[发明专利]一种低频宽带小尺寸深水水声换能器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种水声领域的换能装置。

背景技术

声波是人类迄今为止已知的唯一能在海水中远距离传输的能量载体。故声学方法是探索海洋、开发海洋、进行水中对抗的主要手段。如民用领域的海上油气资源探测与开发、海底地质地貌成像、海域水文条件研究与测量等，军事领域进行水下目标探测、定位、识别、导航、通信等，声波及声波发生器都扮演着举足轻重的角色。

随着安静型潜艇的出现，被测目标的辐射噪声越来越低。欧美新型安静型潜艇正常巡航条件下的辐射噪声已经低于105dB，这就意味着其辐射噪声已经淹没于绝大部分海域的环境噪声。传统的被动声呐探测手段已经越来越显得力不从心，主动声呐探测手段日渐成为隐身目标探测与识别的主要手段。在主动声呐探测体系中，低频大功率发射的水声换能器是其关键的一环：声波在水中的衰减与其频率相关，频率越低衰减越小，故实现隐身目标的远距离探测，必须降低换能器的工作频率。有研究表明：100Hz-800Hz频段内的声信号最有利于远距离水下传播；使用低频声信号带来的问题是相应地降低了目标散射强度，故必须同时实现换能器大功率发射以获取足够的目标散射强度。

在水声换能器各种应用领域中，单只发射换能器往往不能满足指向性、发射声功率及信息处理等多方面的要求，往往需要由多只换能器组成各种形状的基阵以完成各种任务。这些基阵通常固定在舰艇上或者以拖曳的方式工作，因此受到了安装平台的限制。为了布阵和安装方便，必须大幅度减小低频大功率发射换能器基元的体积和重量。

然而小尺寸水声换能器在低频工作和大功率发射之间往往存在理论上的矛盾。例如，为了提高发射效率和辐射功率，换能器通常工作在谐振状态，而经典的纵振式换能器尺寸通常与辐射声波的波长成正比，即工作频率越低意味着换能器的尺寸越大，体积重量也越大。另外，低频换能器的辐射声功率与频率及辐射面积的平方成正比，这就意味着频率或者辐射面积降低10倍，辐射声功率将降低100倍。因此，在降低频率的同时，保持换能器的辐射声功率不变或增大，必须大幅度增大辐射面的振速，以获取足够的体积速度，而由于驱动模块的功率和换能器自身机械强度的限制，往往难以通过大幅度提高辐射面振速实现低频大功率发射。

因此降低工作频率与实现小尺寸是一对矛盾；增大辐射声功率与降低频率也是一对矛盾。

目前解决上述矛盾的主要方法大致有以下几种：

一是采用弯曲振动模态取代传统的纵振动模态，以降低结构的谐振频率。比较典型的代表是7种类型的弯张换能器，其中又以IV型弯张换能器最为常见。另外也有使用电动(磁)式这种非谐振式换能器，实现超低频宽带发射。但是这种换能器辐射声功率和电声转换都很低，大功率发射时对结构设计和驱动器要求很高，且非线性效应明显。

二是采用新的换能材料取代传统的压电陶瓷材料。目前崭露头角的有稀土超磁致伸缩材料如铽镝铁磁致伸缩合金(Terfenol-D)及铁镓合金(Gafenol)、驰豫铁电单晶材料如铌镁酸铅钛酸铅(PMN-PT)及铌锌酸铅钛酸铅(PZN-PT)等，这些材料具有更大的柔顺性、更大的应变能力和高机电耦合系数，特别适用制作低频大功率水声换能器。

三是采用低频液腔结构。Helmholtz共振腔是利用小体积获取低频、甚低频振动的途径之一。在水中，Helmholtz腔充水便形成了液腔。这种类型的换能器工作深度不受结构限制，液腔谐振处机电耦合系数高，可辐射较高的声功率。缺点是Q值较高，液腔谐振的带宽窄，不利于形成水声通信等领域要求的宽带发射。然而若能利用液腔谐振与其他结构振动模态耦合，同时针对腔体的形状、尺寸、边界条件、流体附加阻抗等进行优化，则可望拓展换能器的工作频带，设计出小体积、低频、宽带、大功率、深水工作的水声换能器。

发明内容

本发明的目的在于提供兼具低频、小体积、宽带、大功率、深水工作等特点的一种低频宽带小尺寸深水水声换能器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种低频宽带小尺寸深水水声换能器，包括Janus型复合棒换能器、桶形壳体、去耦材料、支撑结构；所述的Janus型复合棒换能器包括辐射头、至少一个压电晶堆、电缆和包裹在压电晶堆外部的水密层，辐射头有两个、分别位于压电晶堆的两端，电缆安装在水密层外；辐射头外部缠绕去耦材料，桶形壳体有两个、分别安装在两侧去耦材料的外部，支撑结构有两个、均与两个桶形壳体和Janus型复合棒换能器相连。

本发明还可以包括：