阅读说明：本技术 一种级联式压电陶瓷水声换能器 (Cascade piezoelectric ceramic underwater acoustic transducer ) 是由 滕舵 李亚天 朱宁 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a cascade piezoelectric ceramic underwater acoustic transducer, which consists of a front radiation head, cascade units, a counterweight shell, a prestressed bolt and an output cable, wherein the front radiation head and the counterweight shell are positioned at two ends of the transducer, the middle part of the transducer is provided with a plurality of cascade units which are connected in series, and each cascade unit is formed by arranging two groups of piezoelectric crystal stacks side by side and tightly connecting the piezoelectric crystal stacks with a bent disc into a whole through the prestressed bolt. The counterweight shell has the functions of water tightness and counterweight of the tail part of the transducer. An output cable connects the lead of the piezoelectric crystal stack to an external excitation source through the counterweight housing. On the premise of small transverse size of the transducer, the longitudinal space is fully utilized, and the characteristics of low frequency, small size and light weight of the transducer are realized by combining the reasonable coupling of the longitudinal vibration of the piezoelectric crystal stack and the bending vibration of the bending disk. The transducer has the characteristics of simple structure and stable performance, can be widely applied to the fields of underwater detection and underwater acoustic communication, and is suitable for carrying various underwater carriers to carry out underwater operation.)

一种级联式压电陶瓷水声换能器

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

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种级联式压电陶瓷水声换能器。该换能器合理耦合了结构体的纵向振动和弯曲圆盘的弯曲振动，充分利用体积空间，通过灵活的级联式连接，实现水声换能器的低频和轻小型化特征。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括前辐射头、级联单元、配重壳体和输出电缆线，其特征在于配重壳体包括防水罩、尾质量块和紧固螺栓；级联单元包括弯曲圆盘、压电晶堆、弹簧垫片和预应力螺栓；压电晶堆包括绝缘垫片、电极片、压电陶瓷片、绝缘套管和电极连线；所述前辐射头和配重壳体分别位于换能器两端，所述前辐射头为喇叭型结构，前辐射头口端向外有利于声能量向外辐射，前辐射头喉部有周向沟槽用以安装密封圈，密封圈与防水罩紧密配合形成水密结构，前辐射头的喉部通过预应力螺栓与级联单元连接；

所述级联单元为多个，级联单元串接成一***于前辐射头与配重壳体中间，每个级联单元由两组压电晶堆并排设置，并通过预应力螺栓与弯曲圆盘紧密连接,每组压电晶堆由偶数个压电陶瓷片按正、反极化方向电学并联、机械串联粘接而成，防水罩与尾质量块通过紧固螺栓连接，输出电缆穿过配重壳体与压电晶堆的电极连线相连至外激励源；

所述压电晶堆由中间带孔的压电陶瓷片粘接而成，相邻压电陶瓷片极化方向相反，中间夹有电极片，压电晶堆的两端各有绝缘垫片，压电晶堆通过导电胶粘接，并通过套有绝缘套管的预应力螺栓分别连接在弯曲圆盘、前辐射头或尾质量块上，压电晶堆则通过预应力螺栓沿正交的直径方向固定，各级联单元的交错串接，压电晶堆按压电陶瓷片的极化方向引出两个电极连线与输出电缆相连。

所述弯曲圆盘为圆盘型弯曲梁，弯曲圆盘在其相互正交的两个直径方向与压电晶堆相接，其中一侧与一个级联单元的两组压电晶堆相连，另一侧与相邻级联单元的两组压电晶堆相连，多个级联单元串接。

有益效果

本发明提出的一种级联式压电陶瓷水声换能器，该换能器合理耦合了结构体的纵向振动和弯曲圆盘的弯曲振动，充分利用体积空间，通过灵活的级联式连接，实现水声换能器的低频和轻小型化特征。换能器结构简单、性能稳定，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，适用于各类声纳装备中的密布式低频阵列排放，实现特殊的声学性能。

本发明级联式压电陶瓷水声换能器具有显著的低频率、小尺寸和轻质量特征，可在200Hz～50kHz的频带范围内有效工作，并且属于一种强功率辐射器。换能器的全部压电陶瓷片均采用并联的方式进行电学连接，根据压电陶瓷片的极化方向，正极连接成一路，负极连接成一路，通过引线连接至外激励源。水声换能器结构简单、制作方便、性能稳定，是性能优异的轻小型水下声源，同时为各类声纳装备中的密布式低频阵列的实现提供可能。级联式压电陶瓷水声换能器，通过结构设计，得以在保持换能器低频特性的前提下，大幅降低换能器的尺寸和重量，并优化其电声性能，从而满足实际应用中的特殊需求。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种级联式压电陶瓷水声换能器作进一步详细说明。

图1为本发明级联式压电陶瓷水声换能器示意图。

图2为本发明级联式压电陶瓷水声换能器的级联单元结构示意图。

图3为本发明压电陶瓷水声换能器的前辐射头和压电晶堆连接关系示意图。

图4为本发明压电陶瓷水声换能器的配重壳体结构示意图。

图中

1.前辐射头 2.密封圈 3.级联单元 4.弯曲圆盘 5.绝缘垫片 6.电极片7.压电陶瓷片 8.防水罩 9.尾质量块 10.输出电缆线 11.配重壳体 12.预应力螺栓 13.弹簧垫片14.绝缘套管 15.压电晶堆 16.紧固螺栓 17.电极连线

具体实施方式

本实施例是一种级联式压电陶瓷水声换能器。

参阅图1～图4，本实施例级联式压电陶瓷水声换能，由前辐射头1、级联单元3、配重壳体11、输出电缆线10组成；其中，配重壳体11包括防水罩8、尾质量块9和紧固螺栓16，级联单元3包括弯曲圆盘4、压电晶堆15、弹簧垫片13和预应力螺栓12，压电晶堆15包括绝缘垫片5、电极片6、压电陶瓷片7、绝缘套管14和电极连线17。前辐射头1和配重壳体11分别安装在换能器两端，前辐射头1为喇叭型结构，可以是圆锥台型，也可以是指数型母线结构。前辐射头1的喇叭口端向外，其较大的面积有利于声能量向外辐射。前辐射头1喉部有密封圈沟槽用以安装密封圈2，密封圈2与防水罩8紧密配合形成水密结构，前辐射头1的喉部通过预应力螺栓12与级联单元3连接。前辐射头1材料为硬铝轻质金属。配重壳体11为重金属。这样可获得较大的前后振速比，有利于声能量的前向辐射。采用螺栓配合环氧胶的的形式进行紧密粘接，从而既保证换能器的水密，又实现换能器尾部大质量配重的功能需求。

级联单元3为多个，级联单元3串接成一***于前辐射头1与配重壳体11中间，每个级联单元由两组压电晶堆15并排放置，并通过预应力螺栓与弯曲圆盘紧密连接,每组压电晶堆由偶数个压电陶瓷片按正、反极化方向电学并联、机械串联粘接而成，防水罩8与尾质量块9通过紧固螺栓16连接，压电晶堆15则通过预应力螺栓12沿正交的直径方向固定，各级联单元的交错串接，压电晶堆15按压电陶瓷片7的极化方向引出两个电极连线17与输出电缆10相连。输出电缆10穿过配重壳体11与压电晶堆15的电极连线17相连至外激励源。

本实施例级联单元为3个到15个范围之间，相互间通过预应力螺栓12首尾串接。压电晶堆15则通过预应力螺栓12沿正交的直径方向固定，从而保证各级联单元的交错串接。

换能器级联单元的数量不固定，其数量可根据实现的换能器性能而灵活调节。各级联单元首尾串接成一体，经串接的级联单元部分的两端分别与前辐射头和配重壳体连接。各级联单元在结构上一般是相同的，每个级联单元均由压电晶堆和弯曲圆盘构成。其中压电晶堆分两组，沿弯曲圆盘的某一直径方向并列排布，并通过预应力螺栓紧密连接在弯曲圆盘上，但需要保证压电晶堆的最外沿与弯曲圆盘的最外沿齐平。弯曲圆盘4为圆盘型弯曲梁，弯曲圆盘在其相互正交的两个直径方向与压电晶堆相接。弯曲圆盘两侧分别连接相邻级联单元的压电晶堆，但需要保证的是，当弯曲圆盘的一侧沿某一直径方向与级联单元的两组压电晶堆相连时，其另一侧需要在正交的直径方向上与相邻级联单元的两组压电晶堆相连，从而实现各级联单元的首尾串接。这样做的好处在于，可充分利用弯曲圆盘的弯曲振动模态，获得最大的换能器辐射头纵振位移，从而有利于声能量的向外辐射。弯曲圆盘厚度较薄，且可做开孔优化，具体根据换能器欲实现的性能指标进行设计；为充分利用弯曲圆盘4的弯曲模态，弯曲圆盘4的厚度一般在5到10mm范围内。

具体装配过程

(1).用导电胶将绝缘垫片5、电极片6和压电陶瓷片7按顺序完成压电晶堆15的粘接。

(2).按其结构通过预应力螺栓12将步骤(1)中完成的两组压电晶堆15和弯曲圆盘4连接，完成级联单元3。

(3).使用预应力螺栓12将步骤(2)中完成的级联单元3紧固在前辐射头1上。实现第一层级联单元3与前辐射头1的连接。注意在应用预应力螺栓12紧固时应施加适当的预应力。

(4).同步骤(1)完成压电晶堆15，同步骤(2)完成级联单元3，并依次将完成的级联单元3紧固在上一层的级联单元3上，实现多个级联单元的串接结构。

(5).将最后一层的级联单元3通过预应力螺栓12紧固在尾质量块9上。

(6).完成压电晶堆15的电极连线17的焊接，全部压电晶堆按压电陶瓷片7的极化方向电学并联连接。

(7).将输出电缆线10穿过防水罩8和尾质量块9的对应孔，连接在步骤(6)完成的电极连线17上。

(8).通过紧固螺栓16将防水罩8紧固在尾质量块9上，并完成防水罩8与前辐射头1和尾质量块9的密封圈2水密配合。

本实施例级联式压电陶瓷水声换能器，合理耦合了结构体的纵向振动和弯曲圆盘的弯曲振动，可在较小的体积空间内，特别是较小的横截面尺寸下，实现换能器的低频率特性。换能器整体为柱状结构，横截面尺寸较小，该结构特别适合于各类水下运载体的装配，特别适用于各类声纳装备中的密布式阵列排放，可在水下探测、水声通信领域实现优异的声学性能。