[发明专利]一种驱动元件及包含该驱动元件的稀土超磁致伸缩换能器

说明书

技术领域

本发明涉及一种驱动元件及包含该驱动元件的稀土超磁致伸缩换能器，属于声学传感器技术领域。

背景技术

20世纪70年代，美国A.E.Clark发现了稀土合金Fe(Tb,Dy)₂具有超磁致伸缩效应，该合金由磁致伸缩效应引起的最大应变比传统的水声换能器使用的压电陶瓷大6-20倍，能量密度约为压电陶瓷的10-20倍，而声速只有压电陶瓷的2／3-3／4。因此，在相同体积的条件下，超磁致伸缩水声换能器的共振频率比压电陶瓷水声换能器的共振频率低2／3-3／4。由于利用稀土超磁致伸缩材料制造的换能器具有发射功率大、体积小、重量轻的特点，使其在研制低频-甚低频大功率水声换能器等方面得到了足够的重视和应用。80年代，美国等发达国家已经研制出各种稀土换能器，并应用于军事领域。瑞典己成功研制了扫雷用的声功率达151kW的IV型弯张稀土换能器。但是，稀土超磁致伸缩材料不仅是一种导磁，而且也是一种导电材料，因此，当外界磁场变化时，在稀土换能器内部将产生涡流损耗。

专利文献CN101038740A公开了一种超低频水声换能器，该换能器的每个驱动单元中使用了一根整体的稀土超磁致伸缩材料棒并在该棒的两端粘贴了一圆片状的稀土永磁体，但该换能器的缺点是在频段较高时工作时的涡流损耗比较大、效率较低，这极大的限制了其应用。

专利文献CN101847403A公开了一种稀土超磁致伸缩复合棒式换能器，在该换能器中，稀土超磁致伸缩材料为若干长度相同的圆棒，圆棒沿永磁体的外圆周向均匀布放，且圆棒与永磁体之间留有间隙，该发明有效克服了稀土超磁致伸缩材料在频段较高工作时的涡流损耗大、效率低的缺点。但由于使用了若干稀土超磁致伸缩棒材，该方案在一定程度上降低了换能器的可靠性。专利文献US6624539也涉及一种超磁致伸缩功率换能器，其中，为了解决在使用过程中的涡流问题，线圈骨架的主要导磁元件采用粉末冶金导磁材料构成，这类材料具有导磁能力强，涡流小的特点，可以减少涡流损耗热量的产生。超磁致伸缩换能器与压电陶瓷换能器不同，在设计中需要解决好磁偏置、预应力、涡流损耗等问题。其中，涡流损耗成为制约稀土超磁致伸缩换能器应用的一个主要问题。

发明内容

为了克服现有稀土超磁致伸缩换能器在应用过程中涡流损耗较大，降低换能器效率的缺点，本发明的目的在于提供一种稀土超磁致伸缩换能器用驱动元件，该驱动元件可以为稀土超磁致伸缩换能器提供稳定均匀的偏置磁场，提供合适的预应力，从而提高器件的工作效率。

本发明的另一目的在于提供一种包含所述驱动元件的稀土超磁致伸缩换能器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种驱动元件，用于稀土超磁致伸缩换能器，该驱动元件包括相互串联的两根稀土超磁致伸缩棒和三块永磁体，其中两根稀土超磁致伸缩棒沿长度方向间隔设置，一块永磁体设置在两根稀土超磁致伸缩棒之间，另外两块永磁体设置在稀土超磁致伸缩棒的两端，三块永磁体分别与稀土超磁致伸缩棒的端面接触，永磁体形成的磁场方向平行于稀土超磁致伸缩棒的长度方向。

在该驱动元件中，稀土超磁致伸缩棒、永磁体、软磁轭铁和套筒以串联方式构成了直流偏置磁场回路。稀土超磁致伸缩棒、线圈和线圈骨架、软磁轭铁构成了交流磁回路。当换能器工作时，线圈通电后产生交变磁场，稀土超磁致伸缩棒在交变磁场和永磁体提供的静态偏磁场作用下，产生磁致伸缩振动，并通过软磁轭铁的机械耦合带动了前辐射头、后辐射头的振动，实现了换能器的声辐射。

所述稀土超磁致伸缩棒由片状稀土超磁致伸缩合金经粘结剂粘结而成。所述片状稀土超磁致伸缩合金的厚度为1-10mm，相邻两片状稀土超磁致伸缩合金之间的距离为0.5-5mm。在换能器中使用由片状稀土超磁致伸缩合金粘接而成的粘接稀土超磁致伸缩棒能大大降低材料中的涡流损耗。

在本发明的驱动元件中，所述永磁体可以采用钕铁硼或钐钴永磁材料制作而成，其所形成的磁场方向平行于稀土超磁致伸缩棒的长度方向，使得稀土超磁致伸缩棒材处于偏置磁场之中最均匀稳定部分。

在本发明的驱动元件中，所述稀土超磁致伸缩棒为圆筒状，外径为20-100mm，内径为10-80mm，长度为40-500mm；所述永磁体为圆环状，外径为20-100mm，内径为10-80mm，厚度为2-20mm。

永磁体的厚度小于磁致伸缩棒的长度，永磁体的外径与厚度之比为3-20，磁致伸缩棒的长度与外径之比为2-20，粘结稀土超磁致伸缩棒的长度与永磁体的厚度比为2-30。