專利名稱：采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于聲學(xué)傳感器領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本實(shí)用新型涉及一種由兩級(jí)彎曲梁組成的復(fù)合梁超低頻水聲換能器。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代聲納技術(shù)的發(fā)展和聲納技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，聲納的低端工作頻率已經(jīng)延伸到幾百赫茲，在某些新的領(lǐng)域中甚至采用幾十赫茲的工作頻率。所以，進(jìn)行超低頻水聲換能器的研制已凸顯必要性。
實(shí)現(xiàn)水聲換能器的超低頻輻射有多種方法。日本曾經(jīng)研制出用于海洋層析探測(cè)的稀土低頻大功率圓環(huán)換能器，諧振頻率是30Hz，其外形結(jié)構(gòu)的最大尺寸是2m，空氣中重量為5噸。
另外一種諧振頻率為200Hz的multiport換能器，長(zhǎng)度尺寸為2.46m，最大直徑為0.73m。
動(dòng)圈式換能器(Moving-Coil Transducers)也是實(shí)現(xiàn)低頻輻射比較好的聲源，其結(jié)構(gòu)主要由磁路和連接振動(dòng)線圈的剛性活塞兩部分組成，通常采用壓縮氣體作為壓力釋放機(jī)構(gòu)解決耐靜水壓?jiǎn)栴}。它是低頻、寬帶、低功率的換能器類型，其低功率的原因在于磁感應(yīng)系數(shù)和電線長(zhǎng)度與負(fù)載電流的乘積之間的相互限制。動(dòng)圈式換能器的另一個(gè)缺點(diǎn)是，其性能受到工作深度的影響較大。
早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)人圖利斯(Toulis)提出了彎曲伸張式換能器(簡(jiǎn)稱彎張換能器)的概念，如文獻(xiàn)1History of the flextensional electroacoustictransducer，Kenneth D.Rolt，J.A.S.A，87(3)，19901340p-1349p。彎張換能器的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，現(xiàn)在研制成功的實(shí)例已不下百余種，歸納起來(lái)，公認(rèn)的彎張換能器有7種類型。彎張換能器是獲得低頻大功率和寬帶聲信號(hào)的小巧的聲源，從工作原理上講，彎張換能器是有源元件和機(jī)械結(jié)構(gòu)的耦合振動(dòng)系統(tǒng)，它一般是利用有源元件的伸張振動(dòng)(在長(zhǎng)度方向或徑向)，通過(guò)絞鏈機(jī)構(gòu)使機(jī)械機(jī)構(gòu)(殼體)做彎曲振動(dòng)。它借助杠桿原理，可使有源元件沿伸張方向的小的位移在殼體外表面得到不同程度的放大，從而達(dá)到提高體積速度的目的。彎張換能器的殼體通常是曲面的反轉(zhuǎn)體、曲線的回旋體或封閉曲線的平移體。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種采用兩級(jí)復(fù)合彎曲梁構(gòu)成換能器殼體，使有限尺寸的結(jié)構(gòu)具有更低的諧振頻率的，采用了兩級(jí)振幅放大的設(shè)計(jì)原理，使驅(qū)動(dòng)元件的激勵(lì)位移通過(guò)兩級(jí)彎曲梁的兩次振幅放大，轉(zhuǎn)換成輻射面更大的體積位移，具有更大的輻射能力的超低頻水聲換能器。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，本實(shí)用新型提供的采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器，包括彎張殼體、驅(qū)動(dòng)元件、質(zhì)量軛和過(guò)渡塊；其特征在于，所述質(zhì)量軛為T形質(zhì)量軛；所述彎張殼體為復(fù)合梁彎張殼體，該殼體由一級(jí)彎曲梁4、二級(jí)彎曲梁11、第一突起1和第二突起12，和在所述一級(jí)彎曲梁4的內(nèi)壁上設(shè)置第一突起1和第二突起12，T形質(zhì)量軛9設(shè)置在2個(gè)突起之間，并與一級(jí)彎曲梁4連接組成，近似于“弓”形截面的平移體，由兩段彎曲梁(分為一級(jí)彎曲梁和二級(jí)彎曲梁)組成“弓”形閉合曲面，且結(jié)構(gòu)上下兩部分對(duì)稱，平移體的兩端面均不封閉；所述驅(qū)動(dòng)元件、第一過(guò)渡塊2和第二過(guò)渡塊10組成換能器的內(nèi)腔裝配單元，該裝配單元長(zhǎng)度方向的尺寸要大于突起與T形質(zhì)量軛9之間的距離；在每一裝配單元的驅(qū)動(dòng)元件(稀土超磁致伸縮材料8或壓電陶瓷堆7)兩外面分別設(shè)置第一過(guò)渡塊2和第二過(guò)渡塊10，至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)元件及其左右兩側(cè)的過(guò)渡塊安裝在一級(jí)彎曲梁和T形質(zhì)量軛之間。
上述技術(shù)方案中，所述驅(qū)動(dòng)元件包括2個(gè)以上，對(duì)稱排列安裝在一級(jí)彎曲梁和T形質(zhì)量軛之間；所述驅(qū)動(dòng)元件采用多片壓電陶瓷片黏結(jié)而成的壓電陶瓷堆，陶瓷片在電路形式上采用并聯(lián)連接。所述驅(qū)動(dòng)元件包括一中心帶有通孔的線圈軸，線圈軸上纏繞有線圈5，線圈軸內(nèi)插入一根稀土超磁致伸縮圓棒6并在其兩端面各放置一圓片狀的稀土永磁8。
上述技術(shù)方案中，所述一級(jí)彎曲梁4和二級(jí)彎曲梁11可以采用相同或不同的壁厚以調(diào)整諧振頻率。
上述技術(shù)方案中，所述質(zhì)量軛的厚度要大于復(fù)合梁彎張殼體的厚度。
上述技術(shù)方案中，所述第一過(guò)渡塊呈凹圓弧的方塊狀，第二過(guò)渡塊呈長(zhǎng)方塊狀。
上述技術(shù)方案中，所述第一突起1與第一過(guò)渡塊2相接觸的面呈凸圓弧狀，第一過(guò)渡塊2的表面呈凹圓弧狀。
上述技術(shù)方案中，所述一級(jí)彎曲梁4、二級(jí)彎曲梁11、質(zhì)量軛和過(guò)渡塊采用不銹鋼、鋼、鈦合金、鋁或玻璃纖維制作。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于本實(shí)用新型的采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器，是利用彎曲諧振頻率比較低的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種全新的換能器結(jié)構(gòu)形式。該種新結(jié)構(gòu)中采用了兩級(jí)復(fù)合彎曲梁構(gòu)成換能器殼體，使有限尺寸的結(jié)構(gòu)具有更低的諧振頻率；結(jié)構(gòu)中還采用了兩級(jí)振幅放大的設(shè)計(jì)原理，使驅(qū)動(dòng)元件的激勵(lì)位移通過(guò)兩級(jí)彎曲梁的兩次振幅放大，轉(zhuǎn)換成輻射面更大的體積位移，提高了換能器的輻射能力。所以，本實(shí)用新型換能器的結(jié)構(gòu)形式更有利于實(shí)現(xiàn)超低頻、大功率輻射。
圖1是本實(shí)用新型用稀土超磁致伸縮材料做驅(qū)動(dòng)元件的超低頻水聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖圖2是本實(shí)用新型用壓電陶瓷堆做驅(qū)動(dòng)元件的超低頻水聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖圖面說(shuō)明1-第一突起 2-第一過(guò)渡塊 4-一級(jí)彎曲梁5-線圈 6-稀土圓棒7-壓電陶瓷堆8-稀土永磁 9-質(zhì)量軛 10-第二過(guò)渡塊11-二級(jí)彎曲梁 12-第二突起具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。
實(shí)施例1參考圖1，制作一本實(shí)用新型的采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器，該水聲換能器的外殼由一級(jí)彎曲梁4、二級(jí)彎曲梁11、T形質(zhì)量軛9和第一突起1組成，均采用不銹鋼材料加工制作。一級(jí)彎曲梁4和二級(jí)彎曲梁11組成復(fù)合彎曲梁，其截面形狀近似于“弓”形，復(fù)合梁彎張殼體是“弓”形截面的平移體，平移體的兩端面均不封閉。本實(shí)施例的T形質(zhì)量軛的厚度為40mm，在本實(shí)施例中一級(jí)彎曲梁4和二級(jí)彎曲梁11采用相同的壁厚，其壁厚為15mm。
第一突起1與一級(jí)彎曲梁4連接，該第一突起1的表面是凸圓弧形狀，這樣的表面處理可以使其在裝配過(guò)程及換能器工作時(shí)，與凹圓弧第一過(guò)渡塊2的表面有較好的機(jī)械耦合并可以自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)元件的水平平衡，改善驅(qū)動(dòng)元件的受力狀況。一級(jí)彎曲梁4與第一突起1連接之處，作為復(fù)合梁彎張殼體彎曲振動(dòng)的激勵(lì)點(diǎn)，激勵(lì)力由驅(qū)動(dòng)元件提供。
本實(shí)施例的質(zhì)量軛9為T形質(zhì)量軛，它與一級(jí)彎曲梁4連接，它的作用是作為驅(qū)動(dòng)元件的尾質(zhì)量，為了保證復(fù)合梁彎張殼體的激勵(lì)點(diǎn)處具有較大的激勵(lì)力，T形質(zhì)量軛9要具有足夠的剛度，不易產(chǎn)生彎曲變形，其厚度要大于殼體壁厚。
驅(qū)動(dòng)元件、凹圓弧第一過(guò)渡塊2和第二過(guò)渡塊10組成換能器的內(nèi)腔裝配單元。
裝配單元長(zhǎng)度方向的尺寸要大于第一突起1與T形質(zhì)量軛9之間的距離，本實(shí)施例的內(nèi)腔裝配單元長(zhǎng)度方向的尺寸比第一突起1與T形質(zhì)量軛9之間的距離大0.5mm。本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)元件由一中心帶有通孔的線圈軸，線圈軸上纏繞有線圈5，線圈軸內(nèi)插入一根超磁致伸縮稀土圓棒6，例如稀土Terfenol-D圓棒，并在稀土圓棒6兩端面各貼放一圓片狀的稀土永磁8。在換能器裝配時(shí)，通過(guò)擴(kuò)張第一突起1與T形質(zhì)量軛9之間的距離，使之大于裝配單元的長(zhǎng)度尺寸，將裝配單元置于其中并釋放擴(kuò)張力，可以使裝配單元固定于第一突起1與T形質(zhì)量軛9之間，并對(duì)驅(qū)動(dòng)元件施加預(yù)應(yīng)力。本實(shí)施例的換能器共裝配有四組對(duì)稱排列的驅(qū)動(dòng)單元。
換能器工作時(shí)，線圈5通電后產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，稀土圓棒6在交變磁場(chǎng)和稀土永磁8提供的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生磁致伸縮振動(dòng)。由于T形質(zhì)量軛9與一級(jí)彎曲梁4相比具有足夠的剛度，稀土圓棒6產(chǎn)生的振動(dòng)位移通過(guò)稀土永磁8、凹圓弧第一過(guò)渡塊2和第一突起1激勵(lì)一級(jí)彎曲梁4和二級(jí)彎曲梁11作彎曲振動(dòng)。由于梁的彎曲振動(dòng)具有振幅放大效應(yīng)，一級(jí)彎曲梁4激勵(lì)點(diǎn)處的振動(dòng)位移首先在上頂點(diǎn)(兩段彎曲梁相交處)得到放大，同時(shí)由于二級(jí)彎曲梁11的放大作用，其中心腹點(diǎn)處的位移得到了兩級(jí)放大。所以本實(shí)用新型換能器的兩級(jí)彎曲梁可以使稀土圓棒6所產(chǎn)生的較小的振動(dòng)位移，經(jīng)過(guò)兩次振幅的放大，轉(zhuǎn)換成輻射面更大的體積位移，提高了換能器的輻射能力。因此，此種結(jié)構(gòu)的換能器的特點(diǎn)是，在有限的尺寸下具有更低的諧振頻率、更大的輻射能力。
本實(shí)施例中的一級(jí)彎曲梁4、二級(jí)彎曲梁11、凹圓弧第一過(guò)渡塊2、第二過(guò)渡塊10除了采用不銹鋼制作外，還可以使用鋼、鈦合金、鋁或玻璃纖維制作。
實(shí)施例2如圖2所示，本實(shí)施例采用壓電陶瓷堆7作為驅(qū)動(dòng)元件，該壓電陶瓷堆7采用長(zhǎng)方形壓電陶瓷片黏接而成，陶瓷片在電路形式上采用并聯(lián)連接。壓電陶瓷堆7的預(yù)應(yīng)力施加方式與實(shí)施例1相同。
本實(shí)施例的其它部分與實(shí)施例1完全相同。
權(quán)利要求1.一種采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器，包括彎張殼體、驅(qū)動(dòng)元件、質(zhì)量軛和過(guò)渡塊；其特征在于，所述質(zhì)量軛為T形質(zhì)量軛；所述彎張殼體為復(fù)合梁彎張殼體，該殼體由一級(jí)彎曲梁(4)、二級(jí)彎曲梁(11)、第一突起(1)和第二突起(12)，其中所述一級(jí)彎曲梁(4)的內(nèi)壁上設(shè)置第一突起(1)和第二突起(12)，T形質(zhì)量軛(9)設(shè)置在2個(gè)突起之間，并與一級(jí)彎曲梁(4)連接組成，并且一級(jí)彎曲梁和二級(jí)彎曲梁組成“弓”形閉合曲面，呈“弓”形截面平移體，且結(jié)構(gòu)上下兩部分對(duì)稱，平移體的兩端面均不封閉；所述過(guò)渡塊包括第一過(guò)渡塊(2)和第二過(guò)渡塊(10)；所述驅(qū)動(dòng)元件、第一過(guò)渡塊(2)和第二過(guò)渡塊(10)組成換能器的內(nèi)腔裝配單元，該裝配單元長(zhǎng)度方向的尺寸要大于突起與T形質(zhì)量軛(9)之間的距離；在每一裝配單元的驅(qū)動(dòng)元件兩外面分別設(shè)置第一過(guò)渡塊(2)和第二過(guò)渡塊(10)，至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)元件及其左右兩側(cè)的過(guò)渡塊安裝在一級(jí)彎曲梁和T形質(zhì)量軛之間。
2.按權(quán)利要求1所述采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)元件包括2個(gè)以上，對(duì)稱排列安裝在一級(jí)彎曲梁和T形質(zhì)量軛之間。
3.按權(quán)利要求1或2所述采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)元件為一中心帶有通孔的線圈軸，線圈軸上纏繞有線圈(5)，線圈軸內(nèi)插入一根稀土圓棒(6)并在其兩端面各放置一圓片狀的稀土永磁(8)。
4.按權(quán)利要求1或2所述采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)元件為采用多片壓電陶瓷片黏結(jié)而成的壓電陶瓷堆，陶瓷片在電路形式上采用并聯(lián)連接。
5.按權(quán)利要求1所述采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器，其特征在于，所述一級(jí)彎曲梁(4)和二級(jí)彎曲梁(11)的壁厚相同或不同。
6.按權(quán)利要求1所述采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器，其特征在于，所述第一過(guò)渡塊呈凹圓弧的方塊狀，第二過(guò)渡塊呈長(zhǎng)方塊狀。
7.按權(quán)利要求1所述采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器，其特征在于，所述第一突起(1)與第一過(guò)渡塊(2)相接觸的面呈凸圓弧狀，其第一過(guò)渡塊(2)與第一突起(1)相接觸的表面呈凹圓弧狀。
8.按權(quán)利要求1所述采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器，其特征在于，所述T形質(zhì)量軛的厚度大于復(fù)合梁彎張殼體的厚度。
9.按權(quán)利要求1所述采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器，其特征在于，所述一級(jí)彎曲梁(4)、二級(jí)彎曲梁(11)、質(zhì)量軛和過(guò)渡塊采用不銹鋼、鋼、鈦合金、鋁或玻璃纖維制作。
專利摘要本實(shí)用新型涉及采用彎曲梁結(jié)構(gòu)的殼體制作的超低頻水聲換能器，它包括由一級(jí)彎曲梁、二級(jí)彎曲梁、第一突起和第二突起，和在一級(jí)彎曲梁的內(nèi)壁上設(shè)置第一突起和第二突起，T形質(zhì)量軛設(shè)置在2個(gè)突起之間，并與一級(jí)彎曲梁連接組成復(fù)合梁彎張殼體，由一級(jí)彎曲梁和二級(jí)彎曲梁組成“弓”形閉合曲面，且結(jié)構(gòu)上下兩部分對(duì)稱，平移體的兩端面均不封閉；所述驅(qū)動(dòng)元件、第一過(guò)渡塊和第二過(guò)渡塊組成換能器的內(nèi)腔裝配單元，裝配單元長(zhǎng)度方向的尺寸要大于突起與T形質(zhì)量軛之間的距離；在驅(qū)動(dòng)元件兩外面分別設(shè)置第一過(guò)渡塊和第二過(guò)渡塊，驅(qū)動(dòng)元件及其左右兩側(cè)的過(guò)渡塊安裝在一級(jí)彎曲梁和T形質(zhì)量軛之間。該換能器的結(jié)構(gòu)形式更有利于實(shí)現(xiàn)超低頻、大功率輻射。
文檔編號(hào)G10K9/12GK2906818SQ20062000814
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2006年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
發(fā)明者劉永平, 莫喜平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所