[发明专利]折叠盖板宽带水声换能器

说明书

技术领域

本发明涉及的是水声换能器。

背景技术

声波是水下传递信息和能量的载体。水声设备是依靠声波来传递信息的，它利用声波这种信息载体来实现对水下目标的探测、定位、识别和通信等，水声设备至今仍然是水下信息采集和信息处理最有效的设备。水声换能器被用于水下发射和接收声波，是水声设备的重要组成部分。当处于发射状态时，把电磁振荡能转换成机械振动能，从而推动水介质进行振动，辐射声能，一般意义上的“换能器”均指此类发射器；当处于接收状态时，其机械振动系统受到水中声压的作用而产生振动，换能器再把机械振动能转换成电磁振动的能量，一般称为水听器。

随着声隐身技术的发展及其在潜艇的应用，使得被动声纳的作用距离急剧减小，水下目标探测的难度大大提高，这就需要用主动声纳远距离探测作为辅助手段，而低频、大功率是其最重要的关键技术之一。发射换能器在主动声纳设备中负责将电磁振荡能转化成机械振动能，从而推动水介质进行振动，向水中辐射声能。为了提高对潜艇的远程探测能力，必须降低换能器的工作频率，提高发射声功率。

由于小尺寸换能器在成阵、布阵方面的便利，在使用时也便于使用者操作和运输，迫切需要小尺寸换能器，但是由于在实践中低频、大功率等要求对换能器尺寸的制约，这就对研究者提出了挑战。

宽带换能器是近来国内外学术界研究的主要内容。相比较于窄带换能器，宽带换能器有很多的优势。第一，宽带换能器在传输中更能保持信号的完整性和准确性，可以不失真的传输信号，而窄带换能器的信号波形严重畸变；第二，宽带换能器能够提高信号的传输速率、提高通讯的可靠性和保密性、降低误码率。宽带换能器无论在军事方面还是民用方面都有着广泛的应用。如用宽带合成孔径声呐，可以提高测绘速率，在一定程度上也可减少运动误差带来的影响。在民用领域，宽带换能器被广泛应用于医疗超声，受到医学界普遍重视和欢迎。

因此，开发研制低频、大功率、小尺寸、宽带的水声换能器是各种水声应用提出的必然要求，是亟待解决的科学技术问题。

低频、大功率、小尺寸换能器设计的主要困难是：一、为了提高发射效率和发射功率，换能器必须工作在共振状态，而纵振模式换能器尺寸通常与波长成正比，因此越低的工作频率，也就意味着较大的换能器尺寸，同时意味着较大的重量和成本，以及制造和布设的难度；二、低频换能器的辐射功率与频率及辐射面积平方成正比，意味着频率降低或面积减小10倍，辐射功率将减少100倍，因此，如果在减小尺寸的同时，保持或增加低频时换能器的辐射功率，需要更大的振动位移，即更大的驱动功率来补偿，而这往往是不可实现的。

因此，降低工作频率与减小尺寸是一对矛盾，增大辐射功率与减小尺寸也是一对矛盾。

目前解决以上问题的主要方法有：一是应用具有更大顺性和伸缩系数的新型材料代替传统的压电陶瓷材料，提高效率和振动位移，典型的代表是超磁致伸缩材料、弛豫铁电单晶材料和压电复合材料；二是探索新型结构，其中具有代表性的结构是弯张换能器、压电陶瓷环嵌套式纵振换能器和开缝圆管换能器。

弯张换能器是弯曲伸张换能器的简称。弯张换能器的工作原理是利用驱动元件的纵向伸缩振动激励壳体作弯曲振动，耦合成弯曲伸张振动模式。弯张换能器的优点是工作频率低、辐射功率大、转换效率高、尺寸小等，弯张换能器共有七种类型。

纵向振动换能器谐振发生在其振子长度等于λ/2时，因此要降低谐振频率，只能增大其长度。但是采用不同直径的压电陶瓷环嵌套技术，制作的纵向振动换能器谐振频率在1.7kHz左右，有效长度仅为0.3m，大大的减小了纵向振动换能器的尺寸(俞宏沛，唐义政，林家旺.低频纵振换能器减小尺寸的一种措施.声学与电子工程.1999年第4期：17-20页)。

开缝圆管换能器是一种新型甚低频大功率换能器，由一个沿高度方向开缝的压电圆管构成，在压电圆管外有一个外衬金属壳体，圆管内部为一空气腔。利用镶拼圆管加预应力技术，把有源材料由普通开缝圆管变为镶拼开缝圆管，这样可以进一步的缩小体积、减小质量(HarryW.Kompanek.Electroacoustical Transducer[P].U.S.Patent.4，651，044，1987)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小尺寸、带宽宽的折叠盖板宽带水声换能器。

本发明的目的是这样实现的：

包括压电陶瓷晶片堆、上下两端金属盖板和预应力螺杆；压电陶瓷晶片堆由压电陶瓷圆环和薄金属片交替堆叠而成，压电陶瓷圆环的极化方向沿厚度方向，薄金属片上焊电极引线；上端金属盖板由外盖板和内盖板构成折叠形状。

本发明还可以包括：