一种Ⅰ型弯张换能器、工作方法及水下设备

电子通信装置的制造及其应用技术一种ⅰ型弯张换能器、工作方法及水下设备技术领域1.本发明涉及水声换能器技术领域，具体涉及一种ⅰ型弯张换能器、工作方法及水下设备。背景技术：2.传统ⅰ型弯张换能器因其低频、小尺寸、大功率等特点，被广泛应用于水下应用，但因其辐射阻较小，通常机械q值较大，导致其带宽较窄，因此只能局限于单频发射脉冲，无法实现在宽带内调频，因此优化方向均集中在如何实现宽带发射信号。[0003]ⅰ型弯张换能器的主要振动模式为壳体的弯曲振动模态和振子的纵振动模态，但其窄带特性导致其只能利用一阶弯曲振动模态向外辐射声波。在发送响应曲线中，其一阶响应峰和二阶响应峰之间、二阶响应峰和纵振动模态之间均存在深坑，因此无法通过多模态耦合理论实现宽带特性，因此如何使ⅰ型弯张换能器的几种主要振动模态实现耦合形成宽带成为了主要的难题。技术实现要素：[0004]因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的传统ⅰ型弯张换能器因为一阶弯曲振动、二阶弯曲振动和纵振动模态响应因存在深坑导致无法实现宽带发射的问题，从而提供一种新型振动模态，使新型振动模态可以与ⅰ型弯张换能器的几个主要振动模态可以耦合，实现低频、小尺寸、大功率、宽带发射的ⅰ型弯张换能器、工作方法及水下设备。[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种ⅰ型弯张换能器，包括：壳体，所述壳体包括多个分体结构，每个所述分体结构上设有两个凹陷部和凸出部，两个所述凹陷部位于所述凸出部的两侧，且所述凸出部的曲率大于两个所述凹陷部；振子装配体，设于所述壳体内，且与所述壳体固定连接；第一质量块和第二质量块，设有所述壳体的两端，且在所述第一质量块或第二质量块上设有盖板；水密电缆头，设于所述盖板上，且所述水密电缆头与所述振子装配体连接。[0006]进一步地，所述两个凹陷部的曲率相等。[0007]进一步地，所述分体结构的个数为2的整数倍。[0008]进一步地，所述分体结构为十二个。[0009]进一步地，所述所述壳体还包括环状结构，所述环状结构设于所述分体结构的两端，所述第一质量块和第二质量块设于所述环状结构上。[0010]进一步地，所述壳体内设有预应力螺杆，所述振子装配体套设于所述预应力螺杆上，所述预应力螺杆的一端与所述第一质量块抵接，另一端与所述第二质量块固定连接。[0011]进一步地，所述振子装配体包括：压电陶瓷堆，具有多个，依次堆叠设置；过渡块，设于所述压电陶瓷堆的两端，所述预应力螺杆贯穿所述压电陶瓷堆和过渡块。[0012]所述振子装配体包括：超磁致伸缩棒，所述超磁致伸缩棒的两端设有永磁片，所述超磁致伸缩棒套设于所述预应力螺杆上；骨架，套设于所述超磁致伸缩棒上，且在所述骨架上设有线圈；导磁件，设于所述超磁致伸缩棒和线圈的外侧，所述超磁致伸缩棒和永磁片、以及导磁件共同形成闭合磁通路。[0013]本发明还提供了一种采用ⅰ型弯张换能器的工作方法，包括以下步骤：[0014]通过盖板上的水密电缆头对振子装配体施加不同频率的交变电流，所述振子装配体在所述壳体内进行长度方向上的伸长或者缩短，带动所述壳体在长度方向上的伸长或者缩短，再通过第一质量块和第二质量块与分体结构上的凹陷部和凸出部实现位移放大作用，使所述振子装配体的小体积位移转换成所述壳体的大体积位移，并在水中实现扩张和收缩，向周围水域辐射声能。[0015]本发明还提供了一种水下设备，包括所述的ⅰ型弯张换能器。[0016]本发明技术方案，具有如下优点：[0017]1.本发明提供的ⅰ型弯张换能器，包括：壳体，所述壳体包括多个分体结构，每个所述分体结构上设有两个凹陷部和凸出部，两个所述凹陷部位于所述凸出部的两侧，且所述凸出部的曲率大于两个所述凹陷部；振子装配体，设于所述壳体内，且与所述壳体固定连接；第一质量块和第二质量块，设有所述壳体的两端，且在所述第一质量块或第二质量块上设有盖板；水密电缆头，设于所述盖板上，且所述水密电缆头与所述振子装配体连接。[0018]通过对振子装配体施加交变电流，其中，振子装配体带动ⅰ型弯张换能器的壳体在长度方向上伸缩，从而带动壳体的凹-凸筒组合结构产生位移放大作用，通过凹-凸筒组合结构的扩张和收缩达到向外辐射声波。同时，在壳体的两端还设有第一质量块和第二质量块，第一质量块和第二质量块的设置可以有效的增加该ⅰ型弯张换能器的质量，同时，第一质量块和第二质量块还起到了方便施加预应力和壳体部分振动辐射的作用；并且在第一质量块或第二质量块上设有盖板。所述盖板上设有水密电缆头，所述水密电缆头与振子装配体连接。水密电缆头作为电缆出口，所述电缆密封头与电缆与需做防渗水处理，处理方法为橡胶硫化或聚氨酯灌封。[0019]该ⅰ型弯张换能器的壳体采用多个分体结构，并且在分体结构上设有两个凹陷部和凸出部，且所述凸出部的曲率大于两个所述凹陷部；在不改变传统ⅰ型凸筒弯张换能器整体结构模式的情况下，人为的将壳体的分体结构上的辐射面变为凹陷型辐射面，这种结构在传统的弯曲振动模态、纵振动模态的基础上创造了一种新的振动模态，新的振动模态是以凹陷型辐射面向外侧振动为主要振动的模态，与传统的二阶弯曲振动中以凸出型辐射面向内振动的相位相反，从而达到了换能器的一阶弯曲振动模态、新振动模态、二阶弯曲振动模态实现耦合形成宽带。[0020]同时，由于该ⅰ型弯张换能器只改变了壳体的分体结构的凹陷部和凸出部，其整体结构并未发生大的变化(如壳厚、振子装配体等)，因此其一阶弯曲振动模态与现有技术中ⅰ型凸筒弯张换能器在振动模式和辐射能力上基本一致，并未降低传统ⅰ型凸筒弯张换能器在一阶弯曲振动模式下的低频、大功率特性。[0021]2.本发明提供的ⅰ型弯张换能器，所述两个凹陷部的曲率相等；两个凹陷部位于凸出部的两侧，使得该ⅰ型弯张换能器的整体结构并未发生大的变化(如长短轴、振子等装配体)，因此其一阶弯曲振动模态与现有技术中ⅰ型凸筒弯张换能器在振动模式和辐射能力上基本完全一致，并未降低传统ⅰ型凸筒弯张换能器在一阶弯曲振动模式下的低频、大功率特性。[0022]3.本发明提供的ⅰ型弯张换能器，所述分体结构的个数为2的整数倍，使换能器更容易产生对称形式的、可激励的弯曲振动模态，减少多余的、不必要的弯曲振动模态。[0023]4.本发明提供的ⅰ型弯张换能器，多个所述分体结构与所述环状结构为一体成型件，保证了壳体的整体稳定性，避免多个分体结构会两个凹陷部和凸出部在连接处出现节点，从而保证了ⅰ型弯张换能器的精度。[0024]提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。附图说明[0025]为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0026]图1为本发明提供的ⅰ型弯张换能器结构示意图；[0027]图2为图1的前剖视图；[0028]图3为本发明提供的ⅰ型弯张换能器压电振子装配体的结构示意图；[0029]图4为本发明提供的ⅰ型弯张换能器磁致伸缩振子装配体的结构示[0030]图5为本发明提供的ⅰ型弯张换能器与现有技术中ⅰ型凸筒弯张换能器的二分之一壳体结构对比图；[0031]图6为本发明提供的ⅰ型弯张换能器二十四分之一模型(单一辐射片)的一阶弯曲振动模态振型图；[0032]图7为本发明提供的ⅰ型弯张换能器二十四分之一模型(单一辐射片)的新振动模态振型图；[0033]图8为本发明提供的ⅰ型弯张换能器二十四分之一模型(单一辐射片)的纵振动模态振型图；[0034]图9为本发明提供的ⅰ型弯张换能器与传统凸筒ⅰ型弯张换能器通过仿真得出的宽带发送电压响应曲线对比图。[0035]附图标记说明：[0036]1-壳体；11-分体结构；12-凹陷部；13-凸出部；[0037]21-第一质量块；22-第二质量块；[0038]3-盖板；[0039]4-水密电缆头；[0040]5-预应力螺杆；[0041]61-压电陶瓷堆；62-过渡块；[0042]71-超磁致伸缩棒；72-线圈；73-永磁片；74-导磁件；75-骨架。具体实施方式[0043]下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0044]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。[0045]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0046]此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。[0047]请参阅图1至图9所示，本发明提供了一种ⅰ型弯张换能器，包括：壳体1，所述壳体1包括多个分体结构11，每个所述分体结构11上设有两个凹陷部12和凸出部13，两个所述凹陷部12位于所述凸出部13的两侧，且所述凸出部13的曲率大于两个所述凹陷部12；振子装配体，设于所述壳体1内，且与所述壳体1固定连接；第一质量块21和第二质量块22，设有所述壳体1的两端，且在所述第一质量块21或第二质量块22上设有盖板3；水密电缆头4，设于所述盖板3上，且所述水密电缆头4与所述振子装配体连接。[0048]通过对振子装配体施加交变电流，其中，振子装配体带动ⅰ型弯张换能器的壳体1在长度方向上伸缩，从而带动壳体1的凹-凸筒组合结构产生位移放大作用，通过凹-凸筒组合结构的扩张和收缩达到向外辐射声波。同时，在壳体1的两端还设有第一质量块21和第二质量块22，第一质量块21和第二质量块22的设置可以有效的增加该ⅰ型弯张换能器的质量，同时，第一质量块21和第二质量块22还起到了方便施加预应力和壳体部分振动辐射的作用；并且在第一质量块21或第二质量块22上设有盖板3，从而对ⅰ型弯张换能器起到了保护作用。所述盖板3上设有水密电缆头4，所述水密电缆头4与振子装配体连接。水密电缆头4作为电缆出口，所述电缆密封头与电缆与需做防渗水处理，处理方法为橡胶硫化或聚氨酯灌封。[0049]该ⅰ型弯张换能器的壳体1采用多个分体结构11，并且在分体结构11上设有两个凹陷部12和凸出部13，且所述凸出部13的曲率大于两个所述凹陷部12；在不改变传统ⅰ型凸筒弯张换能器整体结构模式的情况下，人为的将壳体1的分体结构11上的辐射面变为凹陷型辐射面，这种结构在传统的弯曲振动模态、纵振动模态的基础上创造了一种新的振动模态，新的振动模态是以凹陷型辐射面向外侧振动为主要振动的模态，与传统的二阶弯曲振动中以凸出型辐射面向内振动的相位相反，且在此种结构下，换能器的二阶弯曲振动谐振频率大大增加，使纵振动模态提前到了二阶弯曲振动模态之前，从而达到了换能器的一阶弯曲振动模态、新振动模态、二阶弯曲振动模态实现耦合形成宽带。[0050]同时，由于该ⅰ型弯张换能器只改变了壳体11的分体结构11的凹陷部12和凸出部13，其整体结构并未发生大的变化(如壳厚、振子装配体等)，因此其一阶弯曲振动模态与现有技术中ⅰ型凸筒弯张换能器在振动模式和辐射能力上基本一致，并未降低传统ⅰ型凸筒弯张换能器在一阶弯曲振动模式下的低频、大功率特性。[0051]在本实施例中，所述两个凹陷部12的曲率相等；两个凹陷部12位于凸出部13的两侧，使得该ⅰ型弯张换能器的整体结构并未发生大的变化(如长短轴、振子等装配体)，因此其一阶弯曲振动模态与现有技术中ⅰ型凸筒弯张换能器在振动模式和辐射能力上基本完全一致，并未降低传统ⅰ型凸筒弯张换能器在一阶弯曲振动模式下的低频、大功率特性。[0052]在一些可选的实施例中，所述分体结构11的个数为2的整数倍。使换能器更容易产生对称形式的、可激励的弯曲振动模态，减少多余的、不必要的弯曲振动模态。具体地，所述分体结构11为十二个。所述十二个分体结构11上的凹陷部12和凸出部13完全相同，每个分体结构11的两个凹陷部12和一个凸出部13的厚度相等，避免因为厚度不同导致十二个分体结构11或者个凹陷部12和凸出部13单独产生不必要的振动模态影响宽带性能。[0053]在一些可选的实施例中，所述十二个分体结构11的两个凹陷部12和一个凸出部13光滑连接，保证了十二个分体结构11及其两个凹陷部12和一个凸出部13连接的稳定性，避免在连接处出现节点，从而保证了ⅰ型弯张换能器的精度。[0054]在一些可选的实施例中，所述所述壳体1还包括环状结构(图中未示出)，所述环状结构设于所述分体结构11的两端，所述第一质量块21和第二质量块22设于所述环状结构上。具体地，在环状结构上设有阶梯面，第一质量块21和第二质量块22设于该阶梯面上，从而避免该第一质量块21和第二质量块22进入至壳体1的内部，进而影响该该ⅰ型弯张换能器的整体精度。[0055]在一些可选的实施例中，多个所述分体结构11与所述环状结构为一体成型件，保证了壳体1的整体稳定性，避免多个分体结构11会两个凹陷部12和凸出部13在连接处出现节点，从而保证了ⅰ型弯张换能器的精度。[0056]在一些可选的实施例中，所述壳体1内设有预应力螺杆5，所述振子装配体套设于所述预应力螺杆5上，预应力螺杆5起到了对振子装配体施加预应力的作用；所述预应力螺杆5的一端与所述第一质量块21抵接，另一端与所述第二质量块22固定连接，从而将预应力螺杆5进行固定。在本实施例中，预应力螺杆5与第二质量块22为螺纹连接。[0057]在一些可选的实施例中，所述振子装配体包括：压电陶瓷堆61，具有多个，依次堆叠设置；过渡块62，设于所述压电陶瓷堆61的两端；所述预应力螺杆5贯穿所述压电陶瓷堆61和过渡块62，从而利用预应力螺杆5将多个压电陶瓷堆61、两个过渡块62进行限位，并通过预应力螺杆5对振子装配体施加预应力。压电陶瓷堆61，过渡块62共同组成压电振子装配体。[0058]在本实施例中，所述预应力螺杆5与所述第一质量和第二质量块22、以及压电陶瓷堆61、过渡块62同轴设置。[0059]其中，压电陶瓷堆61由二十片φ60×φ40×5mm的压电陶瓷环机械端串联、电端并联形成，相邻两个压电陶瓷环反相极化，每两片压电陶瓷环中间设置电极片，且为正负极交替连接；所述压电陶瓷堆61由偶数片压电陶瓷原片堆叠而成，相邻两个压电陶瓷片极化方向相反，从而保证每片压电陶瓷片振动相位相同。[0060]在一些可选的实施例中，所述预应力螺杆5设置在换能器中轴线上，穿过第一质量块21、过渡块62、压电陶瓷堆61，固定在第二质量块22，且对压电陶瓷堆61进行压缩施加预应力，由此防止压电陶瓷“抗压不抗拉”的特性，最大程度发挥压电陶瓷的压电性能。[0061]在另一些可选的实施例中，所述振子装配体包括超磁致伸缩棒71、永磁片73、骨架75、线圈72、以及导磁件74；其中，永磁片73设于所述超磁致伸缩棒71的两端，所述超磁致伸缩棒71套设于所述预应力螺杆5上；骨架75套设于所述超磁致伸缩棒71上，且在所述骨架75上设有线圈72，具体地，所述骨架75的轴向长度等于所述线圈72的轴向长度；骨架75起到了支撑线圈72的作用，从而防止线圈72产生形变；导磁件74设于所述超磁致伸缩棒71和线圈72的外侧，导磁件74为空筒型，且导磁件74与永磁片73相接；所述超磁致伸缩棒71、永磁片73与导磁件74共同形成闭合磁通路，闭合磁通路相比于开放磁通路，减少了磁通量的流失，使磁能转化率变高，增加了超磁致伸缩材料的利用率，从而提高了换能器的发射性能。[0062]超磁致伸缩棒71、永磁片73、骨架75、线圈72、以及导磁件74共同组成超磁致振子装配体。[0063]在本实施例中，超磁致伸缩棒71由超磁致伸缩材料制作而成。同时，超磁致伸缩棒71的个数为一个。其中，超磁致伸缩磁棒的个数可以根据实际情况自行设定。[0064]在本实施例中，永磁片73为钕铁硼永磁片。[0065]导磁件74为工字型纯铁。纯铁具有良好的导向性，同时质地较软，具有良好的可塑性，容易锻造。[0066]请参阅图9所示，该ⅰ型弯张换能器通过二十片φ60×φ40×5mm的压电陶瓷环堆叠作为压电振子振子装配体6驱动高度150mm，壳体中部凸筒曲率半径60mm，两侧凹筒曲率半径25.6mm，壳厚5mm的ⅰ型弯张换能器，其一阶弯曲振动模态谐振频率约为3.1khz，产生的新振动模态谐振频率约为5.2khz，二阶弯曲振动模态谐振频率约为8khz，三个模态可以耦合，其中三个模态的发送电压响应峰值为142db、145db、150db；在3khz-5.9khz的频率范围内，带内最大起伏3db左右，在2.4khz-10khz的频率范围内，带内最大起伏10db左右，实现了凹-凸筒结合ⅰ型弯张换能器的低频、大功率、宽带特性。[0067]本发明还提供了一种采用ⅰ型弯张换能器的工作方法，包括以下步骤：[0068]通过盖板3上的水密电缆头4对振子装配体施加不同频率的交变电流，所述振子装配体在所述壳体1内进行长度方向上的伸长或者缩短，带动所述壳体1在长度方向上的伸长或者缩短，再通过第一质量块21和第二质量块22与分体结构11上的凹陷部12和凸出部13实现位移放大作用，使所述振子装配体的小体积位移转换成所述壳体1的大体积位移，并在水中实现扩张和收缩，向周围水域辐射声能。[0069]该ⅰ型弯张换能器使用时，通过对压电振子装配体或磁致伸缩振子装配体施加不同频率的交变电流，压电振子装配体或磁致伸缩振子装配体中的有源材料便会通过压电效应或者磁致伸缩效应进行长度方向上的伸长或者缩短，从而带动ⅰ型弯张换能器在高度方向上的伸长或者缩短，再通过第一质量块21和第二质量块22与周围壳体1设计实现位移放大作用，使有源材料的小体积位移转换成壳体1的大体积位移，在水中实现扩张和收缩，从而向周围水域辐射声能。[0070]本发明还提供了一种水下设备，包括所述的ⅰ型弯张换能器。具体地，水下设备可以为水下机器人、水下潜水艇、水下检测设备、水下定位设备等。[0071]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。









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