一种水下软气动声源及制备方法、带有该声源的发声装置

本发明涉及水下发声装置领域，具体指有一种水下软气动声源及制备方法、带有该声源的发声装置。

背景技术：

由于低频率的声波在海洋探测中衰减不严重，因此可利用低频声信号作为水下目标进行远程探测。然而，低频声源的尺寸却是技术攻关的主要方向，其对于水下声源设备小型化、低频化的研究具有重要意义。现有的刚性水声换能器性能有限，主要由于以下几个方面的原因造成：一、刚性器件的声阻抗与水的声阻抗差异较大，阻抗失配导致声透射率降低；二、声源尺寸与水下激发声波波长相近，导致低频水声换能器的尺寸较大，不易制造与携带；三、刚性特性决定了该器件很难通过拉伸等操作达到可调的目的。

针对上述的现有技术存在的问题设计一种水下软气动声源及制备方法、带有该声源的发声装置是本发明研究的目的。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种水下软气动声源及制备方法、带有该声源的发声装置，能够有效解决上述现有技术存在的问题。

本发明的技术方案是：

一种水下软气动声源，包含：

基座，所述基座为中空的腔体结构，所述基底为硬材质制成；

一组软弹性体，分别填充设置于所述基座的左半部分和右半部分，所述软弹性体之间的间距从下往上依次缩减，所述软弹性体的最上端为平面结构，一组所述软弹性体的上端面之间间隙设置，所述软弹性体为实心结构；

进气口，设置于所述基座的底端中心处；

出气口，设置于所述基座的顶端。

进一步地，所述软弹性体为多层结构。

进一步地，所述软弹性体包含固接于所述基座的主体层，以及包覆于所述主体层外表面的固有层，以及涂覆于所述固有层外表面的粘膜上皮层。

进一步地，所述主体层的截面为直角梯形，所述直角梯形的下底设置于所述基座；所述固有层包覆于所述主体层外表面，并且所述固有层对应所述直角梯形的上底的端面为弧形结构，所述直角梯形的底角为40-60°。

进一步地，所述固有层对应所述直角梯形的腰的端面的厚度为0.5-1.5mm，所述固有层对应所述直角梯形的上底的端面的厚度为1-2mm。

进一步地，所述主体层的杨氏模量大于所述固有层的杨氏模量、所述粘膜上皮层的杨氏模量大于所述固有层的杨氏模量、所述主体层的杨氏模量大于所述粘膜上皮层的杨氏模量。

进一步地，所述主体层由硅胶和稀释剂按2：0.8-1.2制成，所述固有层由硅胶和稀释剂按2：2.8-3.2制成，所述粘膜上皮层由硅胶和稀释剂按2：2.8-3.2制成。

进一步地，一组所述软弹性体的上端面之间的间隙距离为2-4mm。

进一步提供一种水下软气动声源的制备方法，包含以下步骤：

s1，将硅胶和稀释剂按2：0.8-1.2制成的浆体导入第一模具的主体层槽中，在温度50-70℃持续加热40-50分钟，固化得到主体层；

s2，将硅胶和稀释剂按2：0.8-1.2制成的浆体导入第一模具的基座槽中，所述基座槽连通所述主体层槽，在温度50-70℃持续加热40-50分钟，固化得到主体层和基座固接在一起的第一半成品；

s3，将硅胶和稀释剂按2：2.8-3.2制成的浆体导入第二模具的固有层槽中，将s2得到的第一半成品缓慢放入第二模具，使浆体覆盖在主体层的外表面，在温度50-70℃持续加热110-130分钟，固化得到基座、主体层、固有层固接在一起的第二半成品；

s4，将硅胶和稀释剂按2：2.8-3.2制成浆体并涂覆在第二半成品的表面，在温度50-70℃持续加热40-50分钟，固化得到带有基座的软弹性体；

s5，将一组软弹性体间隙设置放入带有进气口和出气口的腔体中。

进一步提供一种发声装置，所述发声装置包含：依气路依次连接的气泵、气压调节腔、上述的声源，所述声源设置于水中，且所述声源的上端面高于水面。

因此，本发明提供以下的效果和/或优点：

本发明提供的软气动声源，利用气-结构-声耦合机理，模拟哺乳动物喉部发声，通过基座、一组软弹性体、进气口、出气口组成类似哺乳动物声带的结构，气流通过软弹性体2时，由于软弹性体之间的间隙沿着气路逐渐减小，并且软弹性体是突出的形状，因此空气在基座内部的流速从下往上逐渐增加。根据伯努利原理，气流在两个软弹性体的最顶端产生压强差，使得两个软弹性体闭合并碰撞，同时切断气流。气路关闭后，下面的空气压力迫使软弹性体重新分离并释放气流。在空气流动的作用下软弹性体重复上述过程，产生周期性的振动，从而通过基座向水中辐射声能。

本发明提供的软气动声源，软弹性体为多层结构并且其各个层的大小、厚度、形状等均仿生哺乳动物的喉部，同时通过其硅胶和稀释剂的配比，具有与人工声带的三层结构具有相似的机械阻抗，有利于振动的传递。

本发明提供的软气动声源的基座提供了合成声带与水之间的阻抗匹配层，增强了声能量向水中的传输。

本发明提供的软气动声源具有尺寸远小于其他刚性水声换能器，实现了小型化、低频化的技术难点；体积小巧，实现简单，使用方便且成本低廉。

应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的截面示意图。

图3-6为本发明的结构示意图。

图7为实施例一的使用状态图。

图8-10为实施例一的实验数据图。

图11为第一模具的结构示意图。

图12为第二模具的结构示意图。

图13为实施例五的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：

参考图1-2，一种水下软气动声源，包含：

基座1，所述基座1为中空的腔体结构，所述基底1为硬材质制成；

一组软弹性体2，分别填充设置于所述基座1的左半部分和右半部分，所述软弹性体2之间的间距从下往上依次缩减，所述软弹性体2的最上端为平面结构，一组所述软弹性体2的上端面之间间隙设置，所述软弹性体2为实心结构；

进气口3，设置于所述基座1的底端中心处，因此气流是吹向软弹性体2中间的间隙；

出气口4，设置于所述基座1的顶端。本实施例中，基座1的顶端为开口状，开口状同时也作为出气口4，在其他实施例中，出气口4也可以是其他设置。

进一步地，所述软弹性体2为多层结构。所述软弹性体2包含固接于所述基座1的主体层201，以及包覆于所述主体层201外表面的固有层202，以及涂覆于所述固有层202外表面的粘膜上皮层203。所述主体层201的截面为直角梯形，所述直角梯形的下底设置于所述基座1；所述固有层202包覆于所述主体层201外表面，并且所述固有层202对应所述直角梯形的上底的端面为弧形结构，所述直角梯形的底角为40-60°。

进一步地，所述固有层对应所述直角梯形的腰的端面的厚度为0.5-1.5mm，所述固有层对应所述直角梯形的上底的端面的厚度为1-2mm。

定义主体层201的底角为a，定义主体层201的腰高为d2，定义所述固有层对应所述直角梯形的腰的端面的厚度为d1，定义固有层202的宽度为d3；。

本实施例中，底角a为50°，在其他实施例中，底角a也可以是40°或者60°；

腰高d2为10mm，所述固有层对应所述直角梯形的腰的端面的厚度d1为1mm，在其他实施例中，厚度d1也可以是0.5mm或1.5mm；

固有层202的宽度d3为11.5mm，从而所述固有层对应所述直角梯形的上底的端面的厚度为1.5mm，在其他实施例中，宽度d3也可以为11mm或12mm，对应的所述固有层对应所述直角梯形的上底的端面的厚度为1mm或2mm。

进一步地，一组所述软弹性体的上端面之间的间隙距离为2-4mm。定义间隙距离为d4，本实施例中，间隙距离d4为3mm，在其他实施例中，间隙距离d4也可以为2mm或者4mm。

进一步地，所述主体层201的杨氏模量大于所述固有层202的杨氏模量、所述粘膜上皮层203的杨氏模量大于所述固有层202的杨氏模量、所述主体层201的杨氏模量大于所述粘膜上皮层203的杨氏模量。

进一步地，所述主体层201由硅胶和稀释剂按2：0.8-1.2制成，所述固有层202由硅胶和稀释剂按2：2.8-3.2制成，所述粘膜上皮层203由硅胶和稀释剂按2：2.8-3.2制成。

工作原理：

本实施例中，所述主体层201的杨氏模量大于所述固有层202的杨氏模量、所述粘膜上皮层203的杨氏模量大于所述固有层202的杨氏模量、所述主体层201的杨氏模量大于所述粘膜上皮层203的杨氏模量。主体层201杨氏模量最大，截面也最大，其拉升形变也最大，为单个软弹性体2提供了形变的基础；固有层202的厚度相对于主体层201的厚度较小，粘膜上皮层203的厚度更小，仅为毫米级别涂覆在固有层202的表面，通过固有层202和粘膜上皮层203的设置，软弹性体2的固有层202和粘膜上皮层的杨氏模量先降低再提高，为软弹性体2的撞击提供较为坚硬的外层基础，同时，本实施例对空气中撞击这样的环境做出了优化，通过略微提高粘膜上皮层203的杨氏模量来提高软弹性体2的整体寿命。

本实施例利用气-结构-声耦合机理，模拟哺乳动物喉部发声，通过基座1、一组软弹性体2、进气口3、出气口4组成类似哺乳动物声带的结构，参考图3，气流通过软弹性体2时，由于软弹性体2之间的间隙沿着气路逐渐减小，并且软弹性体2是突出的形状，因此空气在基座内部的流速从下往上逐渐增加。参考图4，根据伯努利原理，气流在两个软弹性体2的最顶端产生压强差，使得两个软弹性体2闭合并碰撞，同时切断气流。参考图5，气路关闭后，下面的空气压力迫使软弹性体2重新分离并释放气流。参考图6，在空气流动的作用下软弹性体2重复上述过程，产生周期性的振动，从而通过基座1向水中辐射声能。

实验数据

参考图7，利用实施例一所述的软气动声源进行水下发声实验，水箱为消声水箱，长1.5m、宽1.5m、高1m，进气口连接气泵，温度控制在25-30℃之间，相对湿度为95％。

通过单一地控制声门压力pa、软弹性体的拉伸倍数，由高速摄影仪记录声源振动图像，水听器距离声源0.1m，记录水下声信号。

参考图7，软弹性体因气流的作用从而产生振动，并向水下辐射声能。

图8为声门压力pa＝10cmh2o、拉伸倍数ε＝0时声信号波形图。

图9为声门压力pa＝20cmh2o、拉伸倍数ε＝0时声信号波形图。

图10为声门压力pa＝20cmh2o、拉伸倍数ε＝0.2时声信号波形图。

从图8-9可知，本实施例可以在水下稳定地产生低频声波。

实施例二

一种水下软气动声源的制备方法，包含以下步骤：

s1，将ecoflex00-30的parta、partb和siliconethinner按重量以1:1:0.8制成的浆体导入第一模具的主体层槽中，在温度50持续加热50分钟，固化得到主体层；

s2，将dragonskin30的parta、partb和siliconethinner按重量以1:1：0.8制成的浆体导入第一模具的基座槽中，所述基座槽连通所述主体层槽，在温度50℃持续加热50分钟，固化得到主体层和基座固接在一起的第一半成品；

s3，将ecoflex00-30的parta、partb和siliconethinner按重量以1:1:2.8制成的浆体导入第二模具的固有层槽中，将s2得到的第一半成品缓慢放入第二模具，使浆体覆盖在主体层的外表面，在温度50℃持续加热130分钟，固化得到基座、主体层、固有层固接在一起的第二半成品；

s4，将dragonskin30的parta、partb和siliconethinner按重量以1:1:2.8制成浆体并涂覆在第二半成品的表面，在温度50℃持续加热50分钟，固化得到带有基座的软弹性体；

s5，将一组软弹性体间隙设置放入带有进气口和出气口的腔体中。

实施例三

一种水下软气动声源的制备方法，包含以下步骤：

s1，将ecoflex00-30的parta、partb和siliconethinner按重量以1:1:1制成的浆体导入第一模具的主体层槽中，在温度50-70℃持续加热40-50分钟，固化得到主体层；

s2，将dragonskin30的parta、partb和siliconethinner按重量以1:1：1制成的浆体导入第一模具的基座槽中，所述基座槽连通所述主体层槽，在温度60℃持续加热45分钟，固化得到主体层和基座固接在一起的第一半成品；

s3，将ecoflex00-30的parta、partb和siliconethinner按重量以1:1:3制成的浆体导入第二模具的固有层槽中，将s2得到的第一半成品缓慢放入第二模具，使浆体覆盖在主体层的外表面，在温度60℃持续加热120分钟，固化得到基座、主体层、固有层固接在一起的第二半成品；

s4，将dragonskin30的parta、partb和siliconethinner按重量以1:1:3制成浆体并涂覆在第二半成品的表面，在温度60℃持续加热45分钟，固化得到带有基座的软弹性体；

s5，将一组软弹性体间隙设置放入带有进气口和出气口的腔体中。

实施例四

一种水下软气动声源的制备方法，包含以下步骤：

s1，将ecoflex00-30的parta、partb和siliconethinner按重量以1:1:1.2制成的浆体导入第一模具的主体层槽中，在温度70℃持续加热40分钟，固化得到主体层；

s2，将dragonskin30的parta、partb和siliconethinner按重量以1:1：1.2制成的浆体导入第一模具的基座槽中，所述基座槽连通所述主体层槽，在温度70℃持续加热40分钟，固化得到主体层和基座固接在一起的第一半成品；

s3，将ecoflex00-30的parta、partb和siliconethinner按重量以1:1:3.2制成的浆体导入第二模具的固有层槽中，将s2得到的第一半成品缓慢放入第二模具，使浆体覆盖在主体层的外表面，在温度70℃持续加热110分钟，固化得到基座、主体层、固有层固接在一起的第二半成品；

s4，将dragonskin30的parta、partb和siliconethinner按重量以1:1:3.2制成浆体并涂覆在第二半成品的表面，在温度70℃持续加热40分钟，固化得到带有基座的软弹性体；

s5，将一组软弹性体间隙设置放入带有进气口和出气口的腔体中。

实施例二、三、四中，采用了不同配比的ecoflex00-30的parta、partb和siliconethinner以及不同配比的dragonskin30的parta、partb和siliconethinner制备软弹性体，通过实验对比得知，实施例三的配比和方法制备得到的软弹性体效果最佳。

实施例五

参考图13，一种发声装置，所述发声装置包含：依气路依次连接的气泵5、气压调节腔6、实施例一所述的声源，所述声源设置于水中，且所述声源的上端面高于水面。

本实施例的工作原理与实施例一类似，在此不再阐述其原理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。