技术领域
[0001] 本
发明涉及一种换能器，尤其涉及一种低频指向性水声换能器。
背景技术
[0002] 目前，海洋环境的监测主要靠
声波，低频声波在
海水中的吸收损失小、传播距离远，在海洋环境监测中得到了广泛的应用。因此，低频水声换能器作为低频水下声学系统的核心部件，成为国内外海洋声学研究人员关注的焦点。另外，指向性换能器可以显著地提高作用距离、提高
信噪比、减小干扰、同时，由于其可定向传输信息，从而提高通讯的可靠性和
保密性。因此，低频指向性换能器的研究对于水下通信、潜艇作战等具有重要的研究意义。
[0003] 当一个发射器或接收器的尺寸能和它所在的介质中声波的
波长相比拟时，声场中的声压随着方位的不同具有一定的分布，从而形成指向性。因此，在高频背景下，通常指向性换能器比较容易实现。然而，在低频背景下，由于换能器的尺寸与波长相比很小，通常很难形成指向性。
[0004] Butler等人研制出具有指向性的IV型弯张换能器。这种弯张换能器采用两组压电堆分别驱动，调节两组激励达到一个适当的
相位时，换能器
辐射面一边不动，一边辐射，呈心形指向性。
[0005] 另外一种实现低频指向性的方法是利用障板。K.P.B.Moosad利用反声材料做障板实现指向性IV型弯张换能器。
[0006] 低频换能器指向性通常是通过特殊的激励方式实现的。四边型弯张换能器可以不通过特殊激励模式，仅通过壳体结构的凸凹变化实现指向性声发射。同时由于弯曲壳体具有杠杆效应，可以实现大功率发射，所以四边形弯张换能器可以实现低频大功率指向性发射。
发明内容
[0007] 本发明的目的是为了实现低频心形指向性或超指向性而提供一种低频指向性水声换能器。
[0008] 本发明的目的是这样实现的：包括辐射壳体、四个有源驱动单元和中间
质量块，所述辐射壳体四段弯曲梁和四段直梁交替连接而成，所述中间质量块的截面形状是方形且位于辐射壳体的中心，四个有源
驱动器分别设置在四段直梁与中间质量块之间，且中间质量块与对应的直梁间的距离小于有源驱动器的长度。
[0009] 本发明还包括这样一些结构特征：
[0010] 1.所述辐射壳体是三凹一凸辐射壳体或三凸一凹壳体。
[0011] 2.所述有源驱动器是压电晶堆，压电晶堆由N片矩形压电陶瓷片粘接而成，且N不小于2的偶数，矩形压电陶瓷沿厚度方向极化，每两个压电陶瓷片之间设置有一个
电极片。
[0012] 3.所述有源驱动器包括两块过渡块、设置在两块过渡块之间的稀土超
磁致伸缩材料制成的圆棒，且在圆棒与对应的过渡块
接触处设置有永磁片，两块过渡块上还设置有线圈骨架，线圈骨架上缠绕有线圈。
[0013] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用壳体的不对称性，而不是激励方式的变化形成指向性，这是一种低频指向性形成的新方法，也即本发明利用壳体结构的不对称性形成心形指向性或者超指向性，利用壳体弯曲振动低频效果以及放大效果，形成低频大功率辐射。本发明可应用于低频主动声呐、远程通信、地声传播研究和海洋地质研究等领域。
附图说明
[0014] 图1为本发明的辐射壳体采用三凹一凸弯曲梁形式的四边形弯张换能器结构示意图的俯视图；
[0015] 图2为本发明的辐射壳体采用三凹一凸弯曲梁形式的四边形弯张换能器结构示意图的等轴侧视图；
[0016] 图3为本发明的辐射壳体采用三凸一凹弯曲梁形式的四边形弯张换能器结构示意图的俯视图；
[0017] 图4为本发明的辐射壳体采用三凸一凹弯曲梁形式的四边形弯张换能器结构示意图的等轴侧视图；
[0018] 图5为本发明用压电陶瓷做驱动元件的电极连线示意图；
[0019] 图6为本发明用稀土超磁致伸缩棒做驱动元件的驱动元件横截面示意图；
[0020] 图7为本发明的辐射壳体采用三凹一凸弯曲壳体或三凸一凹弯曲壳体实现指向性发射的原理示意图；
[0021] 附图中各符号的含义为：1-三凹一凸的辐射壳体、2-压电驱动单元、3-中心质量块、4-三凸一凹的辐射壳体、5-线圈骨架、6-过渡块、7-永磁片、8-稀土超磁致伸缩棒9-线圈。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
[0023]
实施例一：参考图1、图2，本实施例中的辐射壳体由三凹一凸的弯曲梁及四个直梁交替连接而成，采用
铝合金材料加工而成。
[0024] 本实施例中的驱动单元为压电晶堆，如图5所示，压电晶堆2由N片矩形压电陶瓷片粘接而成，其中N为≥2的偶数，矩形压电陶瓷厚度方向极化，每两个压电陶瓷片之间布放一个电极片，以
焊接引线，电极片采用紫
铜材料制成。压电陶瓷片之间采用并联连接。用环
氧树脂将压电陶瓷片与金属薄片相间逐一粘接构成驱动元件，本实施例中驱动元件共有四个。压电晶堆2的长度大于中间质量块3与对应直梁内壁之间的距离，预先使辐射壳体1产生
变形，利用增加对应直梁内壁与中间质量块3的距离所产生的压
力使驱动单元2固定于直梁与中间质量块3之间，压电晶堆2与直梁内壁及中间质量块3之间刚性连接。
[0025] 换能器工作时，对压电陶瓷驱动元件2施加交流电
载荷，由于压电陶瓷具有
压电效应，使得压电陶瓷堆2产生纵向伸缩振动，通过与辐射壳体1的机械耦合，激励辐射壳体1的弯曲振动。通过辐射壳体1的结构不对称性，实现换能器的指向性发射。
[0026] 本实施例中的驱动单元也可由稀土超磁致伸缩材料制成的圆棒代替。如图6所示，圆棒外围缠绕一组激励线圈9，激励线圈9封闭在高磁导率材料制成的闭合磁路里。稀土超磁致伸缩圆棒8与两个过渡块的长度之和大于中心质量块3与对应直梁内壁之间的距离。利用增加对应直梁内壁与中间质量块3的距离所产生的压力使圆棒固定于直梁内壁与中心质量块3之间，圆棒8与直梁内壁及中心质量块3之间刚性连接。
[0027] 本实施例中的中间质量块为由
铝合金加工而成的长方体。
[0028] 本实施例中的辐射壳体1、中间质量块3除了采用铝合金制作外还可以采用不锈
钢、钢、
钛合金、玻璃
纤维或者
碳纤维制作。
[0029] 本实施例中的低频指向性弯张换能器除采用盖板密封外还可以采用溢流式结构。
[0030] 实施例二：如图3、4所示，本实施例中，辐射壳体4由三凸一凹的弯曲梁与四个直梁交替连接而成。采用铝合金材料加工而成。
[0031] 本实施例中的其余部分与实施例1相同。
[0032] 综上，本发明实质上包括辐射壳体、有源驱动器、中间质量块。所述辐射壳体由三凹一凸或者三凸一凹弯曲梁与四个直梁交替连接而成。所述有源驱动器有四个，分别由中间质量块与对应直梁固定。所述中间质量块为长方体，位于辐射壳体中心，其某一侧面与对应直梁内壁的距离小于单个有源驱动器的长度。本发明利用壳体结构的不对称性形成心形指向性或者超指向性，利用壳体弯曲振动低频效果以及放大效果，形成低频大功率辐射。所述驱动器置于辐射壳体内部，位于直梁与中间质量块之间，与两者刚性连接：预先使辐射壳体产生变形，利用增加对应直梁内壁与中间质量块的距离所产生的压力使驱动器固定于直梁内壁与中间质量块之间。
[0033] 进一步地，所述有源驱动器为压电晶堆，压电晶堆由N片矩形压电陶瓷片粘接而成，其中N为≥2的偶数，矩形压电陶瓷厚度方向极化，每两个压电陶瓷片之间布放一个电极片。压电晶堆的长度大于中间质量块与对应直梁内壁之间的距离。
[0034] 进一步地，所述有源驱动器为稀土超磁致伸缩材料制成的圆棒，圆棒外围缠绕一组激励线圈，激励线圈封闭在高磁导率材料制成的闭合磁路里。圆棒长度大于中间质量块与对应直梁内壁之间的距离。
[0035] 本发明的工作原理：
[0036] 如图7所示，利用上下两个辐射面反相振动形成偶极子指向性，利用左右两个辐射面同相振动形成单极子指向性或者同相‘8’字形指向性，这样四个辐射面共同作用的结果就是心形指向性或者超指向性。
