一种无指向性宽带大功率Janus水声换能器制造技术

本发明专利技术属于水声换能器技术领域，具体涉及一种敷设了隔声层并附加了Helmholtz共振腔的无指向性宽带大功率Janus水声换能器。本发明专利技术包括：一个Janus换能器、两个圆柱壳腔体、隔声层及支撑装置；Janus换能器由两个晶堆、一个中间质量块、两个喇叭形辐射盖板组成，晶堆由偶数片压电陶瓷圆片经环氧树脂粘接而成，压电陶瓷圆片为厚度方向极化，相邻的两片压电陶瓷圆片极化方向相反，陶瓷圆片间设置薄电极片，经由薄电极片引出晶堆的输入电线，压电陶瓷圆片电学上并联连接。本发明专利技术克服了Janus换能器无法实现宽带发射的缺点，同时利用了Helmholtz共振腔的液腔振动加Janus换能器纵振动实现宽带发射。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水声换能器
，具体涉及一种敷设了隔声层并附加了Helmholtz共振腔的无指向性宽带大功率Janus水声换能器。
技术介绍
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。在远程水声通信领域，对水声换能器提出了一些具体的技术要求：为使声波传播上千公里的距离，水声换能器需能工作在数百赫兹的低频段以尽可能的减少吸收损失，并且声源级一般不低于200dB才可满足要求；为提高通信速率，通常要求水声换能器拥有足够的工作带宽；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，通常要求水声换能器无指向性。在基于声学手段的海洋环境监测
，也需要一种低频、大功率、无指向性的水声换能器发射声信号，以满足对大海域的水温等海洋环境参数的监测需求。然而目前技术较为成熟的几类水声换能器中，同时实现上述几个技术指标是非常困难的。例如弯张换能器可以低频、大功率发射，但是工作带宽有限；电动式换能器可以低频、宽带发射但是电声效率低、声功率不足；Tonpilz换能器声辐射能力强、易于形成宽带发射，但难以实现低频工作且指向性明显。相对来说，溢流圆环水声换能器较为符合上述各项技术要求，但是大尺寸低频溢流圆环水声换能器成本高、价格贵，限制了其大规模应用。Janus换能器是一种典型的大功率水声换能器，主要结构包括质量块、上下对称的压电晶堆和喇叭形辐射盖板。压电晶堆采用施加了预应力的压电陶瓷圆片堆叠而成，激发整个结构的纵向振动，振动节面位于质量块的中心面处，位移最大处位于辐射盖板的前辐射面。大尺寸的压电晶堆加上可观的辐射面积，足以使Janus换能器产生大功率声输出，然而在实际使用过程中其真实的声辐射能力并未体现出来，主要原因在于：当Janus换能器置于水中工作时，主要振动能量集中在两个辐射盖板上，由于辐射盖板前后两个面均接触水介质，声辐射模型上每个辐射盖板相当于一个声偶极子，因此整个换能器相当于两个间隔一定距离的反向声偶极子，即纵向四极子。在各类声辐射模型中，纵向四极子的声辐射效率远低于单极子、同相球源及偶极子，因此在水声换能器设计中应着力避免纵向四极子声辐射模式，以免降低换能器的声辐射能力。此外，纵向四极子辐射时呈现出典型的“8”字形指向性，也即有限的声能量主要超90°方向集中，0°方向(即水平方向)的声辐射能力更加微弱。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种兼具低频、宽带、大功率、无指向性等特点的无指向性宽带大功率Janus水声换能器。本专利技术的目的是这样实现的：一种无指向性宽带大功率Janus水声换能器，包括：一个Janus换能器、两个圆柱壳腔体、隔声层及支撑装置；Janus换能器由两个晶堆、一个中间质量块、两个喇叭形辐射盖板组成，晶堆由偶数片压电陶瓷圆片经环氧树脂粘接而成，压电陶瓷圆片为厚度方向极化，相邻的两片压电陶瓷圆片极化方向相反，陶瓷圆片间设置薄电极片，经由薄电极片引出晶堆的输入电线，压电陶瓷圆片电学上并联连接。所述的中间质量块位于换能器中间位置，中间质量块周向设置有对心的螺纹孔，以便安装支撑装置；中间质量块周向设置有对心的圆孔，以便安装水密连接器。所述的两个喇叭形辐射盖板采用硬铝合金、钛合金等轻质金属制成，小外径端与晶堆一端粘接，大外径端与圆柱壳腔体围成Helmholtz共振腔。所述的中间质量块、压电晶堆、喇叭形辐射盖板通过预应力螺栓夹紧，对压电晶堆施加预应力，晶堆径向尺寸较小时，预应力螺栓从晶堆中心穿过，晶堆径向尺寸较大时，为保证晶堆上预应力均匀，应设置在晶堆外侧，沿周向均匀分布。所述的两个压电晶堆均有环氧树脂材料或硫化橡胶层包覆，起到水密的作用。所述的的圆柱壳腔体，采用不锈钢金属材料制成，圆柱壳腔体设置在辐射盖板的前方，与辐射盖板的上表面围成Helmholtz共振腔，圆柱壳腔体内侧喇叭形辐射盖板通过去耦实现隔离。所述的隔声层是由隔声材料制成，敷设在辐射盖板的下表面；或者是起到阻隔声波辐射的隔声结构。所述的支撑装置连接圆柱壳腔体和Janus换能器，由支撑杆和支撑梁组成，支撑梁两端通过螺栓连接在圆柱壳腔体上，支撑杆一端通过螺纹孔连接在中间质量块上，另一端连接在支撑梁的中心，支撑杆和支撑梁呈T字形；支撑装置尺寸和数量依据换能器的整体尺寸、重量确定；支撑装置沿圆柱壳腔体外侧周向均布。本专利技术的有益效果在于：本专利技术克服了传统的Janus换能器由于纵向四极子辐射造成的声辐射效率低的缺点，同时利用了同相球源声辐射效率高的优点。本专利技术克服了传统的Janus换能器由于纵向四极子辐射造成的0°方向声源级低的缺点，同时利用了同相球源辐射在0°方向声能量集中、声源级高的优点。本专利技术克服了Janus换能器无法实现宽带发射的缺点，同时利用了Helmholtz共振腔的液腔振动加Janus换能器纵振动可以实现宽带发射的优点。本专利技术可以应用于远程水声通信、低频水声实验、海洋声层析等
附图说明图1(a)是传统的Janus水声换能器示意图；图1(b)纵向四极子辐射模型图；图1(c)纵向四极子辐射模型指向性图；图2(a)是本专利技术中无指向性宽带大功率Janus水声换能器示意图；图2(b)同相球源辐射模型、图2(c)同相球源辐射模型指向性图；图3是本专利技术中的支撑装置示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。本专利技术涉及到一种敷设了隔声层并附加了Helmholtz共振腔结构的Janus水声换能器，属于水声换能器
该换能器包括一个Janus换能器、两个圆柱壳腔体及隔声层；隔声层的作用是变Janus换能器的纵向四极子辐射模式为同相球源辐射模式，提高换能器的声辐射效率并改善0°方向的辐射能力；Helmholtz共振腔的作用是增加了一个低频液腔谐振模态，与Janus换能器纵振模态相耦合形成宽带发射特性。该专利技术使Janus水声换能器具有了低频、宽带、大功率、无指向性等特点，可应用于低频主动声纳，远程水声通信、低频水声实验、海洋环境监测等领域。本专利技术提供的Janus水声换能器，包括一个中间质量块、两个晶堆、两个喇叭形辐射盖板及两支预应力螺栓，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连接并对晶堆施加预应力。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辐射盖板的前方，腔体与辐射盖板上表面构成外液腔，隔声层敷设在辐射盖板的下表面。所述的隔声层可以是轻质泡沫材料贴附在辐射盖板的下表面，也可以是贴近辐射盖板下表面的隔声结构，起到阻隔该方向声辐射的作用。隔声材料或隔声结构的设置以不明显影响辐射盖板的振动为宜。所述的圆柱壳腔体通过“T”字形支撑装置与中间质量块连接，圆柱壳腔体与辐射盖板的边缘非刚性接触。本专利技术提供了一种敷设隔声层并附加了Helmholtz共振腔的低频大功率无指向性水声换能器，利用隔声层将Janus换能器的纵向四极子辐射模式变为同相球源辐射模式，改变了换能器的波束形状，改善了0°方向的辐射能力，使Janus换能器具有了大功率、无指向性特点，利用Helmholtz共振腔的液腔振动与Janus换能器的纵振动耦合，使换能器具有了宽带发射特性。参考图1，Jan本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无指向性宽带大功率Janus水声换能器，包括一个Janus换能器、两个圆柱壳腔体、隔声层及支撑装置；Janus换能器由两个晶堆、一个中间质量块、两个喇叭形辐射盖板组成，其特征在于：晶堆由偶数片压电陶瓷圆片经环氧树脂粘接而成，压电陶瓷圆片为厚度方向极化，相邻的两片压电陶瓷圆片极化方向相反，陶瓷圆片间设置薄电极片，经由薄电极片引出晶堆的输入电线，压电陶瓷圆片电学上并联连接。

【技术特征摘要】
1.一种无指向性宽带大功率Janus水声换能器，包括一个Janus换能器、两个圆柱壳腔体、隔声层及支撑装置；Janus换能器由两个晶堆、一个中间质量块、两个喇叭形辐射盖板组成，其特征在于：晶堆由偶数片压电陶瓷圆片经环氧树脂粘接而成，压电陶瓷圆片为厚度方向极化，相邻的两片压电陶瓷圆片极化方向相反，陶瓷圆片间设置薄电极片，经由薄电极片引出晶堆的输入电线，压电陶瓷圆片电学上并联连接。2.根据权利要求1所述的一种无指向性宽带大功率Janus水声换能器，其特征在于：所述的中间质量块位于换能器中间位置，中间质量块周向设置有对心的螺纹孔，以便安装支撑装置；中间质量块周向设置有对心的圆孔，以便安装水密连接器。3.根据权利要求1所述的一种无指向性宽带大功率Janus水声换能器，其特征在于：所述的两个喇叭形辐射盖板采用硬铝合金、钛合金等轻质金属制成，小外径端与晶堆一端粘接，大外径端与圆柱壳腔体围成Helmholtz共振腔。4.根据权利要求1所述的一种无指向性宽带大功率Janus水声换能器，其特征在于：所述的中间质量块、压电晶堆、喇叭形辐射盖板通过预应力螺栓夹紧，对压电晶堆施加预应力，晶堆径向尺寸较小时，预应力螺栓从晶堆...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑永杰，蓝宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23