一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器制造技术

本发明专利技术公开了一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，包括换能器本体，所述的换能器本体包括依次连接的后盖板、压电陶瓷堆、前盖板以及前端切割体，所述的压电陶瓷堆采用压电陶瓷片和电极片交错压合而成，且压电陶瓷堆的两端均为电极片，压电陶瓷片的一端通过电极片连接至正极引线，另一端通过电极片连接至负极引线，正极引线和负极引线连接至激励源。本发明专利技术实现了换能器在50Hz‑1000Hz频率范围的低频发射。此外，该换能器具有整体尺寸小，结构及制作工艺简单，成本低的特点。

A small circumferential spiral slotting longitudinal vibratory transducer

The invention discloses a small size circumferential spiral grooved longitudinal vibration transducer, transducer includes a transducer body, the body of the rear cover plate, comprises a piezoelectric ceramic stack, the front cover and the front end cutting body, the piezoelectric ceramic stack using the piezoelectric ceramic and electrode alternating pressure and into, and the pressure at both ends of piezoelectric ceramics heap are electrode plate, one end of the piezoelectric ceramic piece is connected to the positive electrode lead through the electrode plate, the other end is connected to the anode lead through the electrode sheet, a positive lead and a negative lead connected to the excitation source. The invention realizes low frequency transducer in the 50Hz frequency range of 1000Hz emission. In addition, the transducer has the characteristics of small overall size, simple structure and manufacturing process and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器
本专利技术属于水声换能器领域，具体涉及一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器。
技术介绍
在水下探测
，低频换能器占据着重要的位置，最常用的低频换能器主要用液腔振动和弯曲振动来实现。但这种低频换能器一般体积大和质量较大，在实际应用中会有很多限制。针对这个问题，国内外众多学者做了相关的研究。刘振君等人研制了一种基于切向极化镶拼压电陶瓷圆环的圆柱溢流型低频宽带换能器，利用液腔振动和径向振动的耦合，使换能器在3～5kHz频段具有平坦的响应，换能器尺寸为φ262mm×110mm，质量11kg。桑永杰等人设计了一种Janus-Helmholtz换能器，利用液腔谐振模态及Janus换能器纵向谐振模态耦合，实现了换能器在600Hz-2000Hz范围内的低频发射，换能器尺寸为φ376mm×670mm，质量74kg。哈工大学者提出了一种基于矩形压电陶瓷三叠片弯曲梁的组合式换能器，实现了换能器在1100Hz-1700Hz频率范围内的低频发射，换能器尺寸为150mm×132mm×92mm，质量为3.2kg。目前的低频换能器主要是利用液腔振动和振动的耦合的方法实现水声换能器在低频范围内工作。但其结构一般较为复杂，且换能器的体积较大，不便于在某些对尺寸要求较高的场合使用。影响换能器低频工作的因素较多,谐振频率想要达到1kHz，通常需要增大换能器的体积和质量。尤其是纵振换能器，想要达到低频发射的效果，换能器的体积就会非常大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，实现了换能器在50Hz-1000Hz频率范围的低频发射，以克服现有技术中低频换能器尺寸较大的问题。此外，该换能器还具有整体尺寸小，结构及制作工艺简单，成本低的特点。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，包括换能器本体，所述的换能器本体包括依次连接的后盖板、压电陶瓷堆、前盖板以及前端切割体，所述的压电陶瓷堆采用压电陶瓷片和电极片交错压合而成，且压电陶瓷堆的两端均为电极片，压电陶瓷片的一端通过电极片连接至正极引线，另一端通过电极片连接至负极引线，正极引线和负极引线连接至激励源。进一步地，所述的压电陶瓷堆包括依次串联的第一电极片、第一压电陶瓷片、第二电极片、第二压电陶瓷片、第三电极片、第三压电陶瓷片、第四电极片、第四压电陶瓷片以及第五电极片，所述的第二电极片和第四电极片连接至正极引线，第一电极片、第三电极片以及第五电极片连接至负极引线。进一步地，所述前端切割体是在圆柱壳体上沿周向以螺旋线轨迹开设三条螺旋槽而形成的弹簧形状。进一步地，三条螺旋槽的起点在平行于圆柱壳体底面的同一水平面上，且三条螺旋槽沿前端切割体的侧面每隔120度以圆周阵列排布，三条螺旋槽的螺距相同，螺旋方向相同。进一步地，后盖板、压电陶瓷堆和前盖板通过相互配合的螺杆和螺帽进行固定。进一步地，后盖板、压电陶瓷堆和前盖板组成的整体的外侧套设有壳体，壳体与后盖板、压电陶瓷堆和前盖板组成的整体之间设置有支架，壳体的端部连接有密封盖。进一步地，所述壳体为一端封口，另一端开口的圆柱形壳，封口的一端设有供正极引线和负极引线通过的过线孔；密封盖为圆锥形，中心位置留有供正极引线和负极引线通过的过线孔。进一步地，前盖板为喇叭形，其开口较小的一端与压电陶瓷堆连接，开口较大的一端与前端切割体连接。进一步地，所述前盖板和前端切割体材料为铝，后盖板材料为钢。进一步地，压电陶瓷片为PZT-4压电陶瓷片。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术的小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，利用后盖板、压电陶瓷堆、前盖板以及前端切割体组成换能器本体，由于前端切割体在一定电压的激励下有很低的振动频率，利用前盖板切割体的低频振动来影响整个换能器的工作频率，实现了换能器在一定功率要求下的低频工作。进一步地，前端切割体是在圆柱壳体上沿周向以螺旋线轨迹开设三条螺旋槽而形成的弹簧形状，三条螺旋槽的起点在平行于圆柱壳体底面的同一水平面上，且三条螺旋槽沿前端切割体的侧面每隔120度以圆周阵列排布，三条螺旋槽的螺距相同，螺旋方向相同，与同尺寸大小的圆柱壳相比，此结构的振动频率降低了很多，而本专利技术中的换能器与一般的纵振换能器相比较，整体的谐振频率主要取决于前端切割体的结构，因此前端切割体结构可以大大降低整个换能器的谐振频率。当换能器整体高度为128mm，最大直径为100mm时，其尺寸远小于在同频段工作的纵振换能器。该换能器克服了纵振换能器低频发射与小尺寸之间的矛盾，可以实现纵振换能器在50Hz-1000Hz频率范围的低频发射，甚至超低频发射。此外，本专利技术便于应用在水声换能器基阵中，结构及制作工艺简单，所用元件常见，且换能器的整体成本较低。附图说明图1为本专利技术的整体结构剖视图；图2为本专利技术的换能器本体剖视图；图3为本专利技术的前端盖切割体立体结构示意图；图4为本专利技术的前端盖切割体主视图；图5为本专利技术实施例的水声换能器的发射电压响应曲线图。其中，1-密封盖；2-壳体；3-支架；4-换能器本体；41-负极引线；42-正极引线；43-螺帽；44-螺杆；45-后盖板；46-电极片；47-压电陶瓷片；48-前盖板；49-前端切割体。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述：参见图1至图5，一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，包括换能器本体4，所述的换能器本体4包括依次连接的后盖板45、压电陶瓷堆、前盖板48以及前端切割体49，前盖板48和前端切割体49材料为铝，后盖板45材料为钢，前盖板48为喇叭形，其开口较小的一端与压电陶瓷堆连接，开口较大的一端与前端切割体49连接，所述的压电陶瓷堆包括依次串联的第一电极片、第一压电陶瓷片、第二电极片、第二压电陶瓷片、第三电极片、第三压电陶瓷片、第四电极片、第四压电陶瓷片以及第五电极片，所述的第二电极片和第四电极片连接至正极引线42，第一电极片、第三电极片以及第五电极片连接至负极引线41，正极引线42和负极引线41连接至激励源，压电陶瓷片47为PZT-4压电陶瓷片，所述前端切割体49是在圆柱壳体上沿周向以螺旋线轨迹开设三条螺旋槽而形成的弹簧形状，三条螺旋槽的起点在平行于圆柱壳体底面的同一水平面上，且三条螺旋槽沿前端切割体49的侧面每隔120度以圆周阵列排布，三条螺旋槽的螺距相同，螺旋方向相同，此弹簧结构可简化为三根完全相同的弹簧并联的系统，系统的特征频率为：其中为每根弹簧的弹性系数，m为每根弹簧的等效质量，a,b分别为弹簧横截面的长度和宽度，D为弹簧柱体的中径，r为弹簧柱体的外半径，G为弹簧材料的切变模量。外直径为100mm，内直径为90mm，高度为60mm的圆柱壳特征频率为16115Hz，若在相同尺寸的圆柱壳上开三条宽度为2mm，螺距为50mm的螺旋槽，该且个体的频率为163.34Hz。此结构与同尺寸大小的圆柱壳相比，频率降低了很多，而本专利技术中的换能器与一般的纵振换能器相比较，整体的谐振频率主要取决于前端切割体的结构，因此前端切割体结构可以大大降低整个换能器的谐振频率，换能器整体高度128mm，最大直径100mm，尺寸远小于在同频段工作的纵振换能器，克服了纵振换能器低频发射与小尺寸之间的矛盾，可以实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，其特征在于，包括换能器本体(4)，所述的换能器本体(4)包括依次连接的后盖板(45)、压电陶瓷堆、前盖板(48)以及前端切割体(49)，所述的压电陶瓷堆采用压电陶瓷片(47)和电极片(46)交错压合而成，且压电陶瓷堆的两端均为电极片(46)，压电陶瓷片(47)的一端通过电极片(46)连接至正极引线(42)，另一端通过电极片(46)连接至负极引线(41)，正极引线(42)和负极引线(41)连接至激励源。

【技术特征摘要】
1.一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，其特征在于，包括换能器本体(4)，所述的换能器本体(4)包括依次连接的后盖板(45)、压电陶瓷堆、前盖板(48)以及前端切割体(49)，所述的压电陶瓷堆采用压电陶瓷片(47)和电极片(46)交错压合而成，且压电陶瓷堆的两端均为电极片(46)，压电陶瓷片(47)的一端通过电极片(46)连接至正极引线(42)，另一端通过电极片(46)连接至负极引线(41)，正极引线(42)和负极引线(41)连接至激励源。2.根据权利要求1所述的一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，其特征在于，所述的压电陶瓷堆包括依次串联的第一电极片、第一压电陶瓷片、第二电极片、第二压电陶瓷片、第三电极片、第三压电陶瓷片、第四电极片、第四压电陶瓷片以及第五电极片，所述的第二电极片和第四电极片连接至正极引线(42)，第一电极片、第三电极片以及第五电极片连接至负极引线(41)。3.根据权利要求1所述的一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，其特征在于，所述前端切割体(49)是在圆柱壳体上沿周向以螺旋线轨迹开设三条螺旋槽而形成的弹簧形状。4.根据权利要求3所述的一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，其特征在于，三条螺旋槽的起点在平行于圆柱壳体底面的同一水平面上，且三条螺旋槽沿前端切割体(49)的侧面每隔120度以圆周阵列排布，三条螺旋槽的螺距相同，螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：张光斌，邓云云，张小凤，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61