線(xiàn)圈并受到磁化以便保持跟上聲發(fā)射器所希望有的頻率。如果使用的是壓電效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)桿就用壓電材料制成。當(dāng)然，驅(qū)動(dòng)桿可以以其整體，或者也可以以其一部分用一種可以使其長(zhǎng)度獲得理想變化的材料制成。
如上所述聲發(fā)射器的基本實(shí)施例可能在實(shí)際的細(xì)節(jié)上有所不同。一種帶有橢圓截面的圓柱體形，其驅(qū)動(dòng)桿由巨磁致伸縮材料制成的聲發(fā)射器，尤其已在美國(guó)專(zhuān)利第4，901，293號(hào)上公開(kāi)過(guò)，其標(biāo)題為“稀土彎張換能器”。
瑞典審定專(zhuān)利申請(qǐng)第8901905-3號(hào)，“聲發(fā)射器之裝置”，也描述了一種帶有橢圓截面的圓柱體形聲發(fā)射器。這里的驅(qū)動(dòng)元件由一個(gè)具有對(duì)置設(shè)置的凹座的主體構(gòu)成，凹座內(nèi)插有壓力棒材。該驅(qū)動(dòng)桿本身又固定到壓力棒材上，而該棒材如上面所述的一樣對(duì)膜體施加作用力。
本發(fā)明包含上面稱(chēng)之為“驅(qū)動(dòng)元件”的一個(gè)基本構(gòu)思，但在下文中被稱(chēng)為“驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件”。至于聲發(fā)射器的其它部件，如上面所述的帶有橢圓截面的圓柱體形的設(shè)計(jì)是其起點(diǎn)。聲發(fā)射器有一個(gè)彈性膜體或殼體和兩條在長(zhǎng)軸端的內(nèi)部壓力棒材。本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件就位于這壓力棒材之間。
驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件包括一塊磁性材料的板件，其外形如一個(gè)線(xiàn)性長(zhǎng)方體。在板件內(nèi)開(kāi)有多口凹口或窗口，因此在下文中這板件將被稱(chēng)作“骨架”。該窗口有兩種不同的孔構(gòu)形，然而，兩者都屬帶圓角的長(zhǎng)方體形。
在下面稱(chēng)作“驅(qū)動(dòng)窗口”的一種窗口構(gòu)形是這樣成形，使得可以在該窗口中容納由一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元組成的驅(qū)動(dòng)元件，驅(qū)動(dòng)單元安裝成與長(zhǎng)度變化為同一軸線(xiàn)。
在下面稱(chēng)作“預(yù)應(yīng)力窗口”的另一種窗口構(gòu)形是這樣成形，使得可以在該窗口中容納一個(gè)如下面所述的預(yù)應(yīng)力裝置。預(yù)應(yīng)力裝置包括一個(gè)通過(guò)擰旋螺絲釘而可動(dòng)的并位于兩個(gè)外部可移動(dòng)的預(yù)應(yīng)力凸塊之間的楔塊。預(yù)應(yīng)力凸塊朝著楔塊的兩個(gè)側(cè)邊形成一個(gè)相同于楔塊角度的角度。預(yù)應(yīng)力凸塊相對(duì)的兩外側(cè)邊則為相互平行的平面，當(dāng)楔塊由螺絲釘?shù)臄Q旋進(jìn)入預(yù)應(yīng)力凸塊之間成角度的開(kāi)口中時(shí)，該兩個(gè)外側(cè)邊互相移動(dòng)開(kāi)的方向垂直于楔塊移動(dòng)的方向。
骨架在其高度方面的尺寸適配成相當(dāng)于壓力棒材兩個(gè)平行內(nèi)側(cè)平面之間的距離，也就是在壓力棒材之間的長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度。骨架的厚度相當(dāng)于圓柱體形殼體軸向長(zhǎng)度。骨架的厚度變化范圍較寬，主要由能在其內(nèi)容納驅(qū)動(dòng)單元和預(yù)應(yīng)力裝置的窗口的必需尺寸來(lái)決定。如下面將描述的，聲發(fā)射器的橢圓形端板件是固定在骨架的高/厚的側(cè)邊上的?；蛘?，定中骨架，使得其中間平面，也就是處于兩個(gè)寬/高側(cè)邊之間的中央平面與通過(guò)圓柱體形聲發(fā)射器的長(zhǎng)軸和縱向軸并通過(guò)橢圓形截面的中心點(diǎn)的假想平面相重合。從上面所述的可以清楚地看到，骨架的兩條寬/厚側(cè)邊是朝著并平行于壓力棒材的平行側(cè)平面的。
在骨架內(nèi)設(shè)置兩個(gè)驅(qū)動(dòng)窗口和一個(gè)位于兩者間的中央處的預(yù)應(yīng)力窗口形成一個(gè)縱行，各窗口重合著的中心線(xiàn)平行于橢圓形截面的長(zhǎng)軸。骨架可以包含任意數(shù)量的這種平行縱行。
根據(jù)上述，由一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元組成的驅(qū)動(dòng)元件放置在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)窗口內(nèi)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)元件都在長(zhǎng)度變化的方向上終接在壓力鈕銷(xiāo)上。骨架中有為這些壓力鈕銷(xiāo)而設(shè)的隙孔。在壓力棒材上也有用于導(dǎo)引的凹應(yīng)和供這些從驅(qū)動(dòng)窗口伸出的壓力鈕銷(xiāo)用的平衡支承。在中間的預(yù)應(yīng)力窗口中放置有按上所述的預(yù)應(yīng)力裝置。驅(qū)動(dòng)件的內(nèi)部壓力鈕銷(xiāo)連接到預(yù)應(yīng)力凸塊平行的外側(cè)平面上。
尤其根據(jù)上述的“國(guó)防系統(tǒng)評(píng)論”的論文中已知并適宜對(duì)地震波發(fā)射器利用包括由例如Terfenol這樣的巨磁致伸縮材料制成的驅(qū)動(dòng)源。為了獲得最佳功能，這種驅(qū)動(dòng)源需要施加機(jī)械預(yù)應(yīng)力和偏磁化也已為人們所知。
一種用于本發(fā)明驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件的適宜的驅(qū)動(dòng)源是根據(jù)美國(guó)專(zhuān)利第4，914，412號(hào)公開(kāi)的“磁路”而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)單元。這種磁路是意圖用以在軸向上磁化圓柱體形磁性材料，例如一種巨磁致伸縮材料。磁路包括用以偏磁化的一個(gè)磁化線(xiàn)圈和多個(gè)永久磁鐵以及鐵磁材料的磁回路導(dǎo)體。
理想的機(jī)械預(yù)應(yīng)力借助于應(yīng)力窗口內(nèi)的預(yù)應(yīng)力裝置來(lái)獲得。用擰旋螺絲釘將楔塊插入預(yù)應(yīng)力凸塊之間，這預(yù)應(yīng)力凸塊就會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)元件的壓力鈕銷(xiāo)將壓力棒材卡緊在膜體上，從而獲得驅(qū)動(dòng)單元所希望有的機(jī)械預(yù)應(yīng)力。這也就意味著骨架能在膜體內(nèi)自由浮動(dòng)，而聲發(fā)射器的端板可固定在骨架上而不致使端板明顯地影響膜體的振蕩。
所描述的聲發(fā)射器實(shí)施例的構(gòu)思，不論在設(shè)計(jì)、尺寸和聲效應(yīng)方面帶來(lái)很大的自由度，因?yàn)槊總€(gè)驅(qū)動(dòng)元件內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)量和縱行的數(shù)量都可以自由加以選擇。骨架的構(gòu)思，使得在制造和卷繞膜件時(shí)，對(duì)固定驅(qū)動(dòng)元件和固定壓力棒材帶來(lái)良好的可能性。骨架還用作磁路的磁軛。
以下是結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的描述，其中

圖1顯示一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的包括有一個(gè)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件的、具有橢圓形截面圓柱體形聲發(fā)射器。
圖2顯示帶有一個(gè)包括在驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件內(nèi)的預(yù)應(yīng)力裝置的驅(qū)動(dòng)元件。
圖1顯示了一個(gè)聲發(fā)射器，其中最好使用了本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件。如圖中所示，該聲發(fā)射器有一個(gè)帶有橢圓形截面的圓柱體形狀。在外面，該聲發(fā)射器包括有一個(gè)彈性膜體1形式的封皮表面和端板2和3。在膜體的內(nèi)部并平行于圓柱體的軸線(xiàn)有兩條壓力棒材4和5位于橢圓形截面的長(zhǎng)軸的兩端，這與上面所述的現(xiàn)有技術(shù)完全相符合。
驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件包括一個(gè)帶有多個(gè)窗口的骨架，包括有一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)元件和一個(gè)由一個(gè)楔塊和兩個(gè)應(yīng)力凸塊組成的預(yù)應(yīng)力裝置。
如上所述，骨架6是一個(gè)線(xiàn)性長(zhǎng)方體形。為了敘述方便起見(jiàn)，下面將結(jié)合骨架的高度h，寬度w和厚度t予以描述。骨架安置在膜體內(nèi)中央處，使之介于兩個(gè)高/寬側(cè)邊之間的一個(gè)中央平面重合于所有長(zhǎng)軸的平面。因此骨架的高度h適配成基本上相當(dāng)于兩個(gè)壓力棒材之間的自由距離，也就是說(shuō)，骨架的寬/厚側(cè)邊實(shí)際上與壓力棒材料接觸。骨架的寬度w相當(dāng)于圓柱體形膜體的軸向長(zhǎng)度。因此，聲發(fā)射器的端板可用螺絲釘7，8，9和10固定在骨架的高/厚側(cè)邊上。骨架的厚度t，也就是兩個(gè)高/寬側(cè)邊之間的距離，基本上是根據(jù)安裝驅(qū)動(dòng)元件和預(yù)應(yīng)力裝置的要求以及壓力鈕銷(xiāo)隙孔必要的尺寸的要求而確定的。由于當(dāng)聲發(fā)射的器借助預(yù)應(yīng)力裝置而處于機(jī)械預(yù)應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，骨架漂浮于聲發(fā)射器內(nèi)部，因此，這樣的骨架就不會(huì)受到任何明顯的機(jī)械應(yīng)力。所以骨架的高度和寬度基本上取決于為了獲得所要求的聲效應(yīng)而需要的驅(qū)動(dòng)單元/驅(qū)動(dòng)元件的數(shù)目。
上面所述的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)窗口11和12，如圖中所示，都是帶圓角的長(zhǎng)方體形。在其間的中央處為預(yù)應(yīng)力窗口13，也是帶圓角的長(zhǎng)方體形。這些窗口有一條共同的中心線(xiàn)，該中心線(xiàn)與橢圓形截面的長(zhǎng)軸重合。為了隨后的描述，最好是如前所述的將該兩驅(qū)動(dòng)窗口和中間的預(yù)應(yīng)力窗口說(shuō)成是形成一個(gè)縱行?？梢钥吹礁鶕?jù)圖1的地震波發(fā)射器包括有5個(gè)縱行。如前所述，安置在驅(qū)動(dòng)窗口內(nèi)的驅(qū)動(dòng)元件具有軸向延伸的壓力鈕銷(xiāo)。提供給這些壓力鈕銷(xiāo)的隙孔14，15，16和17則開(kāi)設(shè)在骨架上，以每個(gè)縱行的中心線(xiàn)作為其共同的中心線(xiàn)。
為了對(duì)壓力鈕銷(xiāo)的定心和導(dǎo)引，以及其對(duì)壓力棒材的平衡支承，如前所述，在壓力棒材料上開(kāi)有凹座18和19，這些凹座的軸線(xiàn)就是縱行的中心線(xiàn)。
圖2顯示用于插入每個(gè)縱行中的帶有一個(gè)中間預(yù)應(yīng)力裝置22的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)元件20和21的設(shè)計(jì)舉例。驅(qū)動(dòng)元件由一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元23所組成。當(dāng)應(yīng)用多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元時(shí)，將它們安裝成使之具有一個(gè)共同的軸向延伸方向。驅(qū)動(dòng)元件具有的壓力鈕銷(xiāo)24和25。預(yù)應(yīng)力裝置由兩個(gè)預(yù)應(yīng)力凸塊26和27及一個(gè)中間楔塊28所組成。當(dāng)借助于一個(gè)螺絲釘裝置29將楔塊插進(jìn)兩個(gè)預(yù)應(yīng)力凸塊之間時(shí)，驅(qū)動(dòng)元件就卡緊在壓力棒材上。這種螺絲釘裝置以及預(yù)應(yīng)力凸塊的導(dǎo)引可以用各種不同且普通的方式形成，因此就不再詳細(xì)敘述了。
所述的基本構(gòu)思，就其細(xì)節(jié)而論，可以設(shè)計(jì)成多種不同方式，但都包括在本發(fā)明的范圍之中。除了如已于前面提到的選擇縱行的數(shù)目，每個(gè)驅(qū)動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)單元和骨架的尺寸之外，例如窗口和將端板連接到骨架的高/厚側(cè)邊上也可能是一個(gè)不同實(shí)施例的問(wèn)題。預(yù)應(yīng)力裝置的楔塊也可以是錐形體的，這樣，預(yù)應(yīng)力凸塊朝著楔塊的那些面也將是錐形的，其錐削度與楔塊的錐削度應(yīng)相同。當(dāng)然驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件也可用于帶有例如圓形截面的而不是帶有橢圓形截面的圓柱體形聲發(fā)射器中。
權(quán)利要求
1.一種包括在圓柱體形聲發(fā)射器內(nèi)的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件，該聲發(fā)射器的殼體設(shè)置成彈性膜體(1)，在膜體內(nèi)帶有徑向?qū)χ玫膲毫Π舨?4、5)，其特征在于該驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件設(shè)置在壓力棒材之間并包括骨架(6)、驅(qū)動(dòng)元件(20、21)和預(yù)應(yīng)力裝置(22)，骨架為磁性材料制成線(xiàn)性長(zhǎng)方體形的板，其上有由帶圓角的長(zhǎng)方體凹口形成的驅(qū)動(dòng)窗口(11、12)和預(yù)應(yīng)力窗口(13)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)窗口連同一個(gè)中間預(yù)應(yīng)力窗口形成個(gè)具有沿徑向而位于壓力棒材之間一條共同中心線(xiàn)的縱行，骨架具有至少一個(gè)縱行，驅(qū)動(dòng)元件設(shè)置在驅(qū)動(dòng)窗口內(nèi)并包括有一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元(23)，驅(qū)動(dòng)單元可用電或磁控制并使之伸縮，驅(qū)動(dòng)元件沿伸縮方向的端頭設(shè)置成壓力鈕銷(xiāo)(24、25)，在骨架上提供以供這些壓力鈕銷(xiāo)的從預(yù)應(yīng)力窗口朝著壓力棒材和朝著中間預(yù)應(yīng)力窗口而設(shè)置的隙孔(14、15、16、17)，該隙孔的中心線(xiàn)與縱行的各窗口的中心線(xiàn)相同，預(yù)應(yīng)力裝置設(shè)置在預(yù)應(yīng)力窗口內(nèi)，它包括兩個(gè)預(yù)應(yīng)力凸塊(26、27)，其朝外的面與驅(qū)動(dòng)元件朝內(nèi)的壓力鈕銷(xiāo)相接觸，其相面對(duì)的面則貼合在中間楔塊的面(28)上，楔塊配有螺絲釘裝置(29)，利用這螺絲釘裝置可以使楔塊移入預(yù)應(yīng)力凸塊之間，從而使朝向壓力棒材的驅(qū)動(dòng)元件的那些壓力鈕銷(xiāo)與壓力棒材上的凹座(18、19)相接觸。
2.如權(quán)利要求1的所述的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件，其特征在于該驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件包括在帶橢圓形截面的聲發(fā)射器內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件，其特征在于該驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件包括在帶圓形截面的聲發(fā)射器內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件，其特征在于一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元包括一個(gè)通過(guò)一塊永久磁鐵偏磁化的磁路，該磁路有一個(gè)由巨磁致伸縮材料制成的磁芯。
5.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件，其特征在于一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元包括一個(gè)壓電元件。
6.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件，其特征在于預(yù)應(yīng)力凸塊安排成其相面對(duì)的平面相互形成一個(gè)相當(dāng)于一個(gè)中間平面楔形的楔角的角度。
7.如權(quán)利要求1所述的包括驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件，其特征在于楔塊呈錐體形狀，而面向該楔塊的預(yù)應(yīng)力凸塊的那些面與楔塊錐體形狀相配合。
8.職權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件，其特征在于聲發(fā)射器的端板(2，3)固定在驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件上。
全文摘要
一種用于聲發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件包括一個(gè)帶有用于容納驅(qū)動(dòng)元件(20)和預(yù)應(yīng)力裝置(22)的窗口的由磁性材料制成的骨架。兩個(gè)帶有驅(qū)動(dòng)元件的窗口和一個(gè)帶有一個(gè)預(yù)應(yīng)力裝置的中間窗口形成一個(gè)縱行，該縱行利用驅(qū)動(dòng)元件上的壓力鈕銷(xiāo)(24)和骨架上的隙孔(14)將位于聲發(fā)射器內(nèi)的壓力棒材(4)卡緊在聲發(fā)射器的殼體(1)上。驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部件可以包括多個(gè)縱行。
文檔編號(hào)H04R15/00GK1060192SQ9110936
公開(kāi)日1992年4月8日 申請(qǐng)日期1991年9月24日 優(yōu)先權(quán)日1990年9月28日
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