利用结构刚度与力偶因子反对称补偿抑制谐波的活塞式水声换能器的制作方法

本发明涉及一种活塞式水声换能器，具体的是涉及一种利用结构刚度与力偶因子反对称补偿抑制谐波的活塞式水声换能器，属于水声换能器。

背景技术：

1、通常来说，超低频水声换能器是水下远程信息传输和目标探测的关键装置，是当前水声换能器重要的发展方向之一。活塞式水声换能器通常是由电能经过磁场转换为机械振动后驱动活塞面向水介质辐射声波，具有谐振频率低、工作频带宽、体积小、重量轻等优点，非常适合用作超低频水声发射换能器。

2、活塞式水声换能器工作在数十赫兹乃至数赫兹时，由于需要辐射足够高的声能，要求振动的活塞面需要达到足够大的振动位移。当活塞面在大振幅状态下工作时，结构大变形和驱动磁场的非线性问题极其突出，继而引发了活塞式换能器在超低频声辐射的谐波失真。总谐波失真(thd)是衡量水声换能器声辐射能力的关键指标，活塞面大幅振动下的谐波失真问题极大地限制了活塞式换能器在超低频领域的应用。

3、活塞式水声换能器通常为电磁驱动的换能装置，本领域技术人员有通过磁场激励的方式的调制来降低谐波失真问题。例如，授权公布号为cn 112911469b的中国发明专利公开了一种电磁换能器利用嵌入磁路中的永磁体产生恒定的偏置磁场，利用交流线圈产生交变的驱动磁场，两者相叠加形成包含直流偏置量的交变磁场，采用混合激励形式来改善传统倍频激励下的输出谐波问题与性能评估问题。在专利公告号为cn 112911469b的中国发明专利中，采用了现有的螺旋压缩弹簧，其刚度在工作区间内一般呈线性特征，该专利主要从电磁场角度出发来改善谐波失真。

4、此外，由于扬声器与活塞式水声换能器工作原理相似，其抑制谐波的方法也能对水声换能器领域有启发作用。例如，授权公告号为cn 210298061 u的中国实用新型专利公开了“一种能改善失真的动圈扬声器”，该专利明涉及一种能改善失真的动圈扬声器，通过在导磁腔内设置一个高电导率、低导磁率的短路环，用短路环对涡流进行补偿，使电感-位移曲线对称，降低音圈向磁路内运动时的电感量以降低偶次谐波失真。上述方法均是为了降低因电磁场非线性造成失真的问题，从电端来降低谐波失真的手段，而并未考虑到活塞面大幅振动非线性带来谐波失真的问题，而大幅振动存在的几何非线性会引发严重的谐波失真。

5、因此，需研制一种兼顾改善电磁非线性和几何非线性来降低换能器谐波失真，提高活塞式水声换能器超低频的声辐射能力的利用结构刚度与力偶因子反对称补偿抑制谐波的活塞式水声换能器是解决上述技术问题的关键所在。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的诸多缺陷与不足，本发明对此进行了改进和创新，目的在于提供一种利用结构刚度与力偶因子反对称补偿抑制谐波的活塞式水声换能器方案，摒弃传统设计中从单物理场或单独某个子系统进行非线性抑制的方式，奇妙地通过电磁物理场与力学物理场的非线性匹配，将二者的非线性进行“抵消”，从而实现改善活塞式水声换能器工作线性度的目的。

2、本发明另一个发明目的是具有谐波成分少，失真度低，耐静水压能力强，超低频辐射声功率高等显著优点的活塞式水声换能器，达到能够作为水下通用声源，或作为有效声学载荷搭载于水下航行体、拖曳体使用。

3、为解决上述问题并达到上述的发明目的，本发明利用结构刚度与力偶因子反对称补偿抑制谐波的活塞式水声换能器是通过采用下列的设计结构以及采用下列的技术方案来实现的：

4、作为本发明利用结构刚度与力偶因子反对称补偿抑制谐波的活塞式水声换能器的改进，包括：

5、活塞板(1)，活塞板(1)的截面呈上宽下窄的“工”字形状；

6、欧拉屈曲梁(2)，欧拉屈曲梁(2)分别围设连接在活塞板(1)的连接杆上，随活塞板(1)的振动发生变形与运动；欧拉屈曲梁(2)的另一端为固定状态，与换能器外壳非振动结构连接，工作中固定点处无位移变化；

7、回复弹簧(3)，回复弹簧(3)分别沿活塞板(1)上方圆盘底部等距设置；

8、橡胶折环(4)，橡胶折环(4)分别环向连接在活塞板(1)上方圆盘外侧壁，随活塞板(1)的振动发生变形与运动；橡胶折环(4)另一端为固定状态，与换能器外壳非振动结构连接，工作中固定点处无位移变化；

9、驱动线圈(5)，驱动线圈(5)固定连接在活塞板(1)下方圆盘的底部外周上；

10、磁路(6)，磁路(6)的中部截面呈倒“凸”字形状，“凸”字形状的磁路(6)内开设有磁路气隙(61)；

11、其中，橡胶折环(4)整体呈“ω”状结构，驱动线圈(5)位于磁路气隙(61)中，二者不发生接触。

12、作为本发明上述的改进，所述活塞板(1)用于力学到声学的能量转换结构，利用纵向振动模态，通过振动向外界的水介质传递能力，辐射声波，其中，活塞板(1)包括上圆盘和下圆盘以及连接在上圆盘和下圆盘之间中心位置的连接杆，上圆盘直径大于下圆盘直径。

13、作为本发明上述的进一步改进，所述活塞板(1)采用质量轻强度高的非金属材料或采用耐腐蚀的金属或者是表面涂覆防腐涂层的金属。

14、作为本发明上述的又进一步改进，所述欧拉屈曲梁(2)的对称轴与活塞板(1)的上圆盘面形成一定夹角θ，夹角θ的范围为0°＜θ≤30°，用于通过夹角θ的大小来控制负刚度的区间；

15、所述欧拉屈曲梁(2)采用高弹性金属材料制成，该高弹性金属材料为铍青铜，其中，欧拉屈曲梁(2)为多层薄片堆叠结构。

16、作为本发明上述的再进一步改进，所述回复弹簧(3)用于为活塞板(1)在往复振动过程中提供回复力，回复弹簧(3)采用非磁性材料或消磁后的材料制成。

17、作为本发明上述的再更进一步改进，所述回复弹簧(3)由多个弹簧单元并联而成，弹簧单元为压缩螺旋弹簧或板式弹簧，其中，压缩螺旋弹簧或板式弹簧均具有线性特征。

18、作为本发明上述的又再更进一步改进，所述橡胶折环(4)采用耐腐蚀且抗老化的橡胶材料制成，其中，橡胶折环(4)用于起到水下密封的作用，并提供阻尼，使得换能器的发送响应曲线变得更平坦，用于改善换能器的宽带发射能力。

19、作为本发明上述的又再更加进一步改进，所述驱动线圈(5)为单线圈或多线圈，采用铜芯漆包线、铝芯漆包线或铜包铝漆包线绕制而成。

20、作为本发明上述的还更加进一步改进，所述磁路(6)用于为水声换能器提供磁场，磁路(6)由永磁体与导磁材料组成永磁磁路，用于提供静态磁场；

21、或是磁路(6)由励磁线圈与导磁材料组成励磁磁路，用于提供静态或动态磁场；

22、或者是磁路(6)由励磁线圈、永磁体与导磁材料组成永磁-励磁复合磁路，用于提供静态或动态磁场。

23、作为本发明上述的还更加的进一步改进，所述磁路气隙(61)沿磁路(6)顶部外周向内环向开设。

24、工作原理是：工作时，磁路(6)在换能器的磁路气隙(61)中提供稳定磁场，驱动线圈(5)被加载变化的电流信号后，在磁场作用下，受到沿活塞面法向(x轴方向)大小和方向变化的驱动力，在欧拉屈曲梁(2)、回复弹簧(3)和橡胶折环(4)提供的回复力-阻尼共同作用下，驱动活塞板(1)往复振动向外部水介质中辐射声波。现有的方法来降低水声换能器的谐波失真，通常从产生谐波的根源出发，从单物理场或单独某个子系统进行非线性抑制，例如电磁产生非线性，则从电磁物理场出发，降低电磁场的失真度；结构产生非线性，则从力学物理场出发，降低结构的非线性。本发明利用结构刚度与力偶因子反对称补偿抑制谐波的活塞式水声换能器，能够系统性地考虑电磁物理场和力学物理场的耦合，通过电磁物理场与力学物理场的非线性匹配，利用二者的非线性进行“抵消”，使得换能器全系统的谐波失真问题降低，从而实现改善活塞式水声换能器工作线性度的目的。

25、本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：

26、1、本发明利用结构刚度与力偶因子反对称补偿抑制谐波的活塞式水声换能器方案，摒弃传统设计中从单物理场或单独某个子系统进行非线性抑制的方式，奇妙地通过电磁物理场与力学物理场的非线性匹配，将二者的非线性进行“抵消”，从而实现改善活塞式水声换能器工作线性度的目的；

27、2、本发明具有谐波成分少，失真度低，耐静水压能力强，超低频辐射声功率高等显著优点的活塞式水声换能器，达到能够作为水下通用声源，或作为有效声学载荷搭载于水下航行体、拖曳体使用；

28、3、本发明的欧拉屈曲梁本身呈“负刚度”特性，选用具有“正刚度”特性的回复弹簧，“正、负刚度”特性的欧拉屈曲梁和回复弹簧并联组合后，共同形成“高静刚度低动刚度”的弹性系统，为换能器提供具有特定特征的刚度曲线(包括可提供类似“浴盆曲线”的刚度曲线)，即可用于抵消磁路非线性造成的力偶因子非线性；

29、4、本发明还可偏置设计欧拉屈曲梁对称轴与活塞面形成特定夹角，通过夹角的大小来控制负刚度的区间，调控刚度特性曲线；

30、5、本发明中的欧拉屈曲梁在大变形后会发生屈曲，具有负刚度的力学特性，而回复弹簧具有线性刚度特性，将二者进行组合后，具有特定的刚度特性，可以具备“高静刚度低动刚度特性”，实现在活塞式水声换能器中“主动引入”非线性刚度；

31、6、本发明还可以通过调整欧拉屈曲梁与回复弹簧的刚度比，设计特定的刚度特性曲线。