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一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水 声换能器

阅读：1033发布：2020-06-05

专利汇可以提供一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，包括换能器本体，所述的换能器本体包括依次连接的后盖板、压电陶瓷堆、前盖板以及前端切割体，所述的压电陶瓷堆采用压电陶瓷片和电极片交错压合而成，且压电陶瓷堆的两端均为电极片，压电陶瓷片的一端通过电极片连接至正极引线，另一端通过电极片连接至负极引线，正极引线和负极引线连接至激励源。本发明实现了换能器在50Hz‑1000Hz 频率范围的低频发射。此外，该换能器具有整体尺寸小，结构及制作工艺简单，成本低的特点。，下面是一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，其特征在于，包括换能器本体(4)，所述的换能器本体(4)包括依次连接的后盖板(45)、压电陶瓷堆、前盖板(48)以及前端切割体(49)，所述的压电陶瓷堆采用压电陶瓷片(47)和电极片(46)交错压合而成，且压电陶瓷堆的两端均为电极片(46)，压电陶瓷片(47)的一端通过电极片(46)连接至正极引线(42)，另一端通过电极片(46)连接至负极引线(41)，正极引线(42)和负极引线(41)连接至激励源；所述前端切割体(49)是在圆柱壳体上沿周向以螺旋线轨迹开设三条螺旋槽而形成的弹簧形状，三条螺旋槽的起点在平行于圆柱壳体底面的同一水平面上，且三条螺旋槽沿前端切割体(49)的侧面每隔120度以圆周阵列排布，三条螺旋槽的螺距相同，螺旋方向相同。
2.根据权利要求1所述的一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，其特征在于，所述的压电陶瓷堆包括依次串联的第一电极片、第一压电陶瓷片、第二电极片、第二压电陶瓷片、第三电极片、第三压电陶瓷片、第四电极片、第四压电陶瓷片以及第五电极片，所述的第二电极片和第四电极片连接至正极引线(42)，第一电极片、第三电极片以及第五电极片连接至负极引线(41)。
3.根据权利要求1所述的一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，其特征在于，后盖板(45)、压电陶瓷堆和前盖板(48)通过相互配合的螺杆(44)和螺帽(43)进行固定。
4.根据权利要求3所述的一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，其特征在于，后盖板(45)、压电陶瓷堆和前盖板(48)组成的整体的外侧套设有壳体(2)，壳体(2)与后盖板(45)、压电陶瓷堆和前盖板(48)组成的整体之间设置有支架(3)，壳体(2)的端部连接有密封盖(1)。
5.根据权利要求4所述的一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，其特征在于，所述壳体(2)为一端封口，另一端开口的圆柱形，封口的一端设有供正极引线(42)和负极引线(41)通过的过线孔；密封盖(1)为圆锥形，中心位置留有供正极引线(42)和负极引线(41)通过的过线孔。
6.根据权利要求1所述的一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，其特征在于，前盖板(48)为喇叭形，其开口较小的一端与压电陶瓷堆连接，开口较大的一端与前端切割体(49)连接。
7.根据权利要求1所述的一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，其特征在于，所述前盖板(48)和前端切割体(49)材料为铝，后盖板(45)材料为钢。
8.根据权利要求1所述的一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，其特征在于，压电陶瓷片(47)为PZT-4压电陶瓷片。

说明书全文

一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水 声换能器

技术领域

[0001] 本发明属于水声换能器领域，具体涉及一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器。

背景技术

[0002] 在水下探测技术领域，低频换能器占据着重要的位置，最常用的低频换能器主要用液腔振动和弯曲振动来实现。但这种低频换能器一般体积大和质量较大，在实际应用中会有很多限制。针对这个问题，国内外众多学者做了相关的研究。刘振君等人研制了一种基于切向极化镶拼压电陶瓷圆环的圆柱溢流型低频宽带换能器，利用液腔振动和径向振动的耦合，使换能器在3～5kHz频段具有平坦的响应，换能器尺寸为φ262mm×110mm，质量11kg。桑永杰等人设计了一种Janus-Helmholtz换能器，利用液腔谐振模态及Janus换能器纵向谐振模态耦合，实现了换能器在600Hz-2000Hz范围内的低频发射，换能器尺寸为φ376mm×
670mm，质量74kg。哈工大学者提出了一种基于矩形压电陶瓷三叠片弯曲梁的组合式换能器，实现了换能器在1100Hz-1700Hz 频率范围内的低频发射，换能器尺寸为150mm×132mm×
92mm，质量为3.2kg。目前的低频换能器主要是利用液腔振动和振动的耦合的方法实现水声换能器在低频范围内工作。但其结构一般较为复杂，且换能器的体积较大，不便于在某些对尺寸要求较高的场合使用。影响换能器低频工作的因素较多,谐振频率想要达到1kHz，通常需要增大换能器的体积和质量。尤其是纵振换能器，想要达到低频发射的效果，换能器的体积就会非常大。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，实现了换能器在50Hz-1000Hz频率范围的低频发射，以克服现有技术中低频换能器尺寸较大的问题。此外，该换能器还具有整体尺寸小，结构及制作工艺简单，成本低的特点。

[0004] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0005] 一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，包括换能器本体，所述的换能器本体包括依次连接的后盖板、压电陶瓷堆、前盖板以及前端切割体，所述的压电陶瓷堆采用压电陶瓷片和电极片交错压合而成，且压电陶瓷堆的两端均为电极片，压电陶瓷片的一端通过电极片连接至正极引线，另一端通过电极片连接至负极引线，正极引线和负极引线连接至激励源。

[0006] 进一步地，所述的压电陶瓷堆包括依次串联的第一电极片、第一压电陶瓷片、第二电极片、第二压电陶瓷片、第三电极片、第三压电陶瓷片、第四电极片、第四压电陶瓷片以及第五电极片，所述的第二电极片和第四电极片连接至正极引线，第一电极片、第三电极片以及第五电极片连接至负极引线。

[0007] 进一步地，所述前端切割体是在圆柱壳体上沿周向以螺旋线轨迹开设三条螺旋槽而形成的弹簧形状。

[0008] 进一步地，三条螺旋槽的起点在平行于圆柱壳体底面的同一水平面上，且三条螺旋槽沿前端切割体的侧面每隔120度以圆周阵列排布，三条螺旋槽的螺距相同，螺旋方向相同。

[0009] 进一步地，后盖板、压电陶瓷堆和前盖板通过相互配合的螺杆和螺帽进行固定。

[0010] 进一步地，后盖板、压电陶瓷堆和前盖板组成的整体的外侧套设有壳体，壳体与后盖板、压电陶瓷堆和前盖板组成的整体之间设置有支架，壳体的端部连接有密封盖。

[0011] 进一步地，所述壳体为一端封口，另一端开口的圆柱形，封口的一端设有供正极引线和负极引线通过的过线孔；密封盖为圆锥形，中心位置留有供正极引线和负极引线通过的过线孔。

[0012] 进一步地，前盖板为喇叭形，其开口较小的一端与压电陶瓷堆连接，开口较大的一端与前端切割体连接。

[0013] 进一步地，所述前盖板和前端切割体材料为铝，后盖板材料为钢。

[0014] 进一步地，压电陶瓷片为PZT-4压电陶瓷片。

[0015] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0016] 本发明的小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，利用后盖板、压电陶瓷堆、前盖板以及前端切割体组成换能器本体，由于前端切割体在一定电压的激励下有很低的振动频率，利用前盖板切割体的低频振动来影响整个换能器的工作频率，实现了换能器在一定功率要求下的低频工作。

[0017] 进一步地，前端切割体是在圆柱壳体上沿周向以螺旋线轨迹开设三条螺旋槽而形成的弹簧形状，三条螺旋槽的起点在平行于圆柱壳体底面的同一水平面上，且三条螺旋槽沿前端切割体的侧面每隔120度以圆周阵列排布，三条螺旋槽的螺距相同，螺旋方向相同，与同尺寸大小的圆柱壳相比，此结构的振动频率降低了很多，而本发明中的换能器与一般的纵振换能器相比较，整体的谐振频率主要取决于前端切割体的结构，因此前端切割体结构可以大大降低整个换能器的谐振频率。当换能器整体高度为128mm，最大直径为100mm时，其尺寸远小于在同频段工作的纵振换能器。该换能器克服了纵振换能器低频发射与小尺寸之间的矛盾，可以实现纵振换能器在50Hz-1000Hz频率范围的低频发射，甚至超低频发射。此外，本发明便于应用在水声换能器基阵中，结构及制作工艺简单，所用元件常见，且换能器的整体成本较低。
附图说明

[0018] 图1为本发明的整体结构剖视图；

[0019] 图2为本发明的换能器本体剖视图；

[0020] 图3为本发明的前端盖切割体立体结构示意图；

[0021] 图4为本发明的前端盖切割体主视图；

[0022] 图5为本发明实施例的水声换能器的发射电压响应曲线图。

[0023] 其中，1-密封盖；2-壳体；3-支架；4-换能器本体；41-负极引线；42-正极引线；43-螺帽；44-螺杆；45-后盖板；46-电极片；47-压电陶瓷片；48-前盖板；49-前端切割体。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

[0025] 参见图1至图5，一种小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器，包括换能器本体4，所述的换能器本体4包括依次连接的后盖板45、压电陶瓷堆、前盖板48以及前端切割体
49，前盖板48和前端切割体49材料为铝，后盖板45材料为钢，前盖板48为喇叭形，其开口较小的一端与压电陶瓷堆连接，开口较大的一端与前端切割体49连接，所述的压电陶瓷堆包括依次串联的第一电极片、第一压电陶瓷片、第二电极片、第二压电陶瓷片、第三电极片、第三压电陶瓷片、第四电极片、第四压电陶瓷片以及第五电极片，所述的第二电极片和第四电极片连接至正极引线42，第一电极片、第三电极片以及第五电极片连接至负极引线41，正极引线42和负极引线41连接至激励源，压电陶瓷片47为PZT-4压电陶瓷片，所述前端切割体49是在圆柱壳体上沿周向以螺旋线轨迹开设三条螺旋槽而形成的弹簧形状，三条螺旋槽的起点在平行于圆柱壳体底面的同一水平面上，且三条螺旋槽沿前端切割体49的侧面每隔120度以圆周阵列排布，三条螺旋槽的螺距相同，螺旋方向相同，此弹簧结构可简化为三根完全相同的弹簧并联的系统，系统的特征频率为：

[0026]

[0027] 其中为每根弹簧的弹性系数，m为每根弹簧的等效质量，a,b分别为弹簧横截面的长度和宽度，D为弹簧柱体的中径，r为弹簧柱体的外半径，G为弹簧材料的切变模量。

[0028] 外直径为100mm，内直径为90mm，高度为60mm的圆柱壳特征频率为16115Hz，若在相同尺寸的圆柱壳上开三条宽度为2mm，螺距为50mm的螺旋槽，该且个体的频率为163.34Hz。此结构与同尺寸大小的圆柱壳相比，频率降低了很多，而本发明中的换能器与一般的纵振换能器相比较，整体的谐振频率主要取决于前端切割体的结构，因此前端切割体结构可以大大降低整个换能器的谐振频率，换能器整体高度128mm，最大直径100mm，尺寸远小于在同频段工作的纵振换能器，克服了纵振换能器低频发射与小尺寸之间的矛盾，可以实现纵振换能器在50Hz-1000Hz频率范围的低频发射，甚至超低频发射。

[0029] 其中，后盖板45、压电陶瓷堆和前盖板48通过相互配合的螺杆44和螺帽43进行固定，后盖板45、压电陶瓷堆和前盖板48组成的整体的外侧套设有壳体2，壳体2与后盖板45、压电陶瓷堆和前盖板48组成的整体之间设置有支架3，壳体2的端部连接有密封盖1，壳体2为一端封口，另一端开口的圆柱形，封口的一端设有供正极引线42和负极引线41通过的过线孔；密封盖1为圆锥形，中心位置留有供正极引线42和负极引线41通过的过线孔。

[0030] 下面对本发明的操作过程做详细描述：

[0031] 参考图1、图2及图3，本实施例的小尺寸周向螺旋开槽纵向振动水声换能器包括后盖板45、电极片46、压电陶瓷堆、前盖板48和前端切割体49，螺帽41，螺杆42；在后盖板45、电极片46、压电陶瓷堆、前盖板48的中心位置安装螺杆42和螺帽41，后盖板45、前盖板48分别安装在螺杆42前后两端，压电陶瓷堆安装在后盖板45与前盖板48之间，压电陶瓷堆由相同的压电陶瓷片47机械串联而成，相邻两片压电陶瓷片47之间用电极片46隔开；每一片压电陶瓷片47的一端通过电极片46接正极引线42，两外一端通过电极片46接负极引线41。

[0032] 参考图1和图2，本实施例还包括密封盖1、壳体2、支架3，其中壳体2位于安装完成的换能器本体4之外，在换能器本体4与壳体2之间安装支架3，支架3前端紧贴着壳体2封闭的一端；密封盖1位于壳体2前方将外壳封闭，壳体2呈圆柱壳形包裹着换能器本体4的后端，壳体2内装有圆柱壳形的支架3，用于保持换能器平衡，圆锥形的密封盖1中间位置开有过线孔，安装在壳体2前方，壳体2上也同样开有过线孔。

[0033] 正极引线42和负极引线41分别从位于压电陶瓷堆的正极电极片和负极电极片引出穿过密封盖1和壳体2的过线孔与激励源相连接。

[0034] 参考图3至图4，本实施例中，前端切割体49是在圆柱壳体上沿周向以螺旋线轨迹开三条螺距相同，螺旋方向相同的螺旋槽，三条螺旋槽的起点在平行于圆柱壳体底面的同一水平面上，沿前盖板切割体的侧面每隔120度以圆周阵列排布。

[0035] 本发明实现换能器低频工作的原理是：在圆柱壳体上沿周向以螺旋线轨迹开槽形成弹簧形状前端切割体49，利用前端切割体49的低频振动来影响整个换能器的工作频率，实现了换能器在一定功率要求下工作频率的降低。

[0036] 本发明提供的换能器通过正负极引线接上防水电缆，整体进行水密处理(前端切割体除外)后，放入水中，前端对着待探测区域，电缆接通电源即可使用。

[0037] 图5为本发明实施例的水声换能器的发射电压响应曲线图，由图5可以看出，该换能器可以在50Hz-1000Hz频率范围内可以实现低频发射，该换能器适合在对功率与声压要求不高的情况下使用。

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