低頻電聲換能器和產(chǎn)生聲波的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可潛在水聲通信或水聲斷層攝影的浸沒流體中的可潛電聲換能器，所述換能器包括兩個喇叭，配重，兩個位于配重任一側的電聲電機，所述電機沿著對稱軸對齊，所述電機的相對端分別連接到喇叭上，由所述電聲電機、所述配重和所述喇叭組成的組件能夠產(chǎn)生縱向電聲諧振模式。根據(jù)本發(fā)明，所述換能器包括在所述配重周圍延伸的剛性和中空的圓筒形部分，所述圓筒形部分具有與該換能器對稱軸合并的軸，所述圓筒形部分的內側形成能夠充滿所述浸沒流體的流體腔，當所述流體腔充滿所述浸沒流體時，所述電聲電機和所述圓筒形部分如此設定尺寸使得所述流體腔形成在所述換能器的所述縱向電聲諧振模式和所述圓筒形部分的周向諧振模式之間的聲學耦合。
【專利說明】低頻電聲換能器和產(chǎn)生聲波的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于水聲通信或用于水下聲學層析成像的電聲換能器。更精確地，本發(fā)明涉及可兼容于大浸沒深度(高于3000米)并且具有長期自主性，在低頻域(低于IkHz)中操作的可潛水的電聲換能器。本發(fā)明同樣涉及產(chǎn)生低頻和寬頻帶聲波的方法。
【背景技術】
[0002]電聲換能器用于聲壓波的發(fā)送和/或接收。在發(fā)送模式中，聲學換能器將電勢差轉換成聲壓波，并且在接收模式中反過來。換能器具有頻率帶寬并且呈現(xiàn)對應于帶寬中間的所謂的中心頻率。
[0003]在高于約十公里的距離上的水聲通信需要低頻聲源(低于IkHz的頻率)的使用以達到遠程和寬頻帶(比中心頻率的10%高的帶寬)的目標并且允許足夠的數(shù)據(jù)速率。
[0004]各種類型的低頻換能器通常用在水下聲學中:
[0005]-電火花器是聲學火花隙,該聲學火花隙的傳輸波的編碼是不可能的；
[0006]-轟鳴(boomer)在兩個平行的金屬板中通過Foucault電流產(chǎn)生聲波,但它們不允許編碼通信；
[0007]-壓電環(huán)是由一個或幾個金屬環(huán)組成的系統(tǒng)，在該金屬環(huán)的內壁上沿徑向布置幾個壓電電機。當激勵該壓電電機時，該環(huán)處于振動中。這些環(huán)因此充當喇叭或振動壁。然而，該壓電環(huán)系統(tǒng)的實現(xiàn)仍然困難并且它們的可重復性不夠。
[0008]-Janus-Helmholtz換能器與編碼兼容,但它們在低頻時受到限制。
[0009]在下文中，更特別地參考Janus-Helmholtz型換能器。也稱為雙Tonpilz換能器的Janus-Helmholtz換能器基于形成壓電電機的壓電部件的堆疊的使用。Janus-Helmholtz換能器包括沿著相同軸對齊并且在中心配重上固定的兩個壓聲電機，每個壓聲電機通過預應力桿連接到喇叭上。這兩個喇叭因此位于設備軸上的相對端處，并且關于與軸橫向的平面對稱。Janus-Helmholtz換能器一般包括非諧振的剛性圓筒形外殼,該外殼劃定了位于外殼內壁和喇機的背面之間的流體腔的界限。Janus-Helmholtz換能器允許在比Tonpilz型換能器(高于IkHz的頻率)更低的聲頻(從150Hz至20kHz)中工作。Janus-Helmholtz換能器在位于沿著該換能器軸的傳輸方向上產(chǎn)生縱向的聲學諧振模式。在下文中，該諧振模式將被稱為縱向諧振模式。然而，該Janus-Helmholtz換能器在低頻(〈1kHz)時受到限制。特別是與腔體積成反比的該諧振頻率，低頻Janus-Helmholtz換能器使體積受到約束。
[0010]壓聲諧振器一般位于防水保護的外殼中。該喇叭的外表面與浸沒介質直接接觸或放置在透聲膜的后面。該外殼的內腔充滿空氣或充滿選擇以具有良好聲學阻抗而沒有損耗(即沒有隨水阻抗陡變(rupture))的流體。所使用的流體一般是油。當該腔體充滿空氣時，經(jīng)由喇叭的外表面形成在換能器和浸沒介質之間的聲學耦合。當該腔體充滿油時，經(jīng)由喇口八，通過油和外殼形成在換能器和浸沒介質之間的聲學耦合。該浸入的換能器將諧振器的振動波轉換成在浸沒介質中傳播的聲壓波。
[0011]已知在深度浸沒使用的情況下壓電陶瓷的性能顯著變化，因為靜水壓力隨著浸沒深度線性增加。
[0012]存在包括充滿氣體的防水外殼的電聲換能器,但該外殼必須足夠牢固以抵抗在液體中的浸沒壓力，當浸沒深度很大時這顯著增加了換能器的重量。
[0013]存在包括用于補償靜水壓力到外殼上的施加力和增加對深度浸沒中的外部壓力的阻力的氣動補償系統(tǒng)的電聲換能器。
[0014]然而這種復雜的氣動補償系統(tǒng)被限于低于3000米的浸沒深度。
[0015]在包括外殼的電聲換能器中，一般搜索以減弱通過外殼的聲波傳輸，該外殼傳輸處于在不可取的發(fā)送和接收方向上輻射損耗的原點處。特別基于用于在與換能器軸橫向的方向上的聲波吸收或衍射裝置的使用，存在用于在外殼和壓電堆疊之間解耦的各種設備。
[0016]另一方面，為了減少聲波換能器的諧振頻率，已知的解決方案在于放置在諧振腔中充滿氣體的柔性(compliant)管。然后這種換能器具有包括在500Hz和1000Hz之間的諧振頻率。然而，受到浸沒介質的靜水壓力的該柔性管，它們在高壓下會被壓碎，這使換能器的浸沒深度限于小于1000米。

【發(fā)明內容】

[0017]本發(fā)明的一個目的是提供用于在大浸沒深度和在低頻時傳輸聲波的自主水聲通信系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個目的是提出用于產(chǎn)生低頻和寬頻帶聲波的方法。
[0018]該技術問題是減少Janus-Helmholtz型的可潛式電聲換能器的諧振頻率而不增加該換能器的尺寸和重量，以便確保大浸沒深度下的電聲效率和長期自主性。
[0019]本發(fā)明的目的是改正現(xiàn)有設備的缺點并且更特別地涉及用于水聲通信的可潛在浸沒流體中的電聲換能器，所述換能器包括:兩個喇叭，配重，被放置在該配重的任何一側上的兩個電聲電機，所述電機沿著對稱軸對齊，所述電機的相對端分別連接到喇叭上，由所述電聲電機、所述配重和所述喇叭組成的單元能夠產(chǎn)生縱向電聲諧振模式。根據(jù)本發(fā)明，所述換能器包括:在所述配重周圍延伸的剛性和中空的圓筒形部分，所述圓筒形部分具有與換能器的對稱軸合并的軸，形成流體腔的所述圓筒形部分的內側能夠充滿所述浸沒流體，所述電聲電機和所述圓筒形部分如此設定尺寸使得當所述流體腔充滿所述浸沒流體時，所述流體腔形成在所述換能器的縱向電聲諧振模式和所述圓筒形部分的周向諧振模式之間的聲學f禹合。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的特定實施例，通過能夠將所述圓筒形部分與所述配重聲學解耦的懸浮裝置，將所述圓筒形部分固定到所述配重上。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述圓筒形部分由能夠產(chǎn)生周向類型的聲學振動模式的金屬材料或復合材料組成。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述換能器能夠提供低于10000Hz并且具有比中心聲頻高10%的帶寬的聲頻的聲學傳輸源。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述換能器能夠提供低于1000Hz并且具有比中心聲頻的10%高的帶寬的聲頻的聲學傳輸源。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的特定方面:
[0024]-所述圓筒形部分具有環(huán)形截面；
[0025]-所述圓筒形部分的壁是固體；
[0026]-假設充滿水的所述流體腔；[0027]-在壓電堆疊的縱向諧振模式和圓筒形部分的周向模式之間的頻率差低于或等于換能器的中心頻率的約10%。
[0028]本發(fā)明同樣涉及在浸沒流體中的低頻聲波傳輸?shù)姆椒ǎ摲椒òㄒ韵虏襟E:
[0029]-在根據(jù)諧振器的縱向諧振模式的浸沒流體中產(chǎn)生聲波，該諧振器包括布置在配重的任何一側上并且沿著軸對齊的兩個壓電堆疊，將所述堆疊的相對端分別連接到兩個喇叭上；
[0030]-經(jīng)由對所述浸沒流體打開的流體腔使所述縱向諧振耦合到與所述堆疊同軸并且圍繞所述配重的圓筒形部分的周向聲學諧振模式，所述圓筒形部分劃定所述流體腔的界限。
[0031]本發(fā)明將找到在水聲通信系統(tǒng)中特別有利的應用。本發(fā)明的換能器的另一個應用涉及水下聲學層析成像。
[0032]本發(fā)明同樣涉及從以下說明中將變得顯而易見并且將必須單獨或以任何技術上可行的其組合來考慮的特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]參考附圖，借助于非限制性示例給出的本說明將允許本發(fā)明可如何實現(xiàn)的更好理解，在附圖中:
[0034]-圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的電聲換能器的剖視圖。
【具體實施方式】
[0035]圖1的換能器是通過在壓電堆疊和具有其軸與壓電堆疊合并的環(huán)形截面的圓筒形部分之間的諧振耦合來允許水聲通信的電聲換能器。該圓筒形部分是周向諧振，這種諧振模式同樣稱為呼吸模式(respiration mode)。
[0036]更精確地，圖1示意性示出包括沿著縱向軸(6)對齊的兩個壓電電機(la，lb)的換能器的剖視圖。該壓電電機固定在中心配重(4)的任何一側。兩個電機(la，Ib)的相對端分別固定到喇叭(3a，3b)上。將由壓電電機(la，Ib)，配重(4)和喇叭(3a，3b)組成的單元通過可以在軸向支柱外部或內部的所謂的預應力桿保持在預應力狀態(tài)。
[0037]該換能器進一步包括優(yōu)選具有環(huán)形截面、中空并且與縱向軸(6)同軸的圓筒形部分(5)。該圓筒形部分(5)布置在配重(4)周圍并且優(yōu)選位于換能器的對稱平面上的中心。在圖1的方案中，該圓筒形部分(5)的長度低于壓電堆疊和配重的總長度，或同樣低于使兩個喇叭(3a，3b)分開的距離。該圓筒形部分(5)的外部直徑基本上等于喇叭的外部直徑。該圓筒形部分的厚度通常是厘米量級。該圓筒形部分的壁優(yōu)選是固體，該圓筒形部分(5)包括在其兩個相對端處的兩個開口。
[0038]中空的圓筒形部分(5)的尺寸如此使得后者劃定內部流體腔(7)的界限。流體腔
(7)通過位于其兩端的開口向外側打開，使得當換能器浸沒時，腔(7)的體積充滿浸沒例如海水的流體(8)。因此，無論浸沒的深度，該換能器的部件永久關于浸沒介質的靜水壓力等壓。該換能器的結構允許支持與大浸沒深度相關的高靜水壓力，而不需要氣動補償系統(tǒng)。
[0039]以如下方式確定圓筒形部分(5)的物理參數(shù)，即后者能夠產(chǎn)生周向聲學諧振模式。對于環(huán)形部分，通過以下公式確定第一周向諧振模式:[0040]Fr=I/ (2* π * V (Sr* P *a2))
[0041]其中Fr表示諧振頻率，Sr表示徑向彈性，P表示材料的密度，以及a表示平均半徑。對于直徑為I米的鋁盤，本公式的應用通常給出接近1500Hz的諧振頻率。在本發(fā)明的換能器中，經(jīng)由流體腔(7)的聲學耦合，通過壓電諧振器(la，Ib)的電激勵產(chǎn)生圓筒形部分
(5)的周向諧振模式的激勵。
[0042]根據(jù)優(yōu)選的實施例，基于兩個諧振器的耦合，電聲換能器構成了寬頻帶、低頻(〈1000Hz)的聲學傳輸源。第一諧振器是稱為擴張壓縮的，其基本模式是縱向的質量-彈簧類型的壓電諧振器。第二諧振器是通過具有周向或徑向諧振模式的圓筒形部分(5)形成的諧振器。經(jīng)由由周圍介質的海水組成的流體腔(7)耦合縱向諧振模式和周向諧振模式。經(jīng)由在圓筒形部分(5)內包含的流體腔(7)形成耦合。以在頻率上接近環(huán)形部分的周向模式的這種方式設定壓電堆疊的縱向諧振模式的尺寸，以便允許在兩個諧振之間的有效耦合。
[0043]該徑向部分可以是金屬制的或由復合材料(諸如碳纖維/環(huán)氧樹脂纖維)組成，并且通過中心配重與壓電堆疊保持整合。通過形成聲學解耦器的懸浮裝置將該徑向部分鏈接到中心配重。根據(jù)優(yōu)選實施例，通過例如以橡膠墊圈形式的懸浮塊(或靜音塊)形成懸浮裝置。在圖1中未示出該懸浮裝置，以便說明在配重(4)和圓筒形部分(5)之間的聲學解耦。此外，懸浮裝置不防水并且不形成到開放流體腔的障礙。
[0044]該換能器的機械結構允許在大浸沒深度(高于3000米)中的其使用。此外，該換能器不包括任何充滿空氣或油的內部流體部分。本發(fā)明的換能器因此具有很強的穩(wěn)健性。
【權利要求】
1.一種電聲換能器，可潛在用于水聲通信的浸沒流體(8)中，所述換能器包括: -兩個喇叭(3a，3b)， -配重⑷， -兩個電聲電機(la, lb),放置在配重(4)的任何一側上,所述電機(la, lb)沿著對稱軸(6 )對齊，所述電機(la，Ib )的相對端分別連接到喇叭(3a，3b )上， 由所述電聲電機(la，Ib )、所述配重(4)和所述喇叭(3a，3b )組成的單元能夠產(chǎn)生縱向電聲諧振模式， 該電聲換能器的特征在于所述換能器包括: -在所述配重(4)周圍延伸的剛性和中空的圓筒形部分(5)，所述圓筒形部分(5)具有與換能器的對稱軸(6)合并的軸，所述圓筒形部分(5)的內側形成能夠充滿所述浸沒流體(8)的流體腔(7)， -所述電聲電機和所述圓筒形部分(5)如此設定尺寸使得當所述流體腔(7)充滿所述浸沒流體(8)時，所述流體腔(7)形成在所述換能器的所述縱向電聲諧振模式和所述圓筒形部分(5)的周向諧振模式之間的聲學耦合。
2.根據(jù)權利要求1所述的電聲換能器，其特征在于通過能夠將所述圓筒形部分(5)與所述配重(4)聲學解耦的懸浮裝置，將所述圓筒形部分(5)固定到所述配重(4)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的電聲換能器，其特征在于所述圓筒形部分(5)由能夠產(chǎn)生周向類型的聲學振動模式的金屬材料或復合材料制成。
4.根據(jù)權利要求1至3中的一項所述的電聲換能器，其特征在于所述圓筒形部分(5)具有環(huán)形截面。
5.根據(jù)權利要求1至4中的一項所述的電聲換能器，其特征在于所述圓筒形部分(5)的壁是固體。
6.根據(jù)權利要求1至5中的一項所述的電聲換能器，其特征在于所述換能器能夠提供低于10000Hz并且具有比中心聲頻的10%高的帶寬的聲頻的聲學傳輸源。
7.根據(jù)權利要求6所述的電聲換能器，其特征在于所述換能器能夠提供低于1000Hz并且具有比中心聲頻的10%高的帶寬的聲頻的聲學傳輸源。
8.根據(jù)權利要求1至7中的一項所述的電聲換能器，其特征在于假設充滿水的所述流體腔(7)。
9.根據(jù)權利要求1至8中的一項所述的電聲換能器，其特征在于在壓電堆疊的縱向諧振模式和圓筒形部分(5)的周向模式之間的頻率差低于或等于換能器的中心頻率的約10%。
10.一種方法，用于在浸沒流體中的低頻聲波傳輸，該方法包括以下步驟: -根據(jù)諧振器的縱向諧振模式在浸沒流體(8)中產(chǎn)生聲波，該諧振器包括布置在配重(4)的任何一側上并且沿著軸(6)對齊的兩個壓電堆疊(la，lb)，所述堆疊的相對端分別連接到兩個喇叭(3a，3b)上； -經(jīng)由對所述浸沒流體(8)打開的流體腔(7)將所述縱向諧振耦合到與所述堆疊(la，lb)同軸并且圍繞所述配重(4)的圓筒形部分(5)的周向聲學諧振模式，所述圓筒形部分(5)劃定所述流體腔(7)的界限。
【文檔編號】B06B1/06GK103492090SQ201280011032
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年1月31日 優(yōu)先權日:2011年2月1日
【發(fā)明者】F·莫斯卡, M·維亞爾, G·格雷寧蓋伊, G·馬特 申請人:埃艾克斯布魯公司