溢流式弯张换能器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具备深水工作能力的低频大功率发射换能器，特别是一种溢流式 弯张换能器。
【背景技术】
[0002] 为了有效地实施远程探测，声纳系统使用的低频发射换能器的工作频带已经降低 到IOOHz~1kHz。在这个频带范围内，水声换能器一般带宽较窄、辐射阻较小，很难实现大 功率、宽带发射。大多低频换能器都采用增大线性尺寸来获得低频性能，所以低频发射换能 器的体积、重量都很大，制作成本较高，同时给换能器组阵带来不便。
[0003] 在低频领域，弯张换能器是低频发射换能器中较重要的一类换能器，利用晶堆的 纵向振动带动壳条产生弯曲振动，同时具备纵振换能器和弯曲换能器的优点。弯张换能器 利用壳条的弯曲模态实现较低的频率，能够在相对较小的体积下实现大功率发射，获得了 更大的重视。但弯张换能器的深水性能较差，随工作深度的增加，谐振频率会变高。以700Hz 弯张换能器为例，深度100米时，其频率会上升至1000Hz左右，偏离预定工作频段，导致无 法使用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种溢流式弯张换能器，采用溢流结构形式的实现，使得溢 流式弯张换能器具备深水工作的能力，换能器的性能不随水下工作深度的变换而变化。换 能器采用壳条弯曲振动模态，实现低频工作。换能器腔体内采用耐压材料进行填充，提高了 换能器的电声效率，实现大功率发射性能。
[0005] 本发明采取的技术方案为：溢流式弯张换能器，包括上端盖、下端盖、第一弧形半 壳、第二弧形半壳，第一弧形半壳两端分别与上端盖一端、下端盖一端固定安装，第二弧形 半壳两端分别与上端盖另一端、下端盖另一端固定安装；所述上端盖、下端盖、第一弧形半 壳、第二弧形半壳构成一个弧形谐振腔；所述弧形谐振腔内设有耐压材料，耐压材料内设有 晶堆，应力杆穿过晶堆，应力杆两端分别连接上端盖、下端盖；所述弧形谐振腔开设有用于 溢流水的间隙。
[0006] 所述第一弧形半壳、第二弧形半壳分别由：多个弧形壳条单元构成，多个弧形壳条 单元之间设有间隙。
[0007] 所述晶堆为水密处理后的晶堆。
[0008] 所述上端盖、下端盖采用耐海水不锈钢材料制作。
[0009] 所述弧形壳条单元采用耐海水不锈钢材料制作。
[0010] 所述耐压材料采用硬质泡沫塑料。
[0011] 本发明一种溢流式弯张换能器，有益效果如下：
[0012] 1、端盖、弧形壳条单元采用耐海水不锈钢，水可以从壳条间隙进入换能器内部，形 成溢流形式。溢流结构形式使换能器具备了深水工作能力。采用硬质泡沫塑料作为耐压顺 性材料，使换能器在溢流状态下有较高的电声性能。
[0013] 2、溢流式结构的弯张换能器受周围压力影响较小，可以实现深水工作。同时弧形 谐振腔能构成一个最基本的声振动系统。先由电激励有源材料，使其辐射声波，声波经由谐 振腔辐射到远场，由于谐振频腔率通常远低于激励源本身的谐振频率，因此在这一过程中 谐振腔对低频段的声信号进行放大，进一步实现换能器的低频特性。
[0014] 3、溢流结构形式的实现，使得溢流式弯张换能器具备深水工作的能力，换能器的 性能不随水下工作深度的变换而变化。换能器采用弧形壳条单元振动模态，实现低频工作。 换能器腔体内采用硬质泡沫塑料进行填充，提高了换能器的电声效率，实现大功率发射性 能。
【附图说明】
[0015] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0016] 图1是本发明一种溢流式弯张换能器结构示意图。
[0017] 图2是弯张换能器等效电路图。
[0018] 图3是IV型弯张换能器等效电路。
[0019] 图4是I型弯张换能器等效电路。
[0020] 图5是本发明弧形壳条单元振动的边界条件示意图。
[0021] 图6为Helmholtz谐振腔示意图。
[0022] 图7为Helmholtz谐振腔等效电路图。
[0023] 图8为液腔式弯张换能器等效电路图。
【具体实施方式】
[0024] 如图1所示，溢流式弯张换能器，包括上端盖1、下端盖2、第一弧形半壳3、第二弧 形半壳4,第一弧形半壳3两端分别与上端盖1 一端、下端盖2 -端固定安装，第二弧形半壳 4两端分别与上端盖1另一端、下端盖2另一端固定安装。所述上端盖1、下端盖2、第一弧 形半壳3、第二弧形半壳4构成一个弧形谐振腔。所述弧形谐振腔内设有耐压材料5,耐压 材料5内设有晶堆6,应力杆8穿过晶堆6,应力杆8两端分别连接上端盖1、下端盖2。所 述弧形谐振腔开设有用于溢流水的间隙。上端盖1固定连接电缆头7。
[0025] 所述第一弧形半壳3、第二弧形半壳4分别由：多个弧形壳条单元构成，多个弧形 壳条单元之间设有间隙。水可以从间隙进入溢流式弯张换能器内部，形成溢流形式。
[0026] 所述晶堆6为水密处理后的晶堆。所述上端盖1、下端盖2采用耐海水不锈钢材 料制作。所述弧形壳条单元采用耐海水不锈钢材料制作。所述耐压材料5采用硬质泡沫塑 料。
[0027] 如图2所示，弯张换能器等效电路图。弯张换能器一般由驱动元件和弯曲壳体组 成，其等效电路一般包含三部分，静态支路、振子机械支路和壳体机械支路。驱动振子的等 效电路包含了静态支路部分和振子机械回路，两个部分按照压电转换系数N耦合在一起； 壳体的行为用一个复阻抗来描述；当振子驱动壳体振动时，将壳体支路与振子支路串联。若 想精确地计算壳体的振动，需要将描述壳体振动的复阻抗，用壳体多阶模态支路并联来表 示。如IV型弯张换能器等效电路，考虑了三阶振动模态，详见图3。
[0028] I )、壳条的振动分析：
[0029] I型弯张换能器的外壳由一组宽度较窄的壳条组成。近似认为壳条的宽度均匀， 振动可近似看成弯曲梁的振动。h-壳条厚度，b-宽度，r-曲率半径，V-法向位移，W-切向 位移，T-切向应力，Q-法向拉应力；P-壳体密度。根据薄壳的半无矩理论，振动方程可表 示为
【主权项】
1. 溢流式弯张换能器，包括上端盖（1)、下端盖（2)、第一弧形半壳（3)、第二弧形半壳 (4)，其特征在于，第一弧形半壳（3)两端分别与上端盖（1) 一端、下端盖（2) -端固定安装， 第二弧形半壳（4)两端分别与上端盖（1)另一端、下端盖（2)另一端固定安装；所述上端盖 (1 )、下端盖（2)、第一弧形半壳（3)、第二弧形半壳（4)构成一个弧形谐振腔；所述弧形谐振 腔内设有耐压材料（5)，耐压材料（5)内设有晶堆（6)，应力杆（5)穿过晶堆（6)，应力杆（8) 两端分别连接上端盖（1 )、下端盖（2 );所述弧形谐振腔开设有用于溢流水的间隙。
2. 根据权利要求1所述溢流式弯张换能器，其特征在于，第一弧形半壳（3)、第二弧形 半壳（4)分别由：多个弧形壳条单元构成，多个弧形壳条单元之间设有间隙。
3. 根据权利要求1所述溢流式弯张换能器，其特征在于，所述晶堆（6)为水密处理后的 晶堆。
4. 根据权利要求1所述溢流式弯张换能器，其特征在于，所述上端盖（1)、下端盖（2)采 用耐海水不镑钢材料制作。
5. 根据权利要求2所述溢流式弯张换能器，其特征在于，所述弧形壳条单元采用耐海 水不镑钢材料制作。
6. 根据权利要求1所述溢流式弯张换能器，其特征在于，所述耐压材料（5)采用硬质泡 沫塑料。
【专利摘要】溢流式弯张换能器，包括上端盖、下端盖、第一弧形半壳、第二弧形半壳，第一弧形半壳两端分别与上端盖一端、下端盖一端固定安装，第二弧形半壳两端分别与上端盖另一端、下端盖另一端固定安装；所述上端盖、下端盖、第一弧形半壳、第二弧形半壳构成一个弧形谐振腔；所述弧形谐振腔内设有耐压材料，耐压材料内设有晶堆，应力杆穿过晶堆，应力杆两端分别连接上端盖、下端盖；所述弧形谐振腔开设有用于溢流水的间隙。本发明一种溢流式弯张换能器，使得溢流式弯张换能器具备深水工作的能力，换能器的性能不随水下工作深度的变换而变化。换能器腔体内采用硬质泡沫塑料进行填充，提高了换能器的电声效率，实现大功率发射性能。
【IPC分类】G10K9-12
【公开号】CN104681020
【申请号】CN201310606958
【发明人】房晋洪, 郭林发
【申请人】中船重工海声科技有限公司
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2013年11月26日