本发明专利技术公开了一种流体动力式低频换能器及其设计方法，其中设计方法如下：步骤S01，构建流体动力式低频换能器的模型；步骤S02，根据流体动力式低频换能器的模型进行电声类比建模，得到一个电网络；步骤S03，对电网络中不同的构件进行试验，以确定其设计参数；步骤S04，根据设计参数制作流体动力式低频换能器的实体模型并进行试验，同时对电网络进行数值模拟，与实际试验数据进行比较；步骤S05，经过试验验证后，对流体动力式低频换能器的实体模型进行改进。利用本发明专利技术，可以实现低频工作频率可控可调，声源级准确预报的特点。声源级准确预报的特点。声源级准确预报的特点。
【技术实现步骤摘要】
一种流体动力式低频换能器及其设计方法
[0001]本专利技术属于水声信号与特征提取领域，尤其是涉及一种流体动力式低频换能器及其设计方法。
技术介绍
[0002]水下低频声源的应用需求非常广泛迫切，尤其是在目标的准确模拟上。但低频特征声源生成和控制是一项技术瓶颈，也是国内外相关领域极为关注的共性问题。流体动力式的声源可以产生较高的声强，同时还有较低频的宽频带，可以覆盖从几赫兹到几十赫兹的频带范围。同时还具有结构简单，耗电量小以及动力源方便提供的优点，实际应用中性价比较高，因此应用非常广泛。
[0003]如公开号为CN105391345A的中国专利文献公开了一种压电发电机流体动力声源激振方法，利用气流流过管道后气流产生的变化特性和声波在空腔、管孔内传播引起结构振动的特性，提供了一种新型的无活动零件的气流致声压电发电强制振动装置，具有机械自调制气流激发流体动力声源的非线性振动机械系统。
[0004]公开号为CN113450749A的中国专利文献公开了一种免负压源低频推挽调制流体声源系统，其包括流体动力源子系统和调制部件子系统。流体动力源子系统包括负压室、液体输送装置以及高压室，负压室、液体输送装置以及高压室通过管道依次连接。调制部件子系统包括驱动装置、转子装置以及定子装置，转子装置和定子装置相互贴合，转子装置对定子装置间歇性的导通。
[0005]不过，流体动力式声源涉及到的流体动力学是一个比较复杂的学科，对射流激发声波进行数学建模也非常困难，并且，流体动力式声源的声辐射理论模型还没有令人非常满意的结果，大部分的数学模型仅限于实验经验或者是工程应用中的模型。
[0006]因此，要拓展低频流体动力式声源的应用范围，需要进一步对流体动力声源声波的产生机理和特征开展深入的研究，建立一套声电类比的数学模型，并通过实验验证低频流体动力式声源的模型准确度。
技术实现思路
[0007]本专利技术提供了一种流体动力式低频换能器，使得声源的工作频率基本只取决于换向阀的切换频率，从而实现低频工作频率可控可调，声源级准确预报的特点。
[0008]一种流体动力式低频换能器，包括双向控制阀、液压缸和液压动力装置；所述的液压缸包括缸体和活塞，缸体在靠近两端的侧壁上分别设有第一流通孔和第二流通孔；所述缸体的两端密封，在靠近第二流通孔的端部外侧设有隔膜，所述活塞的活塞杆穿过缸体的端部后与隔膜连接；所述隔膜和缸体之间设有带气孔的空气腔；
[0009]所述的双向控制阀包括设置在腔体内部的滑阀，所述滑阀的一端与腔体外部的驱动机构连接，所述滑阀上设有第一阀芯和第二阀芯；所述的腔体内部设有五个通道，其中，第一通道与第二通道之间、第二通道和第三通道之间通过第一阀芯控制连通，第三通道与
第四通道之间、第四通道与第五通道之间通过第二阀芯控制连通；
[0010]所述第一通道在腔体内部与第五通道连通，所述的第二通道通过液压管与液压缸的第一流通孔连接，所述的第三通道通过液压管与液压动力装置的压力输出端连接，所述的第四通道通过液压管与液压缸的第二流通孔连接，所述的第五通道通过液压管与液压动力装置的储液端连接。
[0011]所述的液压动力装置包括储油罐、泵和蓄能器，所述的压力输出端设置在蓄能器上，所述的储液端设置在储油罐上。
[0012]进一步地，所述的第一阀芯上设有第三节流孔和第二节流孔，所述的第二阀芯上设有第一节流孔和第四节流孔；
[0013]所述的第三节流孔用于控制第一通道与第二通道之间的连通，所述的第二节流孔用于控制第二通道和第三通道之间的连通，所述的第一节流孔用于控制第三通道与第四通道之间的连通，所述的第四节流孔用于控制第四通道与第五通道之间的连通。
[0014]进一步地，所述的驱动机构采用低功率的电动震动台，用于驱动滑阀沿轴向来回滑动。
[0015]本专利技术还提供了上述流体动力式低频换能器的设计方法，包括以下步骤：
[0016]步骤S01，构建流体动力式低频换能器的模型；
[0017]步骤S02，根据流体动力式低频换能器的模型进行电声类比建模，得到一个电网络；
[0018]步骤S03，对电网络中不同的构件进行试验，以确定其设计参数；
[0019]步骤S04，根据设计参数制作流体动力式低频换能器的实体模型并进行试验，同时对电网络进行数值模拟，与实际试验数据进行比较；
[0020]步骤S05，经过试验验证后，对流体动力式低频换能器的实体模型进行改进。
[0021]步骤S02中，进行电声类比建模时，包含三组元件，分别为液压元件、机械元件和声学元件；
[0022]液压元件中，将泵建模为恒压源，将液压管建模为阻抗网络；随着缸体内两个分区的长度随时间变化，确定每个分区的耗散阻抗、惯性阻抗和柔度相关阻抗的关系；将节流孔的孔口尺寸建模为压控电流源；蓄能器有一个充氮的密封室和另一个充油的密封室，这两个腔室由一个光膜片隔开，两个腔室起弹簧一样的作用，整个蓄能器系统构建成RLC串联电路；根据油中含有空气和液压管的灵活性导致工作流体的有效体积模量降低，表示为相应的LC网络；
[0023]机械元件中，将以活塞和活塞杆的形式存在的往复质量表示为电感；将为隔膜提供回复力的弹簧表示为电容；将活塞在缸体内运动时的粘滞摩擦表示为电阻；将缸体与活塞间的库仑摩擦作为受控电流源，其方向总是与运动方向相反，因此被建模为符号函数；将隔膜后面的空气建模为一个并行的LC网络；
[0024]声学元件中，将整个换能器的辐射阻抗建模为串行RL网络；为桥接液压和机械元件，采用四节点变压器作为耦合元件。
[0025]步骤S03中，所述的设计参数包括双向控制阀的流量系数、液压缸中缸体、活塞和隔膜所涉及的摩擦力、隔膜刚度、管材的拉伸性能、油的密度和油的含气量。
[0026]步骤S04中，进行的试验包括：
[0027]步骤S041，采用激光位移传感器测量隔膜的位移；
[0028]步骤S042，使用加速计测量阀芯的加速度；
[0029]步骤S043，利用两个压力传感器测量双向控制阀前后的流体压力；
[0030]步骤S044，利用高速相机测量阀芯的位移；
[0031]步骤S045，利用水听器来测量发出的声信号，进行频谱分析后，确定工作频率范围，以及声源级大小，与模型预报的声源级进行对比，从而验证技术指标。
[0032]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0033]1、本专利技术中的流体动力式低频换能器具有低频工作频率可控可调，声源级准确预报的特点；通过复杂准确的流体动力式换能器电声类比建模，可以为今后的流体动力式低频换能器的建模和声源准确模拟提供参考和依据，拓展了流体动力式换能器的应用范围。
[0034]2、本专利技术的流体动力式低频换能器工作频率1Hz—100Hz，声源级预报与实测误差不大于3dB，对于水下低频声源的准确模拟和设计上具有现实的指导意义。
附图说明
[0035]图1为本专利技术流体动力本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种流体动力式低频换能器，其特征在于，包括双向控制阀、液压缸和液压动力装置；所述的液压缸包括缸体(101)和活塞(102)，缸体(101)在靠近两端的侧壁上分别设有第一流通孔(103)和第二流通孔(104)；所述缸体(101)的两端密封，在靠近第二流通孔(104)的端部外侧设有隔膜(105)，所述活塞(102)的活塞杆(106)穿过缸体(101)的端部后与隔膜(105)连接，所述的隔膜(105)和缸体(101)之间设有带气孔的空气腔(107)；所述的双向控制阀包括设置在腔体(201)内部的滑阀(202)，所述滑阀(202)的一端与腔体外部的驱动机构(301)连接，所述滑阀(202)上设有第一阀芯(203)和第二阀芯(204)；所述的腔体(201)内部设有五个通道，其中，第一通道(6)与第二通道(11)之间、第二通道(11)和第三通道(5)之间通过第一阀芯(203)控制连通，第三通道(5)与第四通道(10)之间、第四通道(10)与第五通道(7)之间通过第二阀芯(204)控制连通；所述第一通道(6)在腔体内部与第五通道(7)连通，所述的第二通道(11)通过液压管(P1)与液压缸的第一流通孔(103)连接，所述的第三通道(5)通过液压管(P2)与液压动力装置的压力输出端连接，所述的第四通道(10)通过液压管(P3)与液压缸的第二流通孔(104)连接，所述的第五通道(7)通过液压管(P4)与液压动力装置的储液端连接。2.根据权利要求1所述的流体动力式低频换能器，其特征在于，所述的液压动力装置包括储油罐(403)、泵(402)和蓄能器(401)，所述的压力输出端设置在蓄能器(401)上，所述的储液端设置在储油罐(403) 上。3.根据权利要求1所述的流体动力式低频换能器，其特征在于，所述的第一阀芯(203)上设有第三节流孔(3)和第二节流孔(2)，所述的第二阀芯(204)上设有第一节流孔(1)和第四节流孔(4)；所述的第三节流孔(3)用于控制第一通道(6)与第二通道(11)之间的连通，所述的第二节流孔(2)用于控制第二通道(11)和第三通道(5)之间的连通，所述的第一节流孔(1)用于控制第三通道(5)与第四通道(10)之间的连通，所述的第四节流孔(4)用于控制第四通道(10)与第五通道(7)之间的连通。4.根据权利要求1所述的流体动力式低频换能器，其特征在于，所述的驱动机构(301)采用低功率的电动震动台，用于驱动滑阀(202)沿轴向来回滑动。5.根据权利要求1～4任一所述的流体动力式低频换能器的设计方...
【专利技术属性】
技术研发人员：童威棋，杨帅，吴大转，曹琳琳，吴仪，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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