一种基于气体弹簧的电磁吸力式水声换能器及控制方法技术

本发明专利技术提供一种基于气体弹簧的电磁吸力式水声换能器及控制方法，水声换能器包括筒体、与筒体内壁面滑动连接的辐射件、密封件，筒体、密封件、辐射件围成水密空间；水密空间内容纳有衔铁、导磁底座；导磁底座上绕设有驱动线圈；导磁底座和衔铁之间设置有气体弹簧。前段振动周期中，驱动电流产生电磁吸力拉动衔铁从初始平衡位置运动；后段振动周期中，主要依靠气体弹簧的作用将衔铁推回平衡位置。本发明专利技术中，在电磁吸力和气体弹簧的共同作用下，衔铁带动辐射件在初始平衡位置进行振动，其电磁推力大，振动幅度大，电—声能量转换效率高，可设计成大功率超低频高效率的换能器，实现小体积轻重量产生大功率超低频输出。

【技术实现步骤摘要】
一种基于气体弹簧的电磁吸力式水声换能器及控制方法
本专利技术涉及一种基于气体弹簧的电磁吸力式水声换能器，尤其涉及一种用于海洋探测的超低频大功率电磁式电声换能器装置。
技术介绍
现今的海洋探测主要依赖于声波，声波在海中的传播距离与频率密切相关，声波的频率越低在水中传播的距离就越远。目前使用的有源材料（压电陶瓷材料和磁致伸缩材料）为核心的低频大功率水声换能器工作频率多在300Hz以上频段，在水中衰减很大，能量传递效率很低。对于更低频段（如100Hz以下的超低频段）的应用需求，这些换能器尺寸重量将变得非常巨大，造价也很昂贵。而动圈式、爆炸式超低频声源又存在着功率小、辐射弱、不稳定、连续性不佳、可控性差等一系列问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是针对传统低频换能器尺寸大、功率小、辐射弱的问题，提供一种基于气体弹簧的电磁吸力式水声换能器。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于气体弹簧的电磁吸力式水声换能器，包括筒体、密封件、与筒体内壁面滑动连接且可沿筒体轴线方向滑动的辐射件，所述筒体、辐射件分别与密封件固定连接，所述筒体、密封件、辐射件围成水密空间；所述水密空间内容纳有固定于辐射件上的衔铁、在筒体轴线方向上与衔铁相对设置的导磁底座；所述导磁底座上绕设有驱动线圈；所述导磁底座和衔铁之间设置有气体弹簧。进一步地，所述筒体一端具有开口，所述辐射件设置于筒体一端的开口位置，所述导磁底座固定于与辐射件相对的筒体另一端的内底面上。进一步地，所述筒体包括与辐射件相对设置的重量块、固定设置在重量块上的筒状壳体，所述辐射件为轻质金属材料，所述导磁底座固定于重量块上，所述重量块、筒状壳体、密封件、辐射件依次连接从而围成所述水密空间。重量块可采用黄铜。辐射件可采用铝合金。通过将辐射件设置为轻质金属材料，使得辐射件更易于进行往复运动。通过设置重量块，使得筒体可以较为稳定的设置。进一步地，所述筒状壳体包括固定设置在重量块上的第一筒状结构和设置于第一筒状结构上的第二筒状结构，所述重量块、第一筒状结构、第二筒状结构、密封件、辐射件依次连接从而围成所述水密空间，所述第一筒状结构的内径小于第二筒状结构的内径，所述第一筒状结构的内腔与第二筒状结构的内腔相互连通；所述辐射件与第二筒状结构的内壁面滑动连接；所述第二筒状结构的内腔在筒体轴线方向上的深度大于辐射件在筒体轴线方向上的厚度。通过上述设置，使得辐射件仅在第二筒状结构内往复运动，实现对水面的拍击作用，而且可以限制辐射件的运动区域，避免辐射件过于靠近导磁底座。进一步地，所述筒体两端具有开口，所述辐射件包括分别设置于筒体两端开口位置的第一辐射件、第二辐射件，所述第一辐射件、第二辐射件分别与筒体内壁面滑动连接；所述第二辐射件、第一辐射件均可沿筒体轴线方向振动；所述衔铁包括固定于第一辐射件上的第一衔铁、固定于第二辐射件上的第二衔铁；所述水密空间内容纳有固定于筒体上的固定块，所述导磁底座包括分别安装在固定块两侧的第一导磁结构、第二导磁结构，所述驱动线圈包括分别绕设在第一导磁结构、第二导磁结构上的第一驱动线圈、第二驱动线圈；在筒体轴线方向上，所述第一导磁结构、第二导磁结构分别与第一衔铁、第二衔铁相对设置。通过上述设置，使得第一辐射件、第二辐射件均可以实现往复运动，实现对水面的拍击作用，增大换能效果。进一步地，所述筒体包括第一筒状结构、分别位于第一筒状结构两侧的第二筒状结构、第三筒状结构；所述第二筒状结构、第三筒状结构的内径均大于第一筒状结构的内径，所述第二筒状结构的内腔、第一筒状结构的内腔、第三筒状结构的内腔相互连通；所述第二辐射件、第三筒状结构、第一筒状结构、第二筒状结构、第一辐射件依次连接围成所述水密空间；所述第一辐射件与第二筒状结构的内壁面滑动连接；所述第二辐射件与第三筒状结构的内壁面滑动连接；所述第二筒状结构的内腔在筒体轴线方向上的深度大于第一辐射件在筒体轴线方向上的厚度；所述第三筒状结构的内腔在筒体轴线方向上的深度大于第二辐射件在筒体轴线方向上的厚度。通过上述设置，使得第一辐射件仅在第二筒状结构内往复运动，第二辐射件仅在第三筒状结构内往复运动，实现对水面的拍击作用，而且可以限制辐射件的运动区域，避免辐射件过于靠近导磁底座。进一步地，所述密封件为环状弹性密封结构；所述筒体外端面、辐射件外端面分别与环状弹性密封结构固定连接，或所述筒体内壁面、辐射件外端面分别与环状弹性密封结构固定连接，或所述筒体外端面、辐射件外壁面分别与环状弹性密封结构固定连接。申请人研究时发现，由于换能器需要拍击水，因此辐射件需与筒体相对运动，因此不易将辐射件、筒体密封。通过设置环状弹性密封结构，或者类似弹性较好、密封性好的材料，使得辐射件往复运动时，环状弹性密封结构伸缩，仍然可以保持辐射件与筒体的密封性能。进一步地，所述导磁底座为E形结构；所述E形结构的导磁底座具有位于中间的第一凸起部分和位于第一凸起部分两侧的第二凸起部分，所述驱动线圈绕设于导磁底座的第一凸起部分；所述导磁底座的各个凸起部分均朝向衔铁设置。通过将导磁底座设置为E形结构，使得装置稳定性更好，避免由于电磁力使得装置振动。进一步地，所述导磁底座或衔铁上设置有用于测量导磁底座和衔铁之间间隙的间隙传感器。进一步地，所述导磁底座上设置有用于测量流过驱动线圈的驱动电流的传感器。进一步地，所述水声换能器还包括用于向水密空间内充入压缩气体或将水密空间内的压缩气体抽出的压力调控装置，所述压力调控装置设置于筒体外部。压力调控装置可以调节空气弹簧的刚度，同时调整填充气体用以平衡静水压力。本专利技术还提供一种利用上述任一项所述的电磁吸力式水声换能器的控制方法，所述控制方法包括：流过驱动线圈的驱动电流的每个周期由第一时间段、第二时间段组成，所述驱动电流在第一时间段内的波形为正弦波的上半周或下半周，所述驱动电流在第二时间段内的电流值为0。本专利技术中，在第一时间段内，流过电流为正弦波的上半周或下半周，则导磁底座与辐射件产生电磁吸力拉动衔铁从初始平衡位置运动，在第二时间段内，驱动线圈不通电，依靠气体弹簧的作用将衔铁推回平衡位置，即被压缩的气体弹簧伸长将衔铁推回平衡位置。上述技术方案中，第一时间段、第二时间段的时间长度相等。本专利技术提出了一种基于气体弹簧的电磁吸力式水声换能器，由导磁底座、衔铁、驱动线圈，辐射件组成电磁振动结构，并在密闭间隙中填充气体，利用气体的刚度充当气体弹簧，在驱动电流作用下产生电磁力驱动振子结构，衔铁和辐射件在电磁力和气体弹簧的共同作用下，在平衡位置附近振动，辐射声波，其电磁力大，振动幅度大，避免了物理弹簧的储能作用，提高了电—声能量转换效率，可设计成大功率高效率的换能器，实现在超低频范围内以小体积轻重量产生大功率输出。附图说明图1是本专利技术的实施例的基于气体弹簧的电磁式水声换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于气体弹簧的电磁吸力式水声换能器，其特征在于，包括筒体、密封件（10）、与筒体内壁面滑动连接且可沿筒体轴线方向滑动的辐射件（8），所述筒体、辐射件（8）分别与密封件（10）固定连接，所述筒体、密封件（10）、辐射件（8）围成水密空间；/n所述水密空间内容纳有固定于辐射件（8）上的衔铁（6）、在筒体轴线方向上与衔铁（6）相对设置的导磁底座（1）；/n所述导磁底座（1）上绕设有驱动线圈（2）；/n所述导磁底座（1）和衔铁（6）之间设置有气体弹簧（9）。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于气体弹簧的电磁吸力式水声换能器，其特征在于，包括筒体、密封件（10）、与筒体内壁面滑动连接且可沿筒体轴线方向滑动的辐射件（8），所述筒体、辐射件（8）分别与密封件（10）固定连接，所述筒体、密封件（10）、辐射件（8）围成水密空间；
所述水密空间内容纳有固定于辐射件（8）上的衔铁（6）、在筒体轴线方向上与衔铁（6）相对设置的导磁底座（1）；
所述导磁底座（1）上绕设有驱动线圈（2）；
所述导磁底座（1）和衔铁（6）之间设置有气体弹簧（9）。


2.根据权利要求1所述的电磁吸力式水声换能器，其特征在于，所述筒体一端具有开口，所述辐射件（8）设置于筒体一端的开口位置，所述导磁底座（1）固定于与辐射件（8）相对的筒体另一端的内底面上；
优选地，所述筒体包括与辐射件（8）相对设置的重量块（4）、固定设置在重量块（4）上的筒状壳体（12），所述辐射件（8）为轻质金属材料，所述导磁底座（1）固定于重量块（4）上，所述重量块（4）、筒状壳体（12）、密封件（10）、辐射件（8）依次连接从而围成所述水密空间；
更优选地，所述筒状壳体（12）包括固定设置在重量块（4）上的第一筒状结构（121）和设置于第一筒状结构（121）上的第二筒状结构（122），所述重量块（4）、第一筒状结构（121）、第二筒状结构（122）、密封件（10）、辐射件（8）依次连接从而围成所述水密空间，所述第一筒状结构（121）的内径小于第二筒状结构（122）的内径，所述第一筒状结构（121）的内腔与第二筒状结构（122）的内腔相互连通；所述辐射件（8）与第二筒状结构（122）的内壁面滑动连接；所述第二筒状结构（122）的内腔在筒体轴线方向上的深度大于辐射件（8）在筒体轴线方向上的厚度。


3.根据权利要求1所述的电磁吸力式水声换能器，其特征在于，所述筒体两端具有开口，所述辐射件（8）包括分别设置于筒体两端开口位置的第一辐射件（81）、第二辐射件（82），所述第一辐射件（81）、第二辐射件（82）分别与筒体内壁面滑动连接；
所述第二辐射件（82）、第一辐射件（81）均可沿筒体轴线方向振动；
所述衔铁（6）包括固定于第一辐射件（81）上的第一衔铁（61）、固定于第二辐射件（82）上的第二衔铁（62）；
所述水密空间内容纳有固定于筒体上的固定块（15），所述导磁底座（1）包括分别安装在固定块（15）两侧的第一导磁结构（101）、第二导磁结构（102），所述驱动线圈（2）包括分别绕设在第一导磁结构（101）、第二导磁结构（102）上的第一驱动线圈（21）、第二驱动线圈（22）；
在筒体轴线方向上，所述第一导磁结构（101）、第二导磁结构（102）分别与第一衔铁（61）、第二衔铁（62）相对设置。


4.根据权利要求3所述的电磁吸力式水声换能...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鑫，李赟，汪柏松，杨明智，罗安，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43