本發(fā)明屬于水聲換能器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種敷設(shè)了隔聲層并附加了Helmholtz共振腔的無(wú)指向性寬帶大功率Janus水聲換能器。

背景技術(shù)：

聲波是唯一能在海水中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰枯d體。因此能夠在海水中發(fā)射聲波的水聲換能器在認(rèn)識(shí)海洋、探索海洋的人類活動(dòng)中角色至關(guān)重要。在遠(yuǎn)程水聲通信領(lǐng)域，對(duì)水聲換能器提出了一些具體的技術(shù)要求：為使聲波傳播上千公里的距離，水聲換能器需能工作在數(shù)百赫茲的低頻段以盡可能的減少吸收損失，并且聲源級(jí)一般不低于200dB才可滿足要求；為提高通信速率，通常要求水聲換能器擁有足夠的工作帶寬；針對(duì)遠(yuǎn)距離通信目標(biāo)如無(wú)人自主水下航行器、長(zhǎng)航時(shí)水下滑翔機(jī)等方位不確定的特點(diǎn)，通常要求水聲換能器無(wú)指向性。在基于聲學(xué)手段的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，也需要一種低頻、大功率、無(wú)指向性的水聲換能器發(fā)射聲信號(hào)，以滿足對(duì)大海域的水溫等海洋環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)需求。

然而目前技術(shù)較為成熟的幾類水聲換能器中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上述幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)是非常困難的。例如彎張換能器可以低頻、大功率發(fā)射，但是工作帶寬有限；電動(dòng)式換能器可以低頻、寬帶發(fā)射但是電聲效率低、聲功率不足；Tonpilz換能器聲輻射能力強(qiáng)、易于形成寬帶發(fā)射，但難以實(shí)現(xiàn)低頻工作且指向性明顯。相對(duì)來(lái)說(shuō)，溢流圓環(huán)水聲換能器較為符合上述各項(xiàng)技術(shù)要求，但是大尺寸低頻溢流圓環(huán)水聲換能器成本高、價(jià)格貴，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

Janus換能器是一種典型的大功率水聲換能器，主要結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊、上下對(duì)稱的壓電晶堆和喇叭形輻射蓋板。壓電晶堆采用施加了預(yù)應(yīng)力的壓電陶瓷圓片堆疊而成，激發(fā)整個(gè)結(jié)構(gòu)的縱向振動(dòng)，振動(dòng)節(jié)面位于質(zhì)量塊的中心面處，位移最大處位于輻射蓋板的前輻射面。大尺寸的壓電晶堆加上可觀的輻射面積，足以使Janus換能器產(chǎn)生大功率聲輸出，然而在實(shí)際使用過(guò)程中其真實(shí)的聲輻射能力并未體現(xiàn)出來(lái)，主要原因在于：當(dāng)Janus換能器置于水中工作時(shí)，主要振動(dòng)能量集中在兩個(gè)輻射蓋板上，由于輻射蓋板前后兩個(gè)面均接觸水介質(zhì)，聲輻射模型上每個(gè)輻射蓋板相當(dāng)于一個(gè)聲偶極子，因此整個(gè)換能器相當(dāng)于兩個(gè)間隔一定距離的反向聲偶極子，即縱向四極子。在各類聲輻射模型中，縱向四極子的聲輻射效率遠(yuǎn)低于單極子、同相球源及偶極子，因此在水聲換能器設(shè)計(jì)中應(yīng)著力避免縱向四極子聲輻射模式，以免降低換能器的聲輻射能力。此外，縱向四極子輻射時(shí)呈現(xiàn)出典型的“8”字形指向性，也即有限的聲能量主要超90°方向集中，0°方向(即水平方向)的聲輻射能力更加微弱。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種兼具低頻、寬帶、大功率、無(wú)指向性等特點(diǎn)的無(wú)指向性寬帶大功率Janus水聲換能器。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種無(wú)指向性寬帶大功率Janus水聲換能器，包括：一個(gè)Janus換能器、兩個(gè)圓柱殼腔體、隔聲層及支撐裝置；Janus換能器由兩個(gè)晶堆、一個(gè)中間質(zhì)量塊、兩個(gè)喇叭形輻射蓋板組成，晶堆由偶數(shù)片壓電陶瓷圓片經(jīng)環(huán)氧樹脂粘接而成，壓電陶瓷圓片為厚度方向極化，相鄰的兩片壓電陶瓷圓片極化方向相反，陶瓷圓片間設(shè)置薄電極片，經(jīng)由薄電極片引出晶堆的輸入電線，壓電陶瓷圓片電學(xué)上并聯(lián)連接。

所述的中間質(zhì)量塊位于換能器中間位置，中間質(zhì)量塊周向設(shè)置有對(duì)心的螺紋孔，以便安裝支撐裝置；中間質(zhì)量塊周向設(shè)置有對(duì)心的圓孔，以便安裝水密連接器。

所述的兩個(gè)喇叭形輻射蓋板采用硬鋁合金、鈦合金等輕質(zhì)金屬制成，小外徑端與晶堆一端粘接，大外徑端與圓柱殼腔體圍成Helmholtz共振腔。

所述的中間質(zhì)量塊、壓電晶堆、喇叭形輻射蓋板通過(guò)預(yù)應(yīng)力螺栓夾緊，對(duì)壓電晶堆施加預(yù)應(yīng)力，晶堆徑向尺寸較小時(shí)，預(yù)應(yīng)力螺栓從晶堆中心穿過(guò)，晶堆徑向尺寸較大時(shí)，為保證晶堆上預(yù)應(yīng)力均勻，應(yīng)設(shè)置在晶堆外側(cè)，沿周向均勻分布。

所述的兩個(gè)壓電晶堆均有環(huán)氧樹脂材料或硫化橡膠層包覆，起到水密的作用。

所述的的圓柱殼腔體，采用不銹鋼金屬材料制成，圓柱殼腔體設(shè)置在輻射蓋板的前方，與輻射蓋板的上表面圍成Helmholtz共振腔，圓柱殼腔體內(nèi)側(cè)喇叭形輻射蓋板通過(guò)去耦實(shí)現(xiàn)隔離。

所述的隔聲層是由隔聲材料制成，敷設(shè)在輻射蓋板的下表面；或者是起到阻隔聲波輻射的隔聲結(jié)構(gòu)。

所述的支撐裝置連接圓柱殼腔體和Janus換能器，由支撐桿和支撐梁組成，支撐梁兩端通過(guò)螺栓連接在圓柱殼腔體上，支撐桿一端通過(guò)螺紋孔連接在中間質(zhì)量塊上，另一端連接在支撐梁的中心，支撐桿和支撐梁呈T字形；支撐裝置尺寸和數(shù)量依據(jù)換能器的整體尺寸、重量確定；支撐裝置沿圓柱殼腔體外側(cè)周向均布。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的Janus換能器由于縱向四極子輻射造成的聲輻射效率低的缺點(diǎn)，同時(shí)利用了同相球源聲輻射效率高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的Janus換能器由于縱向四極子輻射造成的0°方向聲源級(jí)低的缺點(diǎn)，同時(shí)利用了同相球源輻射在0°方向聲能量集中、聲源級(jí)高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明克服了Janus換能器無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬帶發(fā)射的缺點(diǎn)，同時(shí)利用了Helmholtz共振腔的液腔振動(dòng)加Janus換能器縱振動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)寬帶發(fā)射的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程水聲通信、低頻水聲實(shí)驗(yàn)、海洋聲層析等技術(shù)領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1(a)是傳統(tǒng)的Janus水聲換能器示意圖；

圖1(b)縱向四極子輻射模型圖；

圖1(c)縱向四極子輻射模型指向性圖；

圖2(a)是本發(fā)明中無(wú)指向性寬帶大功率Janus水聲換能器示意圖；

圖2(b)同相球源輻射模型、圖2(c)同相球源輻射模型指向性圖；

圖3是本發(fā)明中的支撐裝置示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

本發(fā)明涉及到一種敷設(shè)了隔聲層并附加了Helmholtz共振腔結(jié)構(gòu)的Janus水聲換能器，屬于水聲換能器技術(shù)領(lǐng)域。該換能器包括一個(gè)Janus換能器、兩個(gè)圓柱殼腔體及隔聲層；隔聲層的作用是變Janus換能器的縱向四極子輻射模式為同相球源輻射模式，提高換能器的聲輻射效率并改善0°方向的輻射能力；Helmholtz共振腔的作用是增加了一個(gè)低頻液腔諧振模態(tài)，與Janus換能器縱振模態(tài)相耦合形成寬帶發(fā)射特性。該發(fā)明使Janus水聲換能器具有了低頻、寬帶、大功率、無(wú)指向性等特點(diǎn)，可應(yīng)用于低頻主動(dòng)聲納，遠(yuǎn)程水聲通信、低頻水聲實(shí)驗(yàn)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

本發(fā)明提供的Janus水聲換能器，包括一個(gè)中間質(zhì)量塊、兩個(gè)晶堆、兩個(gè)喇叭形輻射蓋板及兩支預(yù)應(yīng)力螺栓，中間質(zhì)量塊、晶堆和喇叭形輻射蓋板按次序粘接在一起，通過(guò)預(yù)應(yīng)力螺栓壓緊連接并對(duì)晶堆施加預(yù)應(yīng)力。

所述的晶堆可以由壓電陶瓷圓片粘接而成，也可以由稀土超磁致伸縮材料粘接而成。

所述的圓柱殼腔體嵌套在輻射蓋板的前方，腔體與輻射蓋板上表面構(gòu)成外液腔，隔聲層敷設(shè)在輻射蓋板的下表面。

所述的隔聲層可以是輕質(zhì)泡沫材料貼附在輻射蓋板的下表面，也可以是貼近輻射蓋板下表面的隔聲結(jié)構(gòu)，起到阻隔該方向聲輻射的作用。隔聲材料或隔聲結(jié)構(gòu)的設(shè)置以不明顯影響輻射蓋板的振動(dòng)為宜。

所述的圓柱殼腔體通過(guò)“T”字形支撐裝置與中間質(zhì)量塊連接，圓柱殼腔體與輻射蓋板的邊緣非剛性接觸。

本發(fā)明提供了一種敷設(shè)隔聲層并附加了Helmholtz共振腔的低頻大功率無(wú)指向性水聲換能器，利用隔聲層將Janus換能器的縱向四極子輻射模式變?yōu)橥嗲蛟摧椛淠Ｊ?，改變了換能器的波束形狀，改善了0°方向的輻射能力，使Janus換能器具有了大功率、無(wú)指向性特點(diǎn)，利用Helmholtz共振腔的液腔振動(dòng)與Janus換能器的縱振動(dòng)耦合，使換能器具有了寬帶發(fā)射特性。

參考圖1，Janus換能器由一個(gè)中間質(zhì)量塊1、兩個(gè)晶堆2、兩個(gè)喇叭形輻射蓋板4組成，中間質(zhì)量塊、晶堆和輻射蓋板可以由設(shè)置在中心位置的預(yù)應(yīng)力螺栓6連接并對(duì)晶堆壓緊施加預(yù)應(yīng)力，當(dāng)晶堆直徑較大時(shí)可以用設(shè)置在晶堆周向均勻分布的數(shù)只預(yù)應(yīng)力螺栓連接并對(duì)晶堆壓緊施加預(yù)應(yīng)力。

參考圖2，本發(fā)明中的無(wú)指向性寬帶大功率Janus水聲換能器，包括一個(gè)Janus換能器、兩個(gè)圓柱殼腔體5、敷設(shè)在輻射蓋板4下表面的隔聲層3及連接圓柱殼腔體5和Janus換能器的支撐裝置。

中間質(zhì)量塊1周向設(shè)置有指向圓心的圓孔，以安裝插拔式水下連接器，實(shí)現(xiàn)晶堆2與傳輸電纜相連接。為實(shí)現(xiàn)水密，在晶堆2外圍包覆硫化橡膠層，硫化橡膠層也可用環(huán)氧樹脂層等其他密封材料代替。

中間質(zhì)量塊1周向設(shè)置有指向圓心的螺紋孔，以方便安裝連接Janus換能器與圓柱殼腔體5的支撐裝置。

晶堆2由偶數(shù)片壓電陶瓷圓片使用環(huán)氧樹脂粘接而成，相鄰的兩片壓電陶瓷圓片極化方向相反。壓電陶瓷圓片間之間設(shè)置薄電極片，壓電陶瓷圓片在電路上并聯(lián)連接。晶堆2一端與中間質(zhì)量塊1粘接在一起。

喇叭形輻射蓋板4由輕質(zhì)金屬如鋁合金、鈦合金制成，小外徑端與晶堆2的一端粘接，大外徑端與圓柱殼腔體5底部齊平。

圓柱殼腔體5設(shè)置在輻射蓋板4的上方，通過(guò)支撐裝置經(jīng)由中間質(zhì)量塊1與Janus換能器連接在一起，圓柱殼腔體5與輻射蓋板4圍成Helmholtz共振腔。

換能器工作時(shí)，晶堆2上施加交變電壓，壓電陶瓷圓片在交變電場(chǎng)的激勵(lì)下產(chǎn)生厚度方向的伸縮振動(dòng)，體現(xiàn)在整個(gè)晶堆即是縱向的伸縮振動(dòng)，當(dāng)交變信號(hào)頻率達(dá)到Helmholtz共振腔的液腔諧振頻率時(shí)，0°方向的頻響曲線出現(xiàn)第一個(gè)極大值，當(dāng)交變信號(hào)頻率達(dá)到Janus縱振動(dòng)諧振頻率時(shí)，0°方向的頻響曲線出現(xiàn)第二個(gè)極大值。

參考圖3，支撐裝置起到連接圓柱殼腔體5和Janus換能器的作用，由支撐梁6和支撐桿7組成，支撐梁6兩端通過(guò)螺栓連接在圓柱殼腔體5上，支撐桿7一端通過(guò)螺紋孔連接在中間質(zhì)量塊1上，另一端連接在支撐梁6的中心，支撐桿7和支撐梁6呈“T”字形。支撐裝置尺寸和數(shù)量依據(jù)換能器的整體尺寸、重量確定，其尺寸和數(shù)量應(yīng)既不明顯影響換能器的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲輻射，又能保證足夠的強(qiáng)度。支撐裝置沿圓柱殼腔體5外側(cè)周向均布。

最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。