[发明专利]双壳体开缝圆管水声换能器

说明书

本发明提供一种双壳体开缝圆管水声换能器，包括双层金属壳体、设置在双层金属壳体内表面的镶拼压电陶瓷圆管，所述双层金属壳体包括双层段、与双层段圆滑连接的单层段，双层段由内壳体和外壳体构成，且内壳体与外壳体之间形成月牙形空腔，单层段的厚度是渐变的，在单层段厚度最小处设置有一纵向全开缝，所述镶拼压电陶瓷圆管由n片PZT‑4压电陶瓷条与铜电极片粘接而成，压电陶瓷条沿切向极化，每相邻的两片压电陶瓷条的极化方向相反，且相邻两片压电陶瓷条之间设置有电极片。本发明的水声换能器具有小尺寸、超低频、大功率、结构简单等特点，可应用于远程主动声呐系统、超低频水声实验、海底资源探测及海洋捕捞等。

技术领域

本发明涉及一种双壳体开缝圆管水声换能器，属于水声换能器技术领域。

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。无论是军事作战，还是海洋开发，均都采用声波作为运载信息的媒介。而水声换能器作为水下产生声音的通用设备，需根据时代需求进行相关应用技术改进。

近年来，随着对于海洋环境调查、海洋资源勘探的不断深入，对于探测距离更远的主动声学探测装备的需求日益迫切，而现有的装备由于发射的声波频率高，海水的吸收损失大，声波作用距离近，难于满足远距离探测装备的需求。低频大功率发射换能器是远距离主动探测装备的关键技术之一，只有解决低频大功率声发射换能器技术才能够大幅度提高声探测装备的作用距离。然而，低频、大功率并具有较小尺寸的声发射换能器的研制受到多方面的限制。

低频发射换能器种类有很多，比较常用的有Janus-Helmholtz换能器、弯张换能器、弯曲圆盘换能器、弯曲板换能器等。这些常用换能器工作频率设计在1kHz以下时，换能器的体积、质量都比较大，给实际使用带来了一定的困难，而且制作成本较高。然而，开缝圆管换能器在满足低频发射的基础上，可以有效地解决现有低频换能器体积大、质量重的问题。

在国外，开缝圆管换能器经过了长时间的发展。开缝圆环换能器最早出自于美国人W.T. Harris(1956年)的发明专利，之后一直相对处于沉寂，直到H.Kompanak(1987年)对其做了些了改进并将其用于石油勘探和开采中。

开缝圆管换能器是一种超低频、小尺寸声源，在圆环结构上纵向开缝，使得圆管刚度大大降低，弯曲振动模态取代了圆管的径向振动模态。因此，大大降低了换能器的工作频率，同时拥有较小的尺寸，可以满足水下机器人以及其他水下设备对小尺寸、低频的需求。

专利(US006148954A)为内部冲液(气)单层壳体，驱动器根据电信号增大或减小壳体内液体或气体的压强，通过液体或气体的体积变化驱动单层壳体向外辐射声信号，是采用液压驱动方式的换能器。

专利(US007719926B2)为在非等厚的金属壳体内壁附加一月牙形背板，使压电陶瓷圆环厚度均匀，达到简化工艺的目的。

本发明与上述两个专利的不同之处在于，本发明的金属壳体是由外层壳体与内层壳体组成的，中间含有月牙形空气腔，而在第一个发明中两层壳体中间为液体媒质，第二个发明只有单层壳体，月牙形背板使得压电陶瓷圆环得以保持厚度均匀。其次，本发明利用压电陶瓷环的压电效应来驱动内层壳体振动，再由内层壳体振动位移最大处驱动外层壳体振动，而在第一个发明中，发声原理是由驱动器改变单层壳体内腔中液体压力变化导致的换能器膨胀或收缩，从而振动发声，壳体之间并没有位移的传递，在第二个发明中，只利用了本发明中压电陶瓷圆环驱动内层壳体的原理。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种双壳体开缝圆管水声换能器，传统的等截面开缝圆管换能器工作频率虽然低，但其发送电压响应也比较低，不能满足实际工程应用中声波大功率发射的要求。本发明双壳体开缝圆管换能器解决了这一技术问题，使得开缝圆管换能器不但具有小尺寸、低频等特点，同时还兼具大功率发射的特点。。