【技术实现步骤摘要】
本申请涉及水声换能器，特别是涉及一种低频水下流体发声装置。
技术介绍
1、低频水下流体发声装置或低频水声换能器，主要用于在水下产生低频声波，是将其它能量转换为声能量的发声装置。水下目标辐射噪声集中于低频频段，同时低频声波具有传播作用距离远的独特优势，使得低频换能器在海洋研究、国防建设上具有十分重要的应用前景，具体应用领域包括水声探测、对抗、目标模拟、远程通信以及水下强声拒止等方面，如将低频声波作为水下作业设备信息交换的载体，作为水下目标“声纹”重要特征的模拟。换能器技术水平的优劣将直接决定实际应用效果。
2、现有技术中，低频水声换能器主要包括：压电式、电动式和流体动力式等基本类型。
3、压电式换能器一般通过压电材料激励结构振动发声，换能器大多工作于共振模态下，因而发声频带相对较窄，无法满足低频/甚低频段宽频段辐射的要求，同时换能器辐射面较大，换能器体积重量和成本较高，关键的振动幅值受结构材料和强度的限制，难以实现低频大功率辐射。
4、电动式换能器多采用动圈激励为主，依靠电流与磁场之间的安培力作为激励源，推动活塞振动发声，声源面的往复振动是声能量来源，一般工作于可听声频段，工作频带较宽，但在低频/甚低频段同样存在由于辐射面积和结构振动幅度较小而难以实现低频大功率辐射的目的。
5、流体动力式换能器通过瞬态流动过程完成流体动能向声波能量的转化。相对于压电式或电动式，该类换能器的优点是产生振动的振幅不受声辐射结构的约束或限制，因而适用于需要大振幅辐射的场景，典型装置如发声频率较高的簧片哨、
6、综上所述，现有技术中的低频水声换能器无法同时实现宽频段和大功率辐射，且在低频段难以保持高效能量，声源强度不高。
技术实现思路
1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种低频水下流体发声装置，能够在水下产生低频/甚低频段声波，同时实现宽频段和大功率辐射，且声源强度高、体积小。
2、一种低频水下流体发声装置，包括依次相连的：动力组件、旋转组件以及换能组件；所述换能组件包括：中心轴以及串联在所述中心轴上的多级叶片式换能器；
3、所述动力组件将燃料化学能转换为流体动能，以驱动所述旋转组件；
4、所述旋转组件在所述动力组件的冲击下旋转，并带动所述换能组件的中心轴旋转，以将流体动能转换为机械动能；
5、所述换能组件的叶片式换能器与所述中心轴联动，使叶片式换能器的叶片结构发生转动和摆动，产生流量随时间周期性变化的水流，形成低频声辐射，以将机械动能转换为声能，实现低频水下流体发声。
6、在一个实施例中，所述换能组件还包括：涵道；
7、所述涵道为圆柱环形结构，间隔套设在所有叶片式换能器的外侧并与所述中心轴转动相连；
8、所述中心轴的一端设在所述涵道的一端，另一端穿过所述涵道的另一端后与所述旋转组件相连。
9、在一个实施例中，所述换能组件还包括：同步控制器、功率放大器以及振动位移传感器；
10、所述同步控制器采用同步控制算法，运算得到激励信号，并输入至功率放大器；
11、所述功率放大器根据所述激励信号输出控制信号，以激励所述叶片式换能器产生振动；
12、所述振动位移传感器与所述叶片式换能器相连，以获取所述叶片式换能器的振动信息，产生振动信号，并发送给所述同步控制器，以修正激励信号；
13、所述同步控制器、所述功率放大器以及所述振动位移传感器联合工作，以实现同步驱动和一致性激励。
14、在一个实施例中，所述同步控制算法包括：外环控制和内环控制；
15、外环控制包括：对振动位移传感器的信号进行幅值识别和合成后与振动参考信号进行比较，以进行外环幅值修正，使装置的响应幅值与设定振动幅值相等；
16、内环控制包括：对同步控制器的信号进行幅值识别后与外环幅值修正得到的信号进行比较，以进行内环幅值修正；对同步控制器信号间的相位差进行识别和补偿；综合内环幅值修正后的信号、补偿后的相位以及正弦信号源，生成各驱动信号，使振动同步。
17、在一个实施例中，所述叶片式换能器包括：叶片结构以及驱动结构；
18、所述叶片结构设在所述中心轴上，以在中心轴旋转的同时转动；
19、所述驱动结构与所述叶片结构相连，以在被激励时驱动叶片结构产生周期性摆动。
20、在一个实施例中，所述叶片式换能器还包括：设在所述中心轴上的装配轴承；
21、所述叶片结构以及所述驱动结构均通过所述装配轴承与所述中心轴相连。
22、在一个实施例中，第一级叶片式换能器与最后一级叶片式换能器之间的间距小于低频水下流体发声装置的工作频率对应的波长。
23、在一个实施例中，所述旋转组件包括：涡轮；
24、所述涡轮设在所述中心轴上，以在所述动力组件的冲击作用下旋转，并带动中心轴旋转。
25、在一个实施例中，所述旋转组件还包括：与所述涡轮相连的发电器；
26、所述发电器设在所述中心轴上，以在中心轴旋转的同时发电。
27、在一个实施例中，所述动力组件包括：燃料箱以及与所述燃料箱相连的喷管；
28、所述燃料箱中的水下燃料与水发生化学反应，产生高压流体介质，通过所述喷管喷出，形成高速射流。
29、上述低频水下流体发声装置，以叶片式换能器为基本发声单元，通过将低频/甚低频段叶片式换能器多级串联、中心共轴旋转和同步驱动，解决单个叶片式换能器因叶片结构自身强度不足和叶片摆动驱动位移受限所导致发声强度和声功率无法提升的问题，实现各级叶片组件摆动的一致性（同步性），以叠加声强，并实现宽频带、大功率、高声强低频声辐射；通过在多级叶片式换能器外围增加涵道并引入燃料反应等高能量密度能源供给，避免内外流体介质的相互影响，进一步提高低频辐射效率；采用水下化学反应代替电能，增加能源密度，提高装置的紧凑性；对各级叶片换能器施加同步控制，采用同步控制器获取各级叶片式换能器内部叶片摆动驱动位移并向功率放大器输出修正信号，采用同步控制算法完成位移量的反馈控制，控制多级驱动达到良好一致性，避免了由各级结构与激励差异引起的辐射信号作用；设计了动力组件、旋转组件以及换能组件，三者彼此配合，叶片的转动和摆动改变了叶片攻角，从而调整叶片运动产生的流量，并在动力组件的驱动下，提高了发声效率，也就是说，本申请通过调控流量随时间的变化发声，装置本身不包含结构振动，发声原理并非来自结构振动，而是流体流动变化时产生压力和密度的波动且波动以声波形式传播，从原理上克服了传统低频换能器在低频、大功率条件下体积、振动幅度受限的缺点；通过上述技术特征的协同配合，最终可在水下低频/甚低频段高效产生大功率低频声波辐射，实现宽频带、高声强、大功本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种低频水下流体发声装置，其特征在于，包括依次相连的：动力组件、旋转组件以及换能组件；所述换能组件包括：中心轴以及串联在所述中心轴上的多级叶片式换能器；
2.根据权利要求1所述的一种低频水下流体发声装置，其特征在于，所述换能组件还包括：涵道；
3.根据权利要求2所述的一种低频水下流体发声装置，其特征在于，所述换能组件还包括：同步控制器、功率放大器以及振动位移传感器；
4.根据权利要求3所述的一种低频水下流体发声装置，其特征在于，所述同步控制算法包括：外环控制和内环控制；
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种低频水下流体发声装置，其特征在于，所述叶片式换能器包括：叶片结构以及驱动结构；
6.根据权利要求5所述的一种低频水下流体发声装置，其特征在于，所述叶片式换能器还包括：设在所述中心轴上的装配轴承；
7.根据权利要求1至4任一项所述的一种低频水下流体发声装置，其特征在于，第一级叶片式换能器与最后一级叶片式换能器之间的间距小于低频水下流体发声装置的工作频率对应的波长。
8.根据权利要求1至4任一
9.根据权利要求8所述的一种低频水下流体发声装置，其特征在于，所述旋转组件还包括：与所述涡轮相连的发电器；
10.根据权利要求1至4任一项所述的一种低频水下流体发声装置，其特征在于，所述动力组件包括：燃料箱以及与所述燃料箱相连的喷管；
...【技术特征摘要】
1.一种低频水下流体发声装置，其特征在于，包括依次相连的：动力组件、旋转组件以及换能组件；所述换能组件包括：中心轴以及串联在所述中心轴上的多级叶片式换能器；
2.根据权利要求1所述的一种低频水下流体发声装置，其特征在于，所述换能组件还包括：涵道；
3.根据权利要求2所述的一种低频水下流体发声装置，其特征在于，所述换能组件还包括：同步控制器、功率放大器以及振动位移传感器；
4.根据权利要求3所述的一种低频水下流体发声装置，其特征在于，所述同步控制算法包括：外环控制和内环控制；
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种低频水下流体发声装置，其特征在于，所述叶片式换能器包括：叶片结构以及驱动结构；
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘硕，赵云，高东宝，田章福，周鹤峰，周泽民，王勇献，朱敏，徐攀，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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