[发明专利]一种水下甚低频宽带声源

说明书

技术领域

本发明涉及水中声学换能器，主要是一种水下甚低频宽带声源。

背景技术

在水声探测、海洋地质勘探、水中目标模拟等许多领域，需要提供甚低频、宽频带的水下声源，以作为探测目标或者作为测试声源，对水声水听器、接收阵进行性能测量与性能标定。其对声源一般提出了如下要求：

1工作频带宽，频率下限尽量低如200Hz、频率上限尽量高如2000Hz；

2水平辐射全向无方向性如起伏不超过3dB；

3辐射信号声源级如超过160dB满足一般测量所需的信噪比；

4阻抗、发送电压或电流响应平坦如起伏不超过10dB，易于实现宽带复杂信号辐射；

5工作深度适应范围宽如5m～100m；

6尺寸小、质量轻如直径小于500mm、质量低于100kg，便于运输、安装。

在实现水下甚低频宽带声发射的解决方法中，常见的有电火花声源、溢流式压电拼镶圆环换能器、多模IV型弯张换能器、电动式换能器等。

电火花声源，是利用电极放电的原理，实现甚低频声发射，具有工作频带宽、水平辐射全向、尺寸小、质量轻等优点，其主要缺点是响应起伏大如对应200Hz～2000Hz，声压级起伏一般超过20dB。

溢流式压电拼镶圆环换能器，其工作原理是利用厚度极化的压电陶瓷条如PZT-4、PZT-8等，沿圆周拼镶而成一整体，圆环内部中空、置于水中充满液体，当向水中辐射声波时，会产生一个频率低的液腔振动模态和一个频率高点的径向振动模态，合理运用两水平全向的模态特性，可实现宽带辐射。由于换能器的液腔模态与腔体体积有关、径向振动频率与直径成反比，实现甚低频辐射的圆环换能器一般体积大、笨重如对应500Hz工作的换能器，直径达到Φ800mm左右，单只换能器质量在250kg左右，但由于有源元件体积大、能够施加足够的预应力、辐射面积大，能够实现大功率辐射如单只换能器声源级达到195dB～210dB；由于频带内阻抗、发送响应起伏大如15dB～20dB，与发射系统匹配难度大，不容易实现更低频率如200Hz的甚低频宽带复杂信号的辐射。

多模IV型弯张换能器，其工作原理是利用沿振动壳体长轴插入的纵向振动压电陶瓷堆，推动椭圆振动壳体作弯曲振动，通过合理利用弯曲振动的多个模态，可实现宽带甚低频辐射。频率越低，要求换能器的长轴越长如对应600Hz工作的换能器，长度达到600mm左右，单只换能器质量在80kg左右，同样也存在频带内阻抗、发送响应起伏大如15dB～20dB，与发射系统匹配难度大，不容易实现甚低频宽带复杂信号辐射。

电动式换能器，常见于空气中使用如作为音频信号发声的扬声器，水中使用的称之为水下扬声器或电动式换能器，两者原理相同，但水中使用的更复杂，此处所说仅对应是水下使用的电动式换能器。

水下使用的电动式换能器一般由振动组件、永磁组件、压力补偿结构、密封结构等组成、内腔为空气。其工作原理是将放置在永久磁场的线圈通一定频率的交流电，交流线圈切割永久磁场的磁力线，收到一个磁性推动力F＝I*B*L，F为力、I为通电电流、B为气隙永久磁场强度、L为通电线圈的有效长度，该推动力推动线圈作活塞式运动，进而推动与线圈连接的辐射盖板运动，从而向空气中或水中辐射声波。由于振动系统是一个大柔性系统，具有甚低频、宽带辐射能力，同时其阻抗、发送响应平坦，易于与发射系统匹配，从而实现宽带复杂信号辐射。

电动式换能器的甚低频频率下限一般取决于一阶纵振频率，宽带频率上限能力一般取决于一阶弯曲频率，一般要求电动式换能器具有更低的一阶纵振频率、更高的一阶弯曲频率，以得到更好的甚低频工作能力、更宽的频带，前者主要由振动组件的质量、弹性支撑的柔性控制，后者主要由振动系统的质量分布、各部分的弯曲刚度控制。电动式换能器发射信号能力的大小，主要取决于体积位移，即要求更大的辐射活塞、更大的振动位移；其要求辐射活塞以及振动系统质量轻、弯曲刚性大，要求永久磁场强、通电电流大、线圈体积大。要求系统质量轻与弯曲刚性大之间往往存在矛盾，要求磁场强与线圈体积大也存在矛盾。

由于振动组件一般包含辐射活塞、线圈、连接件、支撑件等，由于振动系统柔性大，在水中时，静水压力将会使线圈偏离平衡位置，为正常振动，电动式换能器需要进行压力补偿；常见的补偿方法有：

1外接管路，将其与置于水线外如船上、岸上、实验室的气体调压装置连接，根据工作深度，人工调节管路压力与之一致。其方式简单，但调节的精确度不高、使用不方便；