申请/专利权人：哈尔滨工程大学

申请日：2019-04-04

公开（公告）日：2023-12-08

公开（公告）号：CN110010113B

主分类号：G10K9/122

分类号：G10K9/122;G10K9/128

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.12.08#授权;2019.08.06#实质审查的生效;2019.07.12#公开

摘要：本发明提供的是一种径向辐射的杰纳斯‑亥姆霍兹水声换能器。包括中间质量块、两个晶堆、两支预应力螺栓、两个喇叭形辐射盖板以及腔体，中间质量块、晶堆和喇叭形辐射盖板按次序粘接在一起，并通过预应力螺栓压紧对晶堆施加预应力，腔体通过金属杆与中间质量块刚性连接，还包括两个金属圆盘，两个金属圆盘分别固定在两个喇叭形辐射盖板前端。本发明能够降低混响、减少多途、提高声能利用率、拓宽频带的径向辐射。本发明可以应用于远程水声通信、低频水声实验、海洋声层析等技术领域。

主权项：1.一种径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器，包括中间质量块、两个晶堆、两支预应力螺栓、两个喇叭形辐射盖板以及腔体，中间质量块上下两端分别和晶堆和喇叭形辐射盖板按次序粘接在一起，并通过预应力螺栓压紧对晶堆施加预应力，腔体通过金属杆与中间质量块刚性连接，其特征是：还包括两个金属圆盘，两个金属圆盘分别固定在两个喇叭形辐射盖板前端，腔体为圆柱壳腔体，圆柱壳腔体的两端与两个喇叭形辐射盖板有间隔，形成两个辐射口，换能器工作时，晶堆上施加交变电压，压电陶瓷圆片在交变电场的激励下产生厚度方向的伸缩振动，体现在整个晶堆即是纵向的伸缩振动，激励喇叭形辐射盖板做活塞式振动；辐射盖板的前端将力传递到金属圆盘上，激励金属圆盘做弯曲振动，向水中辐射声能；同时，辐射盖板背端也向水中辐射声能，并激励Helmholtz共振腔振动。

全文数据：径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器技术领域本发明涉及的是一种水声换能器，具体地说是一种Janus-Helmholtz水声换能器。背景技术声波是唯一能在海水中远距离传输的能量载体。因此能够在海水中发射声波的水声换能器在认识海洋、探索海洋的人类活动中角色至关重要。水声通信换能器是水下信息交互网络重要节点。在水声通信领域，针对远距离通信目标如无人自主水下航行器、长航时水下滑翔机等方位不确定的特点，通常要求水声通信换能器在径向水平方向不呈现指向性而在水平方向的辐射越小越好，即指向性图呈现∞字形状。目前常见的水声通信换能器是溢流式圆环换能器。这种换能器结构简单，容易设计，制作工艺相对成熟，并且功率容量大、频带宽、能够深水工作。众多优势使其广泛应用于各种水声通信机、声纳浮标、潜标以及水下自主无人航行器AUV等平台上。然而溢流式圆环换能器也有很多不足之处，其溢流结构导致其内外辐射面均向外辐射声能，在声场中声压反相抵消，导致辐射效率较低。另一种大功率水声通信换能器是Janus-Helmholtz换能器，例如：低频大功率Janus-Helmholtz换能器的设计《陕西师范大学学报自然科学版》2013年11月第41卷第6期、Janus-Helmholtz水声换能器理论问题研究-《哈尔滨工程大学学报》2015年7月第36卷第7期中公开的换能器等。这种换能器通过Janus换能器的纵向谐振和Helmholtz谐振实现低频、宽带辐射，并且这两种模态拥有很高的功率容量，能够大功率辐射声能。但是，如图3可知，通过传统Janus换能器驱动的通信换能器，其辐射模式类似于纵向四极子，声能更集中于轴向方向90°，在应用中存在海底海面混响、多途干扰严重的问题。发明内容本发明的目的在于提供一种能够降低混响、减少多途、提高声能利用率、拓宽频带的径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器。本发明的目的是这样实现的：包括中间质量块、两个晶堆、两支预应力螺栓、两个喇叭形辐射盖板以及腔体，中间质量块、晶堆和喇叭形辐射盖板按次序粘接在一起，并通过预应力螺栓压紧对晶堆施加预应力，腔体通过金属杆与中间质量块刚性连接，还包括两个金属圆盘，两个金属圆盘分别固定在两个喇叭形辐射盖板前端。本发明还可以包括：1.金属圆盘通过粘接固定在喇叭形辐射盖板前端。2.金属圆盘的周边通过螺丝固定在喇叭形辐射盖板前端。3.腔体为圆柱壳腔体，圆柱壳腔体的两端与两个喇叭形辐射盖板有间隔，形成两个辐射口。本发明包括一只Janus换能器，还包括一个圆柱壳腔体、以及连接弯曲式Janus换能器与腔体的支撑结构。本发明的两个金属圆盘分别固定在Janus换能器的两个喇叭形辐射盖板前端，构成弯曲式Janus换能器。本发明的弯曲式Janus水声换能器，包括一个中间质量块、两个晶堆、两支预应力螺栓、两个喇叭形辐射盖板以及两个金属圆盘，中间质量块、晶堆和喇叭形辐射盖板按次序粘接在一起，通过预应力螺栓压紧起到对晶堆施加预应力的作用，最后将两个金属圆盘固定在辐射盖板前端，通过Janus换能器驱动金属圆盘做弯曲振动，实现低频、径向发射。所述的晶堆可以由压电陶瓷圆片粘接而成，也可以由稀土超磁致伸缩材料粘接而成。所述的圆柱壳腔体嵌套在整个弯曲式Janus换能器的几何中心位置，换能器入水后腔体构成两端开口的圆柱形Helmholtz共振腔，相比较于弯曲圆盘的谐振频率，共振腔谐振处在高频，用于拓宽工作频带。所述的圆柱壳腔体通过若干金属杆与中间质量块刚性连接，圆柱壳腔体与其他部件无刚性接触。本发明的目的是通过在Janus换能器的喇叭形辐射盖板前端设置弯曲金属圆盘，使Janus换能器辐射的声能集中于径向方向，使它在降低混响、减少多途、提高声能利用率等方面拥有更强的优势，同时利用液腔的谐振达到拓宽频带的作用。本发明的低频宽带水声通信换能器，由于弯曲振动模式本身具有低频辐射的特性，利用Janus换能器的纵向振动驱动弯曲圆盘作弯曲振动，从而实现更低的工作频率。本发明克服了传统Janus换能器径向辐射能力弱的缺点，如图3a-至图3c所示，传统形式Janus换能器辐射模式类似纵向四极子系统，从图3c可以看出，其辐射声能集中于轴向，而径向方向声能微弱；本发明利用体积速度更大的弯曲谐振模态，形成Janus换能器辐射盖板前后两端的源强度差，如图4a至图4c所示，本发明将传统Janus换能器的纵向四极子辐射模式变为不等幅四元阵辐射模式，改变了换能器的垂直方向声场指向性，使声能量更集中于径向方向，有利于抑制传播过程中的多途干扰问题。本发明克服了传统的Janus换能器无法实现宽带发射的缺点，利用弯曲振动的一阶弯曲模态、二阶弯曲模态和Helmholtz腔共振模态形成多模耦合宽带发射特性，如图5所示为换能器的发送电压响应曲线，可以实现多模态谐振耦合宽带发射。本发明可以应用于远程水声通信、低频水声实验、海洋声层析等技术领域。附图说明图1是本发明的弯曲式Janus-Helmholtz换能器的剖视图。图2是本发明的弯曲式Janus-Helmholtz换能器的立体图。图3a是传统Janus换能器结构示意图，图3b是纵向四极子辐射模式，图3c是传统Janus换能器指向性。图4a是径向辐射的Janus换能器结构示意图，图4b是不等幅四元阵辐射模式，图4c是径向辐射的Janus换能器指向性。图5是本发明的弯曲式Janus-Helmholtz换能器的发送电压响应曲线示意图。具体实施方式下面举例对本发明做更详细的描述。参考图1，本发明中的弯曲式Janus换能器由一个中间质量块1、两个晶堆2、两个喇叭形辐射盖板3、两只聚四氟乙烯圆筒4、两只预应力螺栓5及两个金属圆盘6组成。中间质量块1、晶堆2和辐射盖板3之间用导电环氧胶粘接；晶堆2内部穿入聚四氟乙烯圆筒4用于定位，防止晶堆中的压电陶瓷片之间产生偏移；再穿入预应力螺栓5压紧并粘接，对晶堆2施加预应力；最后在喇叭形辐射盖板3前端盖上金属圆盘6，通过螺丝紧固，同时用环氧胶粘接牢靠。参考图1，中间质量块1周向设置有指向圆心的螺纹孔，以方便安装连接Janus换能器与圆柱壳腔体10的支撑杆9。参考图1，晶堆2由偶数片压电陶瓷圆片使用环氧树脂粘接而成，相邻的两片压电陶瓷圆片极化方向相反。压电陶瓷圆片之间设置薄电极片，压电陶瓷圆片在电路上并联连接。晶堆2一端粘接中间质量块1、另一端粘接喇叭形辐射盖板3。参考图1，晶堆2外围包覆硫化橡胶层7，用于密封；硫化橡胶层也可用环氧树脂、聚氨酯等其他密封材料代替。参考图1，中间质量块1和喇叭形辐射盖板3与晶堆2的连接端环侧设有若干条灌封凹槽，优化密封效果。参考图1，电缆8从硫化橡胶层7中引出，连接晶堆2中的正负电极；也可在中间质量块1中打孔穿线，安装水密连接插座，通过水密连接装置实现电缆8与晶堆2的连接。参考图1，喇叭形辐射盖板3和金属圆盘6可以由轻质金属如铝合金、钛合金制成，二者端面使用环氧胶粘接，并设置一圈螺丝进行紧固，在实现密封的同时使力的传递效果更佳；为了优化密封效果，也可以设置密封槽，安装密封圈。参考图2，圆柱壳腔体10设置在整个换能器的几何中心位置，通过支撑杆9直接刚性连接至中间质量块1，入水后圆柱壳腔体10之间形成Helmholtz共振腔。换能器工作时，晶堆2上施加交变电压，压电陶瓷圆片在交变电场的激励下产生厚度方向的伸缩振动，体现在整个晶堆2即是纵向的伸缩振动，激励喇叭形辐射盖板3做活塞式振动；辐射盖板3的前端将力传递到金属圆盘6上，激励金属圆盘做弯曲振动，向水中辐射声能；同时，辐射盖板3背端也向水中辐射声能，并激励Helmholtz共振腔振动。最后应说明的是，以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

权利要求：1.一种径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器，包括中间质量块、两个晶堆、两支预应力螺栓、两个喇叭形辐射盖板以及腔体，中间质量块、晶堆和喇叭形辐射盖板按次序粘接在一起，并通过预应力螺栓压紧对晶堆施加预应力，腔体通过金属杆与中间质量块刚性连接，其特征是：还包括两个金属圆盘，两个金属圆盘分别固定在两个喇叭形辐射盖板前端。2.根据权利要求1所述的径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器，其特征是：金属圆盘通过粘接固定在喇叭形辐射盖板前端。3.根据权利要求1或2所述的径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器，其特征是：金属圆盘的周边通过螺丝固定在喇叭形辐射盖板前端。4.根据权利要求1或2所述的径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器，其特征是：腔体为圆柱壳腔体，圆柱壳腔体的两端与两个喇叭形辐射盖板有间隔，形成两个辐射口。5.根据权利要求3所述的径向辐射的杰纳斯-亥姆霍兹水声换能器，其特征是：腔体为圆柱壳腔体，圆柱壳腔体的两端与两个喇叭形辐射盖板有间隔，形成两个辐射口。

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