碟型发射换能器制造技术

本发明专利技术提供了一种碟型发射换能器，属于水声换能器技术领域。该换能器包括一个由中心支撑块、多个纵振模式的驱动臂以及环状连接件组成的星形组合驱动器和两个碟形外壳。星形组合驱动器的环状连接件与两个外壳紧密固定连接。利用驱动臂纵振模式产生环状连接件的径向振动，驱动碟形外壳，激励外壳的弯曲振动模态，并以外壳为辐射面向介质中辐射声波。本发明专利技术换能器可以应用于低频主动声呐（ＬＦＡＳ）、远程水声通信、海底声层析成像以及海洋资源勘探开发等领域。

【技术实现步骤摘要】
技本领域本专利技术属于水声换能器
，具体涉及到一种碟型发射换能器。该换能器可以应用于低频主动声呐(LFAS)、远程水声通信、海底声层析成像以及海洋资源勘探开发等领域。
技术介绍
21世纪是海洋的世纪。声波是唯一能够在海洋中远距离传播的信息载体。在军事领域，声学方法是水下目标探测、定位、识别、导航、通信的主要手段；在民用领域，声学方法对于海上石油、天然气资源勘探以及海底地层成像，更是具有举足轻重的地位。随着目标隐身技术的发展，传统的被动声呐正在失去优势地位，低频主动声纳(LFAS)日益成为隐身目标探测与识别的主要手段，而低频大功率发射换能器则是低频主动声纳的关键技术之一。发射换能器在主动声纳设备中负责将电磁振荡能转换成机械振动能，从而推动水介质进行振动，向水中辐射声能。为了提高对隐身潜艇的远程探测能力，必须大幅度降低换能器的工作频率，提高发射声功率。在水声领域的各种应用中，单个发射换能器常常不能满足指向性、发射声功率以及信息处理等多方面的要求，往往必须由换能器阵元组成各种基阵完成各种任务。这些基阵通常以固定在艇上或者拖曳的方式工作，因此受到安装平台的严重限制，为了布阵和安装方便，必须大幅度减小低频大功率发射换能器阵元的体积和重量。因此，低频、大功率、小尺寸、高效率的发射换能器是各种水声应用提出必然要求，是亟待解决的科学技术问题。低频大功率换能器设计的主要困难是一、为了提高发射效率和发射功率，换能器必须工作在共振状态，而经典的纵振模式换能器尺寸通常与波长成正比，因此越低的工作频率，也就意味着越庞大的换能器尺寸，同时意味着巨大的重量和成本，以及制造和布设的难度；二、低频换能器的辐射功率与频率及辐射面积平方成正比，意味着频率降低或面积减小10倍，辐射功率将减小100倍，因此，如果在减小尺寸的同时，保持或增加低频时换能器的辐射功率，需要更大的体积速度，即更大的驱动功率来补偿，而这往往是不可实现的。因此，降低工作频率与减小尺寸是一对矛盾，增大辐射功率与减小尺寸也是一对矛盾。而且，降低频率与增大辐射功率同样是一对矛盾。目前解决以上问题的主要方法有一是结构上采用弯曲振动模式代替传统的涨缩振动模式，降低共振频率，相应的代表是I型、II型、III型、IV型、V型弯张换能器，其中以IV型、V型弯张换能器最为常用，环状换能器也曾经一度使用过，但效率较低；二是应用具有更大顺性和伸缩系数的材料代替传统的压电陶瓷材料，提高效率和振动位移，典型的代表是超磁致伸缩材料、弛豫铁电单晶材料与压电复合材料。参考图1，IV型弯张换能器的壳体12为一凸卵圆、扁平卵圆或椭圆管，也可做成凹形(凹形也称VI I型弯张)。压电陶瓷晶片堆11沿椭圆管的长轴紧密安装于壳体内部，当激励它作伸缩振动时，驱动椭圆管作弯曲振动。短轴方向的位移被放大，通常为长轴方向的二至四倍。椭圆管在两端被密封形成腔体。这类换能器通过螺杆或装配时预先使椭圆管变形，给晶片堆施加预应力(压力)，以满足在最大深度满功率工作时偏置应力的需要。IV型弯张换能器的缺点是辐射面上有节线，部分辐射声能被抵消，单根压电陶瓷堆(或稀土棒)驱动，空间利用率不高，功率容量有限；V型弯张换能器一般被称为蛤壳换能器(如图2所示)，应用一个陶瓷环作为驱动器，也称圆环-壳型弯张换能器，V型弯张换能器由两个对称的球壳22紧夹住一个压电陶瓷驱动圆环21组成，球壳也可做成凹面形的(凹形也称VI型弯张)。很大尺寸的驱动环可以由做成矩形的压电陶瓷条和金属锲形条拼镶而成。驱动环作径向振动时，推动球壳作弯曲振动。V型弯张换能器的缺点是大尺寸的驱动环不易加工，环状驱动器的空间利用率不高，功率容量有限，而且V型弯张换能器利用压电材料的d31参数，不如利用d33参数的发射电压响应高；月牙型(Moonie)弯张换能器(见图3)和钹式(Cymbal)换能器(见图4)是两种小型V型换能器。月牙型弯张换能器具有月牙型外壳32，利用单片压电驱动元件31的径向振动来激励壳体的弯张振动模式。与V型弯张换能器相比，它的体积和重量均很小，压电驱动单元是压电陶瓷片而不是压电陶瓷环，而且粘结的部位略有不同。Cymbal换能器是Moonie的改进型，具有钹式形状的金属壳42，壳的厚度比Moonie弯张换能器的厚度小得多，这样的设计减小了集中在换能器的粘接边缘的应力，大大提高了将压电陶瓷片41的径向振动耦合为金属壳的轴向振动位移的效率。Moonie与Cymbal换能器均由单片压电陶瓷或单晶材料驱动，功率容量较小，一般用作水听器。也有将多个钹式换能器组合起来，提高辐射功率，或者组合起来作驱动器，驱动一块金属板用作发射使用，但功率容量仍很低。环状换能器(Ring transducer)(如图5所示)，由一些长度振子按照“星”形插入圆环内作为驱动器，以外部的圆环作为辐射面。每个长度振子由多片压电陶瓷51和尾质量52组成。有两个主要的谐振频率可以应用，一是圆环自身的谐振频率(圆环的呼吸模态)稍低的谐振频率，二是每个长度振子的谐振频率(类似Tonpilz换能器的纵振动模态)稍高的谐振频率。环状换能器的缺点是工作频率无法做到很低，圆环面辐射效率也很低，而且辐射面与驱动器平面垂直，没有很好地利用空间，体积较大。
技术实现思路
本专利技术克服了纵振模式换能器(包括环状换能器)的低频尺寸大、效率低以及V型弯张换能器的功率容量不够大、空间利用率不高、制作工艺难度较大的缺点，提出一种碟型发射换能器，该碟型发射换能器具有结构紧凑、尺寸小、频率低、功率容量超大、发射效率以及发送电压响应高的特点，且制作工艺较简单。本专利技术的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的一种碟型发射换能器，包括一个星形组合驱动器和两个碟形外壳，星形组合驱动器是由中心支撑块、环形连接件和不少于三个的驱动臂组成，每个驱动臂设有电极引线，驱动臂的一端与中心支撑块连接，驱动臂的另一端与环形连接件连接，两个外壳正扣或反扣分别固定在星形组合驱动器的环形连接件上，形成中凹或中凸的圆碟外形。通过驱动臂的纵向振动推动环形连接件做径向振动，从而激励两个外壳的弯张振动模态，向媒质辐射声波。两个外壳可为平顶锥壳形或球冠形，外壳可用环氧树脂浇粘连接在环形连接件上，并由贯穿两个外壳外缘的多个螺栓相互固定。驱动臂可由多片环形压电片叠压制成，并设有电极片引出电极引线；驱动臂也可由超磁致伸缩棒制成，超磁致伸缩棒周围由导线绕成线圈。环形连接件可由与驱动臂数目相同的过渡块拼接而成，过渡块和驱动臂通过贯穿的螺栓固定在中心支撑块上，用于施加预应力。中心支撑块可以是等边多边形、圆形或环形。过渡块的水平剖面可为喇叭形。外壳固定在星形组合驱动器的环形连接件上，使星形组合驱动器内形成一封闭的空间，在该空间内可填充油性液体、顺性或阻尼材料，在两个外壳上可设有小孔或毛细管，用于提供压力平衡，或扩展带宽。在环形连接件的外侧，位于两个外壳之间可设有密封圈。本专利技术的技术效果本专利技术的关键是由星形组合驱动器产生的纵向振动提供环形连接件的径向振动，利用环形连接件与外壳之间的固定连接，激励外壳的弯曲振动，由外壳向媒质中辐射声波。本专利技术带来的技术效果主要有(1)本专利技术利用的是两个外壳的弯曲振动模态，由外壳向媒质辐射声波，从而在更小尺寸外壳上实现低频辐射，与复合棒换能器或和环状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碟型发射换能器，包括：一个星形组合驱动器和两个碟形外壳，星形组合驱动器是由中心支撑块、环形连接件和不少于三个的驱动臂组成，每个驱动臂设有电极引线，驱动臂的一端与中心支撑块连接，驱动臂的另一端与环形连接件连接，两个外壳分别正扣或反扣固定在星形组合驱动器的环形连接件上，形成中凹或中凸的圆碟外形。

【技术特征摘要】
1.一种碟型发射换能器，包括一个星形组合驱动器和两个碟形外壳，星形组合驱动器是由中心支撑块、环形连接件和不少于三个的驱动臂组成，每个驱动臂设有电极引线，驱动臂的一端与中心支撑块连接，驱动臂的另一端与环形连接件连接，两个外壳分别正扣或反扣固定在星形组合驱动器的环形连接件上，形成中凹或中凸的圆碟外形。2.如权利要求1所述的碟型发射换能器，其特征在于驱动臂由多片环形压电片叠压制成，并设有电极片，从电极片上引出电极引线。3.如权利要求1所述的碟型发射换能器，其特征在于驱动臂由超磁致伸缩棒制成，超磁致伸缩棒周围由导线缠绕成线圈，引出电极引线。4.如权利要求1所述的碟形发射换能器，其特征在于两个外壳为平顶锥壳形或球冠形，外壳用胶分别粘接在环形连接件上，并由贯穿外壳外缘的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李朝晖，黄爱根，栾桂冬，张金铎，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]