一种多模态宽带大功率指向性发射纵振水声换能器的制作方法

本发明涉及水声换能器领域，具体涉及一种多模态宽带大功率指向性发射纵振水声换能器。

背景技术：

纵振换能器，又称为tonpilz换能器，由于其结构简单、工作性能稳定，因此被广泛应用于水声换能器领域。换能器的发射工作带宽影响着主动声纳的整机性能，如回波的信息量、信号的传输速率、抗混响能力等。

主动声纳是向水中发射声波的设备，为了使声波能传播更远的距离，获得更好的发射效果，通常会采用多个水声换能器构成发射声基阵，实现大功率定向发射。主动声纳发射声基阵通常采用平面型、圆柱型声基阵，部分使用球型阵，纵振换能器是最常用的布阵单元，具有适装性好、布阵灵活等特点。

传统的纵振换能器大多是单一振动模态换能器，定向辐射能力强，但是响应频带普遍比较窄，难以实现宽带工作。要想增加换能器工作频带，只能通过叠加其他振动模态获得双谐振实现，通常可以选择叠加的拓展模态有前盖板弯曲振动模态、匹配层振动模态、双激励振动模态耦合、柔性环中质量块振动模态等。双模态双谐振技术是拓宽纵振换能器频带的重要技术，但是此类双模态纵振换能器在中低频段能够获得的宽带也是有限的，而且两个谐振模态的谐振点分布和幅值调节难度较大，两个谐振频率之间通常会出现响应凹点，导致发射响应起伏较大，通常在5db以上，响应凹点处电声效率低，声功率不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种多模态宽带大功率指向性发射纵振水声换能器，具有结构简单、使用方便、安全可靠的优势。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种多模态宽带大功率指向性发射纵振水声换能器，包括共振腔外壳、带柔性环纵振换能器振子、前盖板后去耦支撑结构、后盖板后去耦支撑结构和尾部密封端盖，所述共振腔外壳为上下敞口、内部贯通的筒状结构，其包括下圆筒，下圆筒上部直径收窄并向上延伸形成上圆筒；带柔性环纵振换能器振子包括带柔性环前盖板、压电陶瓷晶堆、后盖板和应力螺杆，带柔性环前盖板为下部喇叭形、上部设有一个圆环形空腔的结构，后盖板设于带柔性环前盖板上部，且在二者之间设有压电陶瓷晶堆，应力螺杆贯穿后盖板和压电陶瓷晶堆，且固定在带柔性环前盖板上部，用于对压电陶瓷晶堆施加预应力，并使带柔性环前盖板、压电陶瓷晶堆和后盖板三者同轴心；该带柔性环纵振换能器振子置入共振腔外壳的内腔，带柔性环前盖板下部与下圆筒的内壁接触密封，且下圆筒内壁与带柔性环前盖板上表面之间形成液腔共振区域，通过设于该液腔共振区域内的前盖板后去耦支撑结构进行液腔深度控制；带柔性环前盖板上部、压电陶瓷晶堆及后盖板伸入上圆筒内，三者通过设于上圆筒内的后盖板后去耦支撑结构固定定位于共振腔外壳的中心；上圆筒端部固装有尾部密封端盖将共振腔外壳密封，压电陶瓷晶堆与尾部密封端盖电连接。

作为优选的技术方案，所述共振腔外壳采用耐腐蚀性金属材料制成。

作为优选的技术方案，所述下圆筒下部向外扩展形成方形头。

作为优选的技术方案，所述带柔性环前盖板与下圆筒的内壁接触密封处沿圆周方向开有o型圈密封槽，用于嵌入安装o型密封圈a。

作为优选的技术方案，所述压电陶瓷晶堆由偶数片压电陶瓷元件、金属电极片和两端的压电陶瓷垫片相互粘接构成，压电陶瓷元件沿厚度方向极化，相邻的两片之间极化方向相反，通过金属电极片引出正负极输出导线，压电陶瓷垫片采用不极化的压电陶瓷元件实现电隔离。

作为优选的技术方案，所述应力螺杆的一端带有六角头凸台，固定在后盖板上；应力螺杆另一端带有螺纹，与带柔性环前盖板上部螺纹连接。

作为优选的技术方案，所述尾部密封端盖上设有水密连接器安装孔或者水密电缆硫化接口。

作为优选的技术方案，所述尾部密封端盖通过o型密封圈b与共振腔外壳密封。

作为优选的技术方案，所述尾部密封端盖采用耐腐蚀性金属材料制成。

本发明的有益效果为：

1.频带较宽，可以在中低频2.5～7.5hz范围内宽带发射；

2.工作频带内后向辐射小，单向辐射能力强；

3.结构尺寸可以根据实际工程需要加以调整，具备深水工作能力，适装性好、布阵灵活。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为共振腔外壳的结构示意图。

图3为带柔性环纵振换能器振子的结构示意图。

图4为带柔性环纵振换能器振子的发送响应曲线。

图5为本发明的发送响应曲线。

图6为本发明的各工作频率的指向性图。

附图标记说明：共振腔外壳1、上圆筒1-1、下圆筒1-2、方形头1-3、带柔性环前盖板2、压电陶瓷晶堆3、后盖板4、应力螺杆5、前盖板后去耦支撑结构6、后盖板后去耦支撑结构7、尾部密封端盖8、o型密封圈a9、o型密封圈b10。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

实施例：如附图1所示，这种多模态宽带大功率指向性发射纵振水声换能器，包括带柔性环纵振换能器振子、共振腔外壳1、前盖板后去耦支撑结构6、后盖板后去耦支撑结构7和尾部密封端盖8；带柔性环纵振换能器振子由一个带柔性环前盖板2、一个压电陶瓷晶堆3、一根应力螺杆5和一个后盖板4组成。

如图2所示，共振腔外壳1采用不锈钢或钛合金等耐腐蚀金属材料制成，共振腔外壳1为上下敞口、内部贯通的筒状结构，其包括下圆筒1-2，下圆筒1-2上部直径收窄并向上延伸形成上圆筒1-1，下圆筒1-2下部向外扩展形成方形头1-3，该方形头1-3具有一定的厚度，起金属反声障板作用，方形面大小配合换能器布阵要求，满足换能器成阵时的密排使用。

如图3所示，带柔性环前盖板2采用硬质铝合金材料等密度较小的金属材料制成，下端为大圆柱加小圆台的形状(喇叭状)，大圆柱端圆周方向制作o型圈密封槽用于置入o型密封圈a9，该大圆柱(带柔性环前盖板2)上表面与下圆筒1-2内壁之间形成液腔共振区域；柔性环部分是与圆台小端连接的圆环空腔结构，柔性环部分另一端是中心带螺纹孔的小圆柱盖板，可通过金属焊接或者将圆柱形金属材料掏空的方式实现，小圆柱盖板与压电陶瓷晶堆3的压电陶瓷垫片粘结，切削出与陶瓷晶堆直径相同的台阶，用于在于陶瓷晶堆粘结时定位，所述螺纹孔用来安装固定应力螺杆5。下圆筒1-2内径配合带柔性环前盖板2的o型密封圈a9形成独立的液腔区间，也可以通过聚氨酯或橡胶材料在下圆筒1-2内将带柔性环前盖板2包覆隔离，起到水密作用，防止液腔区间的液体进入带柔性环纵振换能器振子内部。

压电陶瓷晶堆3由偶数片压电陶瓷元件、金属电极片和两端的压电陶瓷垫片粘结构成，压电陶瓷元件厚度方向极化，相邻的两片之间极化方向相反，通过金属电极片引出正负极输出导线，压电陶瓷垫片采用不极化的压电陶瓷元件实现电隔离。

后盖板4采用钢等密度较大的金属材料制成，为带中心通孔的圆柱形结构，直径略小于上圆筒1-1的内径，后盖板4一端切削出与陶瓷晶堆直径相同的台阶，用于在于压电陶瓷晶堆3粘结时定位，后盖板4另一端预留与后盖板后去耦支撑结构7定位的台阶。

应力螺杆5为一端带螺纹一端带六角头凸台的金属杆，材料采用经过调制的高强度结构钢，应力螺杆5穿过后盖板4中心通孔和压电陶瓷晶堆3，应力螺杆5的螺纹端与带柔性环前盖板2的螺纹孔连接，对压电陶瓷晶堆3施加预应力，加力后要求带柔性环前盖板2、压电陶瓷晶堆3和后盖板4同轴心。

去耦支撑结构在带柔性环前盖板2和后盖板4后端各有一个，由非金属去耦材料制成，如硬质泡沫材料或软木橡胶材料，用来支撑固定带柔性环纵振换能器振子在共振腔外壳1中的位置。前盖板后去耦支撑结构6置于带柔性环前盖板2上表面与下圆筒1-2内壁之间形成液腔共振区域内，可限制带柔性环前盖板2深入共振腔外壳1的位置，用来定制带柔性环前盖板2与共振腔外壳1构成的液腔共振区域的液腔高度，调节液腔高度可以改变液腔谐振的频率位置和响应大小；后盖板后去耦支撑结构7置于上圆筒1-1内用于固定后盖板4在共振腔外壳1内部的距离，保证带柔性环纵振换能器振子安装后位于共振腔外壳1的中心，不会发生偏斜。

尾部密封端盖8采用不锈钢或钛合金等耐腐蚀金属材料制成，通过o型密封圈b10与共振腔外壳1(上圆筒1-1)的内径配合密封，并用螺栓固定在共振腔外壳1上部端面，使换能器具备深水工作特性。尾部密封端盖8与压电陶瓷晶堆3的正负极输出通过导线电连接，并用尾部密封端盖8上预留的水密连接器安装孔或者水密电缆硫化接口将电缆引出。

本发明的基本理论依据：利用液腔耦合原理，在圆柱形的纵振换能器前盖板前端设计一个方形圆筒结构的液体耦合腔，从而在双盖板纵振换能器的两个谐振之间会产生一个新的共振谐振峰，虽然该谐振会对两个纵振产生一定的影响，但是通过对耦合腔高度优化，可以平坦整体的发射电压响应。该耦合腔是在换能器的前盖板辐射表面外围增加一个方形圆筒金属壳体结构，并向后延伸成圆柱外壳包裹整个换能器形成整体，既提供拓展频带效果，又可以利用金属结构强度实现耐压能力，方形部分还起到金属反声障板的效果，使换能器具备深水性能和单向辐射能力。

参考附图4、5、6，本发明在工作机理上与经典纵振换能器和传统的janus换能器相比较其创新点包括：首先相比单模态和双模态纵振换能器，本发明换能器实现了多模态三谐振宽带工作；其次相比传统的janus换能器，本发明换能器具备纵振换能器特有的单向辐射特性，可以较好的适用于换能器基阵的成阵设计，互辐射影响小；三是耦合共振腔结构采用新型的方形圆孔结构，即可以作为液体耦合腔拓展带宽，还作为金属反声障板优化低频指向性，并向后延伸成圆柱外壳具备深水工作能力。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。