[发明专利]一种超结构水声发射换能器

说明书

一种超结构水声发射换能器，包括外壳以及设置在外壳内部密封空间的电动式驱动元件以及超结构辐射盖板，超结构辐射盖板由基板以及固定在基板上的多个附加质量单元组成，电动式驱动元件包括软磁材料底座，软磁材料底座上开设有环形凹槽，环形凹槽当中放置有永磁材料芯体，由软磁材料底座顶部至永磁材料芯体与软磁材料底座之间的缝隙插入安装线圈骨架，线圈骨架上缠绕线圈，软磁材料底座的中心掏空并设置有螺旋弹簧，螺旋弹簧通过连接件与基板相连，所述的连接件具有能够与线圈骨架固定的平板面。本发明水声发射换能器的尺寸小，能够在中低频范围形成连续的声发射宽带。

技术领域

本发明属于换能器设计领域，具体涉及一种超结构水声发射换能器。

背景技术

由于减振降噪和消声瓦技术的进步，各国潜艇辐射噪声级逐年降低，中高频的自噪声逐渐被解决，残留噪声频段越来越向1kHz以下的低频集中。尤其是近年来，随着声隐身技术的发展，潜艇的隐蔽性能和机动性能实现了大幅度提高，安静型潜艇的辐射噪声级(1kHz处)甚至已经低于海域内的背景噪声，大大增加了水下探潜的难度。欧美国家开始尝试利用主动声呐进行远程主动探测，因此，具有低频、宽带、大功率、深水、小尺寸等特性的水声换能器成为国内外学者研究的焦点。目前，应用成熟的低频水声发射换能器主要利用弯曲振动、液腔共振以及电动式激励的方法来实现。其中利用弯曲振动的换能器通过壳体的弯曲振动辐射声波，并且壳体具有辐射放大效应，因此能够以较小尺寸实现低频大功率的声发射。但是利用弯曲振动的换能器要想实现1kHz以下低频宽带工作，则往往需要有很大的体积与质量。利用液腔振动的换能器虽然能够实现1kHz以下水声发射，但其尺寸和重量也很大。电动式换能器通常利用交流线圈在磁场中的反作用力驱动活塞或振膜向水中辐射声能，是甚低频段宽带、低功率换能器的首选类型，但是其1kHz以下全频段水声发射效率低，尺寸和重量很大。可以看到，传统低频换能器，实现工作频率1kHz以下低频宽带振动时，其体积、重量都非常大。因此，小尺寸的低频大宽带水声发射换能器具有重要的军事和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中低频水声发射换能器效率低以及尺寸和重量较大的问题，提供一种超结构水声发射换能器，其尺寸小，能够在低频范围内形成连续的声发射宽带。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种超结构水声发射换能器，包括外壳以及设置在外壳内部密封空间的电动式驱动元件以及超结构辐射盖板，超结构辐射盖板由基板以及固定在基板上的多个附加质量单元组成，电动式驱动元件包括软磁材料底座，软磁材料底座上开设有环形凹槽，环形凹槽当中放置有永磁材料芯体，由软磁材料底座顶部至永磁材料芯体与软磁材料底座之间的缝隙插入安装线圈骨架，线圈骨架上缠绕线圈，软磁材料底座的中心掏空并设置有螺旋弹簧，螺旋弹簧通过连接件与基板相连，所述的连接件具有能够与线圈骨架固定的平板面。

优选的，每个附加质量单元能够在不同频段局域共振发射中低频声波，通过多个附加质量单元并列耦合的方式得到多个辐射声压级峰值，从而在中低频范围形成连续的声发射宽带，中低频范围包括30～5000Hz。

优选的，通过降低基板的厚度降低等效刚度和固有频率，在局域共振的作用下实现中低频声波发射，频率范围包括30～5000Hz。

优选的，声辐射频段通过调节所述附加质量单元的质量在中低频范围进行调整，中低频范围包括30～5000Hz。

优选的，所述基板的弹性模量越小、厚度越小或面积越大，或附加质量单元质量越大、距离中心位置越远，其声辐射频率越低。

优选的，所述的连接件中心设置有凸起的螺柱，螺柱由基板的中心穿过并通过安装紧固螺母进行固定连接。

优选的，所述的外壳包括固定在换能器基座上的后壳体以及固定在后壳体上的前壳体，所述的基板与前壳体之间粘接密封垫圈，防止水介质通过边缘的间隙进入换能器内部。