一种电动式水声发射换能器制造技术

本发明专利技术提供了一种电动式水声发射换能器，具有体积小、工作深度高的优点，可实现水下甚低频、宽带、大功率声辐射。该换能器包含：由壁面和底面组成的耐压外壳及换能器上部端口附近的活塞辐射面；所述活塞辐射面由安装于耐压外壳内部的空气弹簧支撑，并通过板簧与耐压外壳壁面连接；所述空气弹簧内部安装一电磁作动器，用于激励所述活塞辐射面的纵向振动进而辐射声波；所述电磁作动器上部安装一电涡流位移传感器，用于监测所述活塞辐射面的纵向位置，从而配合外部气压控制系统调节空气弹簧内部气压，实现气压、水压的静压平衡；所述耐压外壳底面中空部分安装有电气接口板，包括连接外部气压控制系统的气阀以及电磁激振器、位移传感器的电接口。

【技术实现步骤摘要】
一种电动式水声发射换能器
本专利技术属于水声换能器
，具体涉及一种电动式水声发射换能器。
技术介绍
声波是唯一已知的能够在水下远距离传播的信息载体，声学方法是水下探测、测量、目标识别及定位、海洋地质勘探等诸多领域的主要手段，其应用日益深入。随着现代水声技术的发展，在一些领域中声波的低端工作频率已延伸至几十赫兹的甚低频段，因此作为水声技术得以实施的必要工具，甚低频宽带水声换能器、尤其是发射换能器的研制具有重要意义和价值。在实现水下甚低频宽带声辐射的方法中，常见的有溢流式圆环换能器、多模弯张换能器、电动式换能器等。其中溢流式圆环换能器、多模弯张换能器基于不同结构对换能器进行设计，调整和利用结构不同模态的共振，从而达到甚低频宽带声辐射。上述两种类型的换能器辐射面两侧均为水，虽然这一特点使换能器具有耐静压能力强、工作深度高的优点，但其低频声辐射效率却较低。为达到较高的甚低频声辐射能力，该类型换能器一般体积大、质量高、损耗功率大，故其实际应用受到一定限制。电动式换能器主要由磁路以及连接线圈的刚性活塞组成。当通以电流时，磁场中的线圈将受到力的作用从而激发活塞振动辐射声波，因此该型换能器又称为动圈式换能器。由于活塞面内侧为空气，电动式换能器的声辐射效率较高，故在相同声辐射能力下其体积、质量及损耗功率相对较小。但为保证换能器在不同深度下均能正常工作，必须对活塞内腔气压进行调节，以平衡静水压。目前的电动式换能器一般采取压力自平衡结构，即通过柔性气囊储存一定量空气，利用不同深度下气囊体积的压缩保证其内部气压与外部水压的一致，从而实现不同深度下气压、水压的自平衡，例如英国DataPhysics公司的UW600型动圈式超低频换能器，及专利公开号为CN102075828A的一种水下甚低频宽带声源，该类型换能器一般结构如图1所示。由于空气可压缩性较强，采用现有技术的电动式换能器不仅体积较大，其工作深度也受到一定限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为克服目前电动式换能器的不足，提供一种小体积、高工作深度的甚低频宽带发射换能器，可以实现水下大功率声辐射，即本专利技术提供了一种新型电动式水声发射换能器。本专利技术提供的电动式水声发射换能器，其特征在于，包含：由壁面7和底面8组成的耐压外壳，在耐压外壳的内部设置纵向伸缩的空气弹簧2，该空气弹簧2用于支撑位于壁面7上部端口附近的水平放置的活塞辐射面6；所述空气弹簧2内部布放一用于激励所述活塞辐射面6纵向振动进而辐射声波的电磁作动器1，所述电磁作动器1固定于位于耐压外壳底面的电气接口板11上，所述电磁作动器1的力输出端则与活塞辐射面6相连，该电磁作动器1的上表面放置用于监测活塞辐射面6纵向位置的电涡流位移传感器4；所述电气接口板11固定在耐压外壳底面8的中空部分，且该电气接口板11上设置一用于调节空气弹簧2内部气压的气阀9和一电接口10，且该电接口10进一步包含电磁作动器1输入接口和电涡流位移传感器4的信号输出接口。上述电磁作动器1通过螺杆和螺丝与所述活塞辐射面6相连，所述螺杆两端分别连接电磁作动器1的输出端与活塞辐射面6的中心通孔。上述换能器还包含一板簧，该板簧位于耐压外壳壁面7的上端口处并连接活塞辐射面6的中心和耐压外壳壁面7，用于限制该板簧下方的活塞辐射面的横向位移。上述活塞辐射面6通过一连接件与板簧连接，该连接件使用O型圈固定于活塞辐射面6的中心处，实现水密。上述换能器还包含设置在耐压外壳内侧活塞辐射面对应位置附近的若干上下对称的限位装置3，该限位装置3为半圆形片状凸起；所述活塞辐射面6相应于限位装置3设置有若干与限位装置3的半圆形凸起尺寸相同的半圆形槽15。上述活塞辐射面6由铝制成，其上刻有多个扇形凹槽16，以减轻其质量。上述活塞辐射面6与壁面7间隔1～2毫米。在不同工作深度下，需通过外部气压控制系统调节空气弹簧2的内部气压，实现水压、气压的静压平衡，使活塞辐射面6处于平衡位置(上下两组限位装置的中心)，从而保证换能器的正常工作；其中，所述外部气压控制系统结构为：所述的外部气压控制系统包含气源17、三通气阀18和二通气阀19，其中三通气阀18的第一气口和第三气口分别通过气管20连接二通气阀19和气源17，其第二气口则直接通向大气，而二通气阀19另一气口则通过气管20连接换能器气阀9。可通过如下步骤操作上述外部气压控制系统，实现对换能器内部气压的调节：首先，开启二通气阀19；其次，根据电涡流位移传感器4输出信号判断活塞辐射面6的当前位置，若高于平衡位置，则三通气阀18的第一气口和第二气口进行放气、降低活塞辐射面6的位置，反之则三通气阀18的第一气口和第三气口进行充气、提高活塞辐射面6的位置；当活塞辐射面6被调整至平衡位置时，关闭二通气阀19，完成气压调节过程。可选的，上述气压调节过程可使用PID控制器及三通伺服气阀自动实现，其中PID控制器输入为位移传感器的输出信号，其输出则对三通伺服气阀进行控制，从而自动实现上述放气和充气的操作。本专利技术所采用的技术方案是：换能器由耐压外壳、板簧、活塞辐射面、空气弹簧、电磁作动器、电涡流位移传感器、电气接口板及一些连接件组成；活塞辐射面安装于换能器的上端面，其纵向活塞振动向换能器外侧辐射声波；活塞辐射面内侧通过空气弹簧进行支撑，即利用空气弹簧连接活塞辐射面和换能器下端面，空气弹簧内部充以空气；活塞辐射面直径略小于耐压外壳内径，二者之间留有一定缝隙，同时使用具有高横向刚度、低纵向刚度的金属板簧连接活塞辐射面和耐压外壳，在保证辐射面纵向振动柔性的同时避免其出现较大的横向位移、进而产生摩擦影响换能器声辐射性能；活塞辐射面通过其中心的连接件与金属板簧连接，该连接件与辐射面间使用O型圈进行密封，保证水密性；为提高换能器声辐射能力，活塞辐射面由密度较小的铝制成，且其上表面刻有多个扇形凹槽，在保证其整体刚度的同时降低质量；空气弹簧内部装有电磁作动器，用于激发活塞辐射面的纵向振动，该电磁作动器通过螺杆与辐射面中心连接固定；在空气弹簧内部使用电涡流位移传感器对活塞辐射面的纵向位移进行监测，该传感器通过底座安装于电磁作动器上部；在耐压外壳上端面内侧圆周上装有上下两组限位装置，每组限位装置由匀布于圆周上的若干个半圆形片状突起构成，其目的在于限制活塞辐射面的纵向位移、保护电磁作动器，同时在活塞辐射面圆周的对应位置刻有半圆形槽，以便于安装；换能器的下端面装有电气接口板，板上装有电磁作动器输入接口、位移传感器输出接口及气阀，该电气接口板使用O型圈与耐压外壳底端进行连接。本专利技术实际应用时需使用水密电缆连接电磁作动器输入接口和位移传感器接口，同时需使用气管连接气阀。当换能器浸入水中预定工作位置后，首先应根据位移传感器输出调节空气弹簧内部气压，使活塞辐射面位于平衡位置，即上下限位装置之间的中心位置，从而达到水压、气压的静压平衡。该过程可通过人工调节实现，也可使用控制器配合伺服气阀自动实现。上述过程完成后，即可通过功放驱动电磁作动器，激发活塞辐射面的纵向活塞振动，进而向水中辐射声波。与最接近的现有技术相比，本专利技术的主要优势在于：(1)本专利技术的技术方案由于放弃了现有甚低频宽带水声换能器的压力自平衡结构并代以位移传感器和气阀、通过岸上调节控制的方式实现静压平衡，故与一般电动式换能器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电动式水声发射换能器，其特征在于，包含：由壁面（7）和底面（8）组成的耐压外壳，在耐压外壳的内部设置纵向伸缩的空气弹簧（2），该空气弹簧（2）用于支撑位于壁面（7）上部端口附近的水平放置的活塞辐射面（6）；所述空气弹簧（2）内部布放一用于激励所述活塞辐射面（6）纵向振动进而辐射声波的电磁作动器（1），所述电磁作动器（1）固定于位于耐压外壳底面的电气接口板（11）上，所述电磁作动器（1）的力输出端则与活塞辐射面（6）相连，该电磁作动器（1）的上表面放置用于监测活塞辐射面（6）纵向位置的电涡流位移传感器（4）；所述电气接口板（11）固定在耐压外壳底面（8）的中空部分，且该电气接口板（11）上设置一用于调节空气弹簧（2）内部气压的气阀（9）和一电接口（10），且该电接口（10）进一步包含电磁作动器（1）输入接口和电涡流位移传感器（4）的信号输出接口。

【技术特征摘要】
1.一种电动式水声发射换能器，其特征在于，包含：由壁面和底面组成的耐压外壳，在耐压外壳的内部设置纵向伸缩的空气弹簧，该空气弹簧用于支撑位于壁面上部端口处的水平放置的活塞辐射面；所述空气弹簧内部布放一用于激励所述活塞辐射面纵向振动进而辐射声波的电磁作动器，所述电磁作动器固定于位于耐压外壳底面的电气接口板上，所述电磁作动器通过螺杆和螺丝与所述活塞辐射面相连，所述螺杆两端分别连接电磁作动器的力输出端与活塞辐射面的中心通孔；该电磁作动器的上表面设置一用于监测活塞辐射面纵向位置的电涡流位移传感器；所述电气接口板固定在耐压外壳底面的中空部分，且该电气接口板上设置一用于调节空气弹簧内部气压的气阀和一电接口，且该电接口进一步包含电磁作动器的输入接口和电涡流位移传感器的信号输出接口；所述换能器还包含设置在耐压外壳内侧与活塞辐射面位置对应的若干上下对称的限位装置，该限位装置为半圆形片状凸起，用于限制活塞辐射面的纵向位移；所述活塞辐射面上相应地设置有若干与限位装置的半圆形片状凸起尺寸相同的半圆形槽；所述换能器在不同工作深度下通过外部气压控制系...

【专利技术属性】
技术研发人员：安峰岩，孙红灵，程晓斌，杨军，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11