一种深水用低频开缝液壁耦合换能器制造技术

本发明专利技术公开了一种深水用低频开缝液壁耦合换能器，主要包括辐射盖板，辐射盖板位于换能器的上下两端，辐射盖板通过端盖A、压电陶瓷振子、端盖B与中间质量块依次粘接，并且中间穿有预应力螺杆进行固定，薄壁圆柱套筒为换能器外壳，薄壁圆柱套筒通过连接杆及去耦材料与中间质量块去耦连接，且在薄壁圆柱套筒的外壁去耦连接四根吊装杆，薄壁圆柱套筒的中心一圈进行开缝。本发明专利技术兼具低频甚低频、小尺寸、轻重量、宽带、大功率、高效率等关键性能，使用更方便，成本更低，为海洋声学层析潜标与系统集成提供技术依据，实现在较大范围内对中尺度过程实施监测提供技术手段，服务于远程水声探测与通信、国家海洋资源开发和国家海洋安全维护。

【技术实现步骤摘要】
一种深水用低频开缝液壁耦合换能器
本专利技术涉及声学换能器的领域，具体涉及一种深水用低频开缝液壁耦合换能器。
技术介绍
地球被海洋覆盖的区域大多数属于4000米水深以上的深海，由于唯有声波可以在海水中实现远程传播，因而要对海洋进行实时、动态、大范围监测需要借助海洋声学层析技术。海洋声学层析是利用海洋声场所携带的海洋内部信息对广阔海域内部拍下“快照”，需要使用若干个水声发射换能器及接收换能器。由于海洋中声波传播的吸收损失随频率的降低而降低，且要实现对海洋的实时、动态、大范围监测，需要发射换能器低频宽带工作。考虑到换能器的适装性和效率要求，换能器的体积和重量要尽可能小、发送电压响应、每瓦源级尽可能高，易阻抗匹配，从而降低整套系统的功耗和尺寸重量。海洋声学层析、远程水声通信等
需要耐高静水压、低频甚低频、小尺寸、轻重量、宽带、大功率、高效率的发射换能器，但是发射换能器的各项性能指标在理论上很难兼顾。例如，提高换能器的体积位移才能使其大功率发射，而提高换能器的体积位移需要增加换能器的辐射面积，这就意味着需要增加换能器的尺寸和有源材料的体积，因此，目前海洋声学层析、远程水声通信等
应用的低频大功率换能器尺寸大，重量大。另外，深海应用的换能器必须使用电池供电，但经常更换废旧电池所需人力、物力资源大，因此需要发射换能器的电声转换效率高。Janus-Helmholtz换能器是法国学者Y.LeGall提出的一种换能器，由Janus换能器与Helmholtz谐振腔组合形成的换能器，Janus换能器是一种前后双面辐射的纵振动换能器，Janus源于希腊神话，描述前后两个面孔或四方四个面孔。Helmholtz谐振腔是由德国物理学家亥姆霍兹发现的一种腔体共振效应。Janus-HammerBell换能器是法国IXSEA公司的FredericMosca专利技术的一种换能器。HammerBell表示人名。目前解决上述矛盾的主流方法是设计出基于Helmholtz液腔谐振机理的间接激励振动型换能器：一是采用纵振激励Helmholtz液腔谐振工作的换能器，例如专利CN104282299A及专利CN104810013A专利技术的换能器，结构均是在一个复合棒换能器上套一个圆柱形外壳，复合棒换能器与外壳之间刚性并封闭连接，专利CN104282299A专利技术的换能器腔体内还放置了顺性管，而专利CN104810013A专利技术的换能器复合棒后质量块上的通孔还安装了亥姆霍兹管。此类换能器耐高静水压，具有可观的功率重量比，可辐射较高声功率。由于此类换能器工作在Helmholtz液腔谐振的状态下，因此无法规避Helmholtz液腔谐振带宽窄的特性，因此这种换能器Q值较高，工作频带窄；另外，Helmholtz液腔的尺寸越大，谐振频率越低，因此要想此类换能器的工作频率更低，换能器设计的就更笨重，使用起来就更不方便。二是JH型换能器，例如专利CN102169685A及专利CN110010113A专利技术的换能器，结构均是在一个Janus换能器的两端套上圆柱形腔体与Janus换能器围成Helmholtz谐振腔，腔体内部流体与外界联通，Janus换能器与腔体刚性连接，其中，专利CN110010113A专利技术的换能器还在Janus换能器的辐射盖板前端设置了弯曲金属圆盘。此类换能器采用纵振激励Helmholtz液腔谐振工作，利用Helmholtz液腔谐振与Janus换能器辐射盖板振动模态耦合形成宽带发射，具有较高功率容量，轴向方向可辐射较高声功率。专利CN110010113A专利技术的换能器通过在Janus换能器的辐射盖板前端设置弯曲金属圆盘，可使换能器声能更集中于径向方向。由于此类换能器工作在Helmholtz液腔谐振与Janus换能器辐射盖板振动模态耦合的状态下，虽然拓宽了带宽，但是应用于海洋声层析和远程水声通信
还是具有局限性。首先，将此类换能器设计在工作频率更低的情况下，Helmholtz液腔的尺寸更大，其尺寸重量也更大；另外，JH型换能器中的Helmholtz液腔谐振与Janus换能器辐射盖板谐振产生的声场存在180°固有相位差，于是换能器电声转换效率不够高。三是专利US2013/0315037专利技术的JHB换能器，该换能器结构上与JH型换能器有相似之处，JHB换能器是在一个Janus换能器的两端套上两个厚圆环外壳，且外壳与Janus换能器间距较远，该换能器并没有像JH型换能器形成Helmholtz液腔，规避了低频Helmholtz液腔尺寸大的问题，在结构上相对紧凑。由于结构上的不同，因此JHB换能器与JH型换能器的工作原理也有所区别，JHB换能器是利用两个圆环的径向振动与Janus换能器纵向振动模态耦合工作，圆环的径向振动是通过海水激发的，由于圆环与海水接触面积大，因此换能器的声转换效率高。该换能器是在一个Janus换能器的两端套上两个厚圆环外壳，虽然规避了低频Helmholtz液腔尺寸大的问题，尺寸相对紧凑，但是两个厚圆环外壳依旧重量大；另外，要将圆环的径向振动谐振频率设置在500Hz以下，圆环的尺寸重量也需要设计的更大，这样一来，中心频率低于500Hz的JHB换能器使用起来也不方便。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种深水用低频开缝液壁耦合换能器。本专利技术的目的是通过如下技术方案来完成的：这种深水用低频开缝液壁耦合换能器，主要包括端盖A、连接杆、辐射盖板、预应力螺杆、中间质量块、薄壁圆柱套筒、吊装杆、去耦材料、压电陶瓷振子、端盖B，辐射盖板位于换能器的上下两端，辐射盖板通过端盖A、压电陶瓷振子、端盖B与中间质量块依次粘接，并且中间穿有预应力螺杆进行固定，薄壁圆柱套筒为换能器外壳，薄壁圆柱套筒通过连接杆及去耦材料与中间质量块去耦连接，且在薄壁圆柱套筒的外壁去耦连接四根吊装杆，薄壁圆柱套筒的中心一圈进行开缝，形成四个开缝条。所述两个辐射盖板、两个压电陶瓷振子、两个端盖A、两个端盖B依次与中间质量块粘接形成Janus换能器。所述预应力螺杆与辐射盖板拧紧后采用聚氨脂灌注和橡胶硫化相结合的密封方式进行密封。所述压电陶瓷振子中穿入预应力螺杆施加预应力后成为一种大功率激励源。所述薄壁圆柱套筒与换能器围成的腔体开口呈轴向方向。所述压电陶瓷振子均由偶数片压电陶瓷圆环并联粘接形成，压电陶瓷振子上下两面与端盖A、端盖B粘接。所述换能器的两个辐射盖板先使用聚氨酯灌注密封，再使用透声橡胶硫化密封。所述中间质量块处开四个对称的螺纹孔固定四根连接杆。所述辐射盖板采用耐海水腐蚀的海水铝材料制造，预应力螺杆采用45号钢材料制造，薄壁圆柱套筒、端盖A、端盖B、连接杆、吊装杆及中间质量块均为316L不锈钢材料。本专利技术的有益效果为：本专利技术兼具低频甚低频、小尺寸、轻重量、宽带、大功率、高效率等关键性能，使用更方便，成本更低，为海洋声学层析潜标与系统集成提供技术依据，实现在较大范围内对中尺度过程实施监测提供技术手段，服务于远程水声探测与通信、国家海洋资源开发和国家海洋安全维护。...

【技术保护点】
1.一种深水用低频开缝液壁耦合换能器，其特征在于：主要包括端盖A(1)、连接杆(2)、辐射盖板(3)、预应力螺杆(4)、中间质量块(5)、薄壁圆柱套筒(6)、吊装杆(7)、去耦材料(8)、压电陶瓷振子(9)和端盖B(10)，辐射盖板(3)位于换能器的上下两端，辐射盖板(3)通过端盖A(1)、压电陶瓷振子(9)、端盖B(10)与中间质量块(5)依次粘接，并且中间穿有预应力螺杆(4)进行固定，薄壁圆柱套筒(6)为换能器外壳，薄壁圆柱套筒(6)通过连接杆(2)及去耦材料(8)与中间质量块(5)去耦连接，且在薄壁圆柱套筒(6)的外壁去耦连接四根吊装杆(7)，薄壁圆柱套筒(6)的中心一圈进行开缝，形成四个开缝条(11)。/n

【技术特征摘要】
1.一种深水用低频开缝液壁耦合换能器，其特征在于：主要包括端盖A(1)、连接杆(2)、辐射盖板(3)、预应力螺杆(4)、中间质量块(5)、薄壁圆柱套筒(6)、吊装杆(7)、去耦材料(8)、压电陶瓷振子(9)和端盖B(10)，辐射盖板(3)位于换能器的上下两端，辐射盖板(3)通过端盖A(1)、压电陶瓷振子(9)、端盖B(10)与中间质量块(5)依次粘接，并且中间穿有预应力螺杆(4)进行固定，薄壁圆柱套筒(6)为换能器外壳，薄壁圆柱套筒(6)通过连接杆(2)及去耦材料(8)与中间质量块(5)去耦连接，且在薄壁圆柱套筒(6)的外壁去耦连接四根吊装杆(7)，薄壁圆柱套筒(6)的中心一圈进行开缝，形成四个开缝条(11)。


2.根据权利要求1所述的深水用低频开缝液壁耦合换能器，其特征在于：所述两个辐射盖板(3)、两个压电陶瓷振子(9)、两个端盖A(1)、两个端盖B(10)依次与中间质量块(5)粘接形成Janus换能器。


3.根据权利要求1所述的深水用低频开缝液壁耦合换能器，其特征在于：所述预应力螺杆(4)与辐射盖板(3)拧紧后采用聚氨脂灌注和橡胶硫化相结合的密封方式进行密封。


4.根据权利要求1所述的深水用低频...

【专利技术属性】
技术研发人员：张怡珺，应晓伟，郝浩琦，马振，孙昕煜，陈琦，林航，苏妍，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33