双活塞电磁式超低频水声换能器、安装方法及换能方法与流程

本发明属于水声换能器技术领域，尤其是涉及一种双活塞电磁式超低频水声换能器、安装方法及换能方法。

背景技术：

信息的传递，需要载体，在陆地上，可以通过无线电波实现信息的传递。但是，在海水中就不行，目前只有声波可以，声波在海洋中的传播性能非常好，传播衰减很小，完全适合人们的需要。利用水声换能器可以向外辐射声波，传统的水声探测技术主要集中在高频段和低频段，并且由于被动声呐自身的限制，并不能独立的实现潜艇探测的需要，所以，主动声呐已经成为了远距离探测目标、传递信息的重要方式。并且，根据任务的需要，声呐的工作频率也逐渐下降，有的甚至已经小于100hz，到了超低频，因此对于超低频大功率换能器的研究十分重要。

能够实现超低频大功率辐射的水声换能器种类很多。例如：亥姆赫兹超低频换能器，工作频率为40hz，最大声源级为196db，重量为2800kg；hx-554型弯曲振动超低频换能器，换能器总长为2.05m，直径0.94m，工作频率为75hz，最大声源级为193db，空气中质量约2300kg；电动式换能器也可以实现超低频大功率发射，j15型电动式换能器工作频率为30hz-900hz，发射电流响应为157db，质量为145kg；j15-3型电动式换能器，工作频率为20hz-600hz，最大声源级为180db，质量为339kg，uw350型电动式换能器，工作频率为20hz-20khz，平均声源级为165db，最大尺寸为935mm，质量约为100kg；uw600型电动式换能器，工作频率为4hz-1000hz，声源级最大可达188db，换能器总长为1470mm，质量为1070kg；一种低频大功率iv型弯张换能器，最低发射频率为100hz，声源级超过190db，换能器长1.1米，质量为156kg。

虽然现在可以采用多种方式实现换能器超低频大功率发射，但却存在一个问题，那就是换能器体积大，质量重，以往大多数类型的超低频大功率换能器都或多或少的存在体积大、质量重、不方便携带等缺点，并且传统的单面活塞电磁式换能器虽然工作频率低，但其发送电压响应也比较低，不能满足实际工作中对大功率的要求，如何实现超低频大功率发射，并且体积小、质量轻，这个问题长期困扰着人们。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种双活塞电磁式超低频水声换能器、安装方法及换能方法，水声换能器具有转换效率高、能量消耗少、体积小、质量轻、超低频、大功率、结构简单等特点。可应用于远距离信息传递、超低频水声实验、海底资源探测及海洋捕捞等。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种双活塞电磁式超低频水声换能器，包括上下开口的水密壳体、壳体上压板、壳体下压板、上辐射面、下辐射面、上辐射面压板、下辐射面压板、电磁驱动机构、上弹簧组、下弹簧组、上水密橡胶和下水密橡胶，所述的上辐射面和下辐射面分别设置在水密壳体的上下开口中心处，所述的电磁驱动机构、上弹簧组和下弹簧组均设置在水密壳体内，所述的电磁驱动机构设置在水密壳体中心处，所述上弹簧组和下弹簧组对称设置在水密壳体的边缘处，所述的电磁驱动机构驱动上辐射面和下辐射面同步回缩动作，所述的上弹簧组和下弹簧组分别带动上辐射面和下辐射面的反弹动作；

所述的壳体上压板和水密壳体的上端面之间压紧上水密橡胶的外侧，所述的上辐射面压板和上辐射面之间压紧上水密橡胶的内侧，所述的壳体下压板和水密壳体的下端面之间压紧下水密橡胶的外侧，所述的下辐射面压板和下辐射面之间压紧下水密橡胶的内侧。

进一步的，所述电磁驱动机构包括u型上铁芯和u型下铁芯，所述的u型上铁芯和u型下铁芯的u型开口正对设置，在每个铁芯的u型开口的两端各缠绕一个线圈，四个线圈串联，所述的u型上铁芯和u型下铁芯之间设有气隙，所述的上辐射面和下辐射面均通过一铁芯固定件分别与u型上铁芯和u型下铁芯固定连接。

进一步的，所述的上弹簧组和下弹簧组的结构相同，均包括均匀排列在水密壳体边缘的若干个弹簧，每个弹簧的外端均通过第一弹簧固定件与各自侧的辐射面固定连接，每个弹簧的内端均固定在水密壳体内部的钢板上。

进一步的，所述水密壳体的上下端部均开有“o”型密封槽，所述上辐射面和下辐射面上也均开有“o”型密封槽，所述上水密橡胶和下水密橡胶的内外两侧均加工有半圆形凸起，所有的半圆形凸起与相应位置处的“o”型密封槽配合。

进一步的，所述壳体上压板和上辐射面压板的下表面均开设有容纳上水密橡胶的“l”型缺口，所述壳体下压板和下辐射面压板的上表面均开设有容纳下水密橡胶的“l”型缺口。

进一步的，所述上辐射面和下辐射面与各自侧的铁芯固定件之间通过水密螺丝连接。

进一步的，所有铁芯均采用dt4c电工纯铁制作，在每个铁芯的封闭端面左右各延伸出一连接沿，所述的连接沿与铁芯固定件上的凹槽相配合，且连接沿的长度略小于铁芯固定件上的凹槽的深度，在所有的连接沿上均开设有多个用于与铁芯固定件连接用的螺纹孔；在铁芯的封闭端面和与封闭端面垂直的两个侧面上均开设有多个切缝，且两个侧面上的切缝相同布置，封闭端上的切缝与侧面上的切缝交错布置。

进一步的，所述水密壳体为空心圆柱结构，在水密壳体的外部设有水密电缆头、壳体气体密封件和吊环。

本发明的另一目的是提供一种双活塞电磁式超低频水声换能器的安装方法，包括以下步骤：

步骤一、在水密壳体内安装上弹簧组和下弹簧组：将上弹簧组里的每个弹簧和下弹簧组里的每个弹簧固定在水密壳体内部的钢板上；

步骤二、每个铁芯上绕两个线圈，将两个铁芯上的四个线圈串联连接，再用导线引出线圈正负极与水密电缆头焊接在一起；

步骤三、先将u型上铁芯和u型下铁芯分别固定在一铁芯固定件上，然后用水密螺丝将u型上铁芯的铁芯固定件与上辐射面连接，将u型下铁芯的铁芯固定件与下辐射面连接，再将上辐射面与上弹簧组的每个弹簧外侧的第一弹簧固定件连接，将下辐射面与下弹簧组的每个弹簧外侧的第一弹簧固定件连接；

步骤四：先将上水密橡胶放入水密壳体上端的“o”型密封槽和上辐射面上的“o”型密封槽内，再放上壳体上压板和上辐射面压板压紧上水密橡胶，然后将下水密橡胶放入水密壳体下端的“o”型密封槽和下辐射面上的“o”型密封槽内，再放上壳体下压板和下辐射面压板压紧下水密橡胶，形成换能器整体外结构，最后对上、下水密橡胶施加预应力，实现水密。

一种双活塞电磁式超低频水声换能器的换能方法，包括以下步骤：通过电缆对线圈施加交变电流，u型上铁芯、中间的气隙、u型下铁芯、线圈构成一个完整的闭合磁路，在交变电流的激励下，在中间的气隙处产生了磁场与磁通量，这样在u型上铁芯与u型下铁芯之间形成了一个电磁吸力，上下两铁芯受到的电磁吸力大小相等、方向相反，在电磁力和弹簧的共同作用下，上、下铁芯均同步上下往复振动，带动上、下辐射面与水介质接触，向外辐射声波。

相对于现有技术，本发明所述的双活塞电磁式超低频水声换能器具有以下优势：

本发明所述的双活塞电磁式超低频水声换能器，

1、双面活塞可以同时向两侧辐射，增大了换能器的辐射面积，提高了换能器的辐射效率和辐射功率；

2、活塞辐射面半径尺寸的选取，符合声源级对最优半径的要求，提高了换能器的工作效率和辐射能力；

3、铁芯使用dt4c电工纯铁，采用上下交错式切缝处理，有效的减少了涡流损耗，提高了电磁力，并且纯铁相对于硅钢片，成本低、制作简单方便；

4、线圈采用氟塑料高温导线缠绕而成，四个线圈串联连接，有利于产生均匀磁场，导线线径2mm，四个线圈和粗导线都有利于线圈及时散热，延长换能器工作时间；

5、换能器水中工作的谐振频率为53hz，属于超低频声波，符合超低频声源；

6、该换能器通过电缆对线圈施加交变电流，u型上铁芯、中间的气隙、u型下铁芯、线圈构成一个完整的闭合磁路，在交变电流的激励下，在中间的气隙处产生了磁场与磁通量，这样在u型上铁芯与u型下铁芯之间形成了一个电磁吸力，上下两铁芯受到的电磁吸力大小相等、方向相反，弹簧由于电磁吸力的变化周期性的蓄能和释放，在电磁力和弹簧的共同作用下，上、下铁芯均同步上下往复振动，带动上、下辐射面与水介质接触，向外辐射声波，该换能器发射能力强，功率大，声源级可达190db以上；

7、换能器本身带有充气阀，可以外接充气装置，可以满足水下300m深度工作需求，既可以满足实验室、湖泊与海洋等静态方式使用，也可以满足湖泊与海洋动态方式试验，如放置在拖曳平台上；

8、外形尺寸为φ576*178mm，空气中的质量为75kg，具有体积小、重量轻的特点，便于安装、携带和使用。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的双活塞电磁式超低频水声换能器的结构示意图；

图2为切开水密壳体后的双活塞电磁式超低频水声换能器内部结构示意图；

图3为本发明实施例所述的双活塞电磁式超低频水声换能器的上侧活塞辐射面的结构示意图；

图4为本发明实施例所述的双活塞电磁式超低频水声换能器的u型上铁芯的结构示意图。

附图标记说明：

1-水密壳体，2-环形钢板，3-弹簧，4-气隙，5-u型上铁芯，6-上水密橡胶，7-壳体上压板，8-上辐射面压板，9-上辐射面，10-水密螺丝，11-壳体下压板，12-下水密橡胶，13-铁芯固定件，14-下辐射面，15-u型下铁芯，16-线圈，17-下辐射面压板，18-吊环，19-水密电缆头，20-壳体气体密封件，21-螺纹孔，22-切缝，23-第一弹簧固定件，24-第二弹簧固定件，25-第三弹簧固定件，26-连接沿。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图4所示，双活塞电磁式超低频水声换能器，包括上下开口的水密壳体1、壳体上压板7、壳体下压板11、上辐射面9、下辐射面14、上辐射面压板8、下辐射面压板17、电磁驱动机构、上弹簧组、下弹簧组、上水密橡胶6和下水密橡胶12，所述的上辐射面9和下辐射面14分别设置在水密壳体1的上下开口中心处，所述的电磁驱动机构、上弹簧组和下弹簧组均设置在水密壳体1内，所述的电磁驱动机构设置在水密壳体1中心处，所述上弹簧组和下弹簧组对称设置在水密壳体1的边缘处，所述的电磁驱动机构驱动上辐射面9和下辐射面14同步回缩动作，所述的上弹簧组和下弹簧组分别带动上辐射面9和下辐射面14的反弹动作；

所述的壳体上压板7和水密壳体1的上端面之间压紧上水密橡胶6的外侧，所述的上辐射面压板8和上辐射面9之间压紧上水密橡胶6的内侧，所述的壳体下压板11和水密壳体1的下端面之间压紧下水密橡胶12的外侧，所述的下辐射面压板17和下辐射面14之间压紧下水密橡胶12的内侧。

电磁驱动机构包括u型上铁芯5和u型下铁芯15，所述的u型上铁芯5和u型下铁芯15的u型开口正对设置，在每个铁芯的u型开口的两端各缠绕一个线圈16，四个线圈串联，所述的u型上铁芯5和u型下铁芯15之间设有气隙4，所述的上辐射面9和下辐射面14均通过一铁芯固定件13分别与u型上铁芯5和u型下铁芯15固定连接。

上弹簧组和下弹簧组的结构相同，均包括均匀排列在水密壳体1边缘的若干个弹簧3，每个弹簧3的外端均通过第一弹簧固定件23与各自侧的辐射面固定连接，每个弹簧3的内端均固定在水密壳体1内部的钢板上。弹簧3采用圆柱螺旋弹簧，材料为65mn，上下两端都经过磨平处理。

水密壳体1的上下端部均开有“o”型密封槽，所述上辐射面9和下辐射面14上也均开有“o”型密封槽，所述上水密橡胶6和下水密橡胶12的内外两侧均加工有半圆形凸起，所有的半圆形凸起与相应位置处的“o”型密封槽配合。水密橡胶是具有一定硬度、耐渗水的绝缘脂灌封而成，绝缘脂一侧加工有两个半圆形凸起，其外结构轮廓与水密壳体压板缺口处外侧尺寸相同，上下表面平整光滑，与水密壳体上下端面及压板表面完全接触，保证水密。

壳体上压板7和上辐射面压板8的下表面均开设有容纳上水密橡胶6的“l”型缺口，所述壳体下压板11和下辐射面压板17的上表面均开设有容纳下水密橡胶12的“l”型缺口。

上辐射面9和下辐射面14与各自侧的铁芯固定件13之间通过水密螺丝10连接，水密螺丝10内端面带有“o”形凹槽，工作时，凹槽内放置“o”形橡胶圈，橡胶圈的内径略小于凹槽内径。

水密壳体1、壳体上压板7、壳体下压板11采用54号钢制作，上辐射面9、上辐射面压板8、下辐射面14、下辐射面压板17、所有弹簧固定件、铁芯固定件均采用7075硬铝制作，铁芯采用dt4c电工纯铁制作。

在每个铁芯的封闭端面左右各延伸出一连接沿26，所述的连接沿26与铁芯固定件13上的凹槽相配合，且连接沿26的长度略小于铁芯固定件13上的凹槽的深度，在所有的连接沿26上均开设有多个用于与铁芯固定件13连接用的螺纹孔21；在铁芯的封闭端面和与封闭端面垂直的两个侧面上均开设有多个切缝22，且两个侧面上的切缝22相同布置，封闭端上的切缝22与侧面上的切缝22交错布置，采用上下交错式切缝处理，有效的减少了涡流损耗，提高了电磁力。

水密壳体1为空心圆柱结构，在水密壳体1的外部设有壳体气体密封件20和吊环18。壳体气体密封件20由一个水密堵头和一个充气接头组成；所述的充气接头，当与充气装置连接时，可实现对换能器内部气体加压，当不充气时，可以实现换能器内部气体减压；所述水密堵头，用于承担换能器内部的气体保持和对换能器的水密；换能器工作时，横置在水中一定深度处，通过水密电缆与功率放大器相连。两个吊环18组成吊放装置，方便绳索连接。

水密壳体一侧上分别加工有水密电缆头19和充气接头对应螺纹孔，水密电缆头与水密壳体通过螺纹孔连接，并通过o形圈保证水密，用导线引出驱动线圈16的正负极并与水密电缆头焊接；需要加压充气时，将充气接头一端拧在水密壳体上，一端接充气装置，不需要充气时，可以使用带有密封圈的水密堵头拧死。

一种双活塞电磁式超低频水声换能器的安装方法，包括以下步骤：

步骤一、在水密壳体1内安装上弹簧组和下弹簧组：将上弹簧组里的每个弹簧3和下弹簧组里的每个弹簧3固定在水密壳体1内部的环形钢板2上，上弹簧组里的每个弹簧的外端拧在一个第一弹簧固定件23上，内端拧在第二弹簧固定件24上，而下弹簧组里的每个弹簧外端拧在一个第一弹簧固定件23上，内端拧在第三弹簧固定件25，将第三弹簧固定件25和第二弹簧固定件24穿过水密壳体1中间的环形钢板2的通孔连接，第一弹簧固定件23和第三弹簧固定件25均具有直螺杆，第二弹簧固定件24具有内螺纹孔；

步骤二、每个铁芯上绕两个线圈16，将两个铁芯上的四个线圈串联连接，再用导线引出线圈正负极与水密壳体1外部的水密电缆头19焊接在一起，水密电缆头19与电缆相连用于对线圈16的供电；

步骤三、用内嵌式螺杆先将u型上铁芯5和u型下铁芯15分别固定在一铁芯固定件13上，然后用水密螺丝10和螺母将u型上铁芯5的铁芯固定件与上辐射面9连接，将u型下铁芯15的铁芯固定件与下辐射面14连接，再将上辐射面9与上弹簧组的每个弹簧5外侧的第一弹簧固定件23连接，将下辐射面14与下弹簧组的每个弹簧5外侧的第一弹簧固定件23连接，上下辐射面放入水密壳体1中时，需要保证辐射面圆周方向的通孔与第一弹簧固定件23上的直螺杆对齐，依次放上弹簧固定件垫片，并用螺母拧紧；

步骤四：先将上水密橡胶6放入水密壳体1上端的“o”型密封槽和上辐射面9上的“o”型密封槽内，调整上水密橡胶6与金属表面完全接触，再放上壳体上压板7和上辐射面压板8，用连接螺杆穿过上壳体上压板7和上辐射面压板8的通孔用螺母拧紧压紧上水密橡胶6，然后将下水密橡胶12放入水密壳体1下端的“o”型密封槽和下辐射面14上的“o”型密封槽内，调整下水密橡胶12与金属表面完全接触，再放上壳体下压板11和下辐射面压板17，用连接螺杆穿过壳体下压板11和下辐射面压板17的通孔用螺母拧紧压紧下水密橡胶12，形成换能器整体外结构，最后对上下水密橡胶施加预应力，实现水密。

一种双活塞电磁式超低频水声换能器的换能方法，包括以下步骤：通过电缆对线圈16施加交变电流，u型上铁芯5、中间的气隙4、u型下铁芯15、线圈16构成一个完整的闭合磁路，在交变电流的激励下，在中间的气隙处产生了磁场与磁通量，这样在u型上铁芯5与u型下铁芯15之间形成了一个电磁吸力，上下两铁芯受到的电磁吸力大小相等、方向相反；在电磁力和弹簧3的共同作用下，上、下铁芯均同步上下往复振动，带动上、下辐射面与水介质接触，向外辐射声波。

本发明因为采用双活塞结构形式，并且活塞的大小满足最优半径的条件，两个活塞做完全对称的“活塞式”辐射振动，他们振速大小相等方向相反，在它高度方向上的中间位置处有一个节平面，在这个节平面上，声压连续，振速为零，这就相当于实现了理想中的尾质量无限大和超低频无限大刚性障板条件。由于具有无限大刚性障板因此换能器的声辐射阻比传统的单活塞超低频换能器大4倍，所以在相同电磁力和活塞面振动位移相同的情况下，换能器的辐射声功率将提高4倍，实现了换能器大功率辐射。双活塞电磁式结构为电磁式换能器进一步实现超低频、大功率特性提供了新的方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。