[发明专利]一种级联式压电陶瓷水声换能器

说明书

本发明公开了一种级联式压电陶瓷水声换能器，由前辐射头、级联单元、配重壳体、预应力螺栓和输出电缆线组成，前辐射头和配重壳体位于换能器两端，中间为多个级联单元串接在一起，级联单元由两组压电晶堆并排放置并通过预应力螺栓与弯曲圆盘紧密连接接成一体。配重壳体具有水密和换能器尾部配重的作用。输出电缆线通过配重壳体将压电晶堆的引线连接至外激励源。换能器横向小尺寸的前提下，充分利用了纵向空间，结合压电晶堆的纵向振动和弯曲圆盘的弯曲振动的合理耦合，实现换能器的低频率、小尺寸和轻质量特征。换能器具有结构简单、性能稳定的特点，可广泛应用于水下探测、水声通信领域，适用于搭载各类水下运载体进行水中作业。

技术领域

本发明涉及电声传感器技术，具体地说，涉及一种级联式压电陶瓷水声换能器，用来实现电声能量的相互转换，适用于水下探测、通信水声领域。

背景技术

水声换能器作为水声设备必不可少的关键器件，在水下武器、装备以及各种民用探测方面承担着极为重要的角色，其性能的优劣直接影响到整体系统的功能。伴随着现代水声应用需求的不断提高，水声换能器的低频率、小尺寸和轻质量的特征已成为其发展的重要趋势。目前应用较为广泛的低频换能器有各型弯张换能器、弯曲换能器、各类赫姆霍兹共鸣器以及超磁致伸缩低频水声换能器等几种类别。

在公开的文献“Basic problems caused by depth and size constraints inlow-frequency underwater transducers”(Journal of the Acoustical Society ofAmerica,United States,Volume 68,Issue 4,1980,1031-1037)中，详细讨论了水声换能器尺寸与其声学性能之间的限制关系。在文献“The design of low frequencyunderwater acoustic projectors:present status and future trends”(IEEE Journalof Oceanic Engineering,United States,Volume 16,Issue 1,1991,107-122)中，总结了几种常用的低频水声发射换能器类型，主要包括各种利用了弯曲振动模态的弯张型换能器和利用了液腔谐振模态的赫姆霍兹共鸣器。在文献“Thin,lightweight electroacousticprojector for low frequency underwater applications”(Journal of theAcoustical Society of America,United States,Volume 116,Issue 3,2004,1536-1543)中，介绍了一种轻质量的钹式低频水声换能器，换能器尺寸为(381×280×64)mm，水下重量为26N，可在3-15kHz频率范围内有效发声。

国内近几年在低频小型换能器方面也取得了较大的进展。在文献“一种小尺寸低频宽带声源换能器的设计”(声学技术，第32卷第6期，2013，285-286)中，提出了一种对称双叠片弯曲圆盘换能器，尺寸为φ200mm×30mm，质量不超过3kg，可在260Hz-2450Hz频率范围内工作。专利CN 107509149 A“一种小尺寸大振幅螺旋弹簧低频换能器”介绍了一种螺旋弹簧换能器，实现了低频、小尺寸、大位移的特性。专利CN 102136268 A“一种折回式压电陶瓷低频水声换能器”公开了一种折回结构的压电换能器，实现了低频、轻小型的特性。在专利CN 109935223 A“一种超小尺寸低频发射换能器”介绍了一种由若干条形振动单元排布而成的低频发射换能器，具有小尺寸和高发射源级的特性，可实现500Hz的低频谐振，大于185dB的发射源级，质量约10kg。

现有的小型低频换能器的研究成果，多数采用了换能器整体结构或部件的弯曲振动模态，均在一定程度上实现了低频换能器的轻小型化。然而从具体实际应用的角度来看，还需要更小体积、更轻质量的低频换能器。

发明内容