一种周期性结构镶拼圆环换能器及其拼装方法与流程

1.本发明涉及一种周期性结构镶拼圆环换能器及其拼装方法，属于水声换能器技术领域。


背景技术：

2.近年来，舰船噪声逐渐降低，在这种情况下，传统的用被动声呐来探测已经变得相当困难。被动探测较为困难的情况下，在远距离下使用主动声纳配合被动声纳来实施探测成为一种较为适合的方法。但是，主动声呐的工作频率是必须小于消声瓦的下限频率的，同时声纳的功率越大，声源级越高，声纳的探测距离越远，因此低频大功率换能器成为水声发射换能器的基本要求，同时也是水声换能器的发展趋势之一。
3.然而，低频、大功率并具有较小尺寸的声发射换能器的研制受到多方面的限制。低频换能器往往个头很大，笨重的换能器使用起来很不方便。但是为了获得较大的声源级，必须提高换能器体积位移，而为了提高换能器的体积位移只能依靠提高换能器的表面振幅和辐射面的表面积，但是这就导致换能器的尺寸增加，这矛盾的要求给设计带来了困难。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述背景技术中提到的现有技术的技术问题，得到高体积位移、轻重量的低频发射换能器，提出一种周期性结构镶拼圆环换能器及其拼装方法，该水声换能器具有小尺寸、低频、大功率、结构灵活等特点，可应用于声呐系统的远程主动探测。
5.本发明提出一种周期性结构镶拼圆环换能器，包括若干周期性结构，若干周期性结构连接成一个圆环，
6.所述周期性结构包括过渡块、两个压电陶瓷堆和周期性结构壳体，所述周期性结构由一个压电陶瓷堆、过渡块、另一个压电陶瓷堆和周期性结构壳体依次连接而成。
7.优选地，所述周期性结构壳体由铝合金材料经3d打印加工而成。
8.优选地，所述周期性结构壳体为拉伸体结构。
9.优选地，所述周期性结构壳体均为正弦线孔型结构形式。
10.优选地，所述压电陶瓷堆由若干压电陶瓷片与铜电极片粘接而成，相邻两片压电陶瓷片之间设置有电极片。
11.优选地，所述压电陶瓷片在电路上采用并联结构。
12.优选地，所述压电陶瓷片沿厚度极化，每相邻的两片压电陶瓷片的极化方向相反。
13.优选地，所述过渡块是由铝合金材料经加工而成。
14.优选地，所述过渡块为楔形块构型。
15.优选地，所述过渡块为拉伸体结构。
16.本发明所述的周期性结构镶拼圆环换能器及其拼装方法的有益效果为：
17.1、本发明引入了周期性结构，周期性结构最大的优点是其可设计性，设计者可以根据使用需求对结构进行优化设计，设计参数包括结构的构型和结构的孔隙率等与结构性
能密切相关的参数，通过设计，可以获得具有多功能复合特性的周期性结构，如超轻、振幅放大等特性，将周期性结构和换能器结合起来，可以得到低频、小尺寸、轻重量、高体积位移的发射换能器。
18.2、本发明结合圆环与弯张换能器的特点，将周期性结构与压电陶瓷拼接形成一个圆环振动结构，充分利用了弯张换能器短轴方向振动位移放大、刚度低，圆环结构径向振动频率低的特点，在圆环换能器的基础上，提高了换能器辐射面的振动位移，进而增加了声辐射时的体积位移，可以获得较大的声源级，以期获得的圆环型换能器达到低频、小尺寸辐射的目的。
附图说明
19.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
20.在附图中：
21.图1为本发明所述的一种周期性结构镶拼圆环换能器的结构示意图；
22.图2为本发明所述的一种周期性结构镶拼圆环换能器的局部机构示意图；
23.图3为本发明所述的一种周期性结构镶拼圆环换能器镶拼单元结构示意图；
24.附图标识：1
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过渡块，2
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压电陶瓷堆，3
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周期性结构壳体，4
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预应力金属丝。
具体实施方式
25.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
26.具体实施方式一：参见图1
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3说明本实施方式。本实施方式所述的周期性结构镶拼圆环换能器，包括若干周期性结构，若干周期性结构连接成一个圆环，
27.所述周期性结构包括过渡块1、两个压电陶瓷堆2和周期性结构壳体3，所述周期性结构由一个压电陶瓷堆2、过渡块1、另一个压电陶瓷堆2和周期性结构壳体3依次连接而成。
28.如图1
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3所示，本发明的周期性结构镶拼圆环换能器，主要包括过渡块1、压电陶瓷堆2、周期性结构壳体3等结构。
29.如图3所示，本发明的周期性结构壳体3是由铝合金材料经3d打印加工而成，其为拉伸体结构，均为正弦线孔型结构形式。它包含两个重要参数——横向孔数量m和纵向孔数量n。这两个参数共同影响着体积位移的大小。横向孔数量m起到了增加辐射面积的作用，因为壳体高度是一定的，横向孔数量m越大，辐射面积也就越大，辐射能力也就越强。纵向孔数量n的作用是叠加辐射位移。在n方向上，许多个小弯张结构相当于在短轴方向串联起来，每个小弯张结构的振幅放大作用相当于得到叠加，整体结构的位移放大作用得到增强，辐射能力增强。在m和n两个参数的共同作用下，周期性结构在辐射时能得到较大的体积位移。通过设计，可以获得具有多功能复合特性的周期性结构，如超轻、振幅放大等特性，将周期性结构和换能器结合起来，可以得到低频、小尺寸、轻重量、高体积位移的发射换能器。
30.如图3所示，本发明的压电陶瓷堆2由n(n由壳体尺寸和陶瓷片尺寸决定)片pzt
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4压电陶瓷片与铜电极片粘接而成，压电陶瓷片沿厚度极化，每相邻的两片压电陶瓷片的极化方向相反，且相邻两片压电陶瓷片之间设置有电极片，压电陶瓷片在电路上采用并联结构，构成压电陶瓷堆2。
31.如图3所示，本发明的过渡块1是由铝合金材料经加工而成，其为拉伸体结构，为楔形块构型。
32.本发明以iv型弯张换能器在空间上进行不同方向上的拓展，通过优化分析，形成一个具有最佳放大作用的结构单元。将周期性的最佳放大结构单元与压电陶瓷堆拼接，通过金属丝4施加预应力，形成一个多边形类圆环结构，利用了弯张换能器短轴方向振动位移放大、刚度低，圆环结构径向振动频率低的特点，得到一个具有振幅放大作用的镶拼圆环换能器。
33.本发明通过对基本子结构的设计，可以得到具有振幅放大作用的结构单元，它具有小尺寸、轻重量的特点，同时，它具有良好的振幅放大效果。当这种结构单元和压电陶瓷堆拼接成多边形的类圆环结构时，它就兼有弯张换能器短轴方向振动位移放大、刚度低，圆环结构径向振动频率低的特点，在圆环换能器的基础上，提高了换能器辐射面的振动位移，进而增加了声辐射时的体积位移，可以获得较大的声源级。
34.本发明周期性结构镶拼圆环水声换能器的具体装配过程如下：
35.1、将压电陶瓷堆2、周期性壳体3和过渡块1在圆周方向通过环氧树脂拼接成八边形类圆环结构，粘接完成后从压电陶瓷堆的铜电极片引出导线，采用焊接方式使导线与电极片连接。
36.2、施加外力将圆环结构沿径向压缩，使壳体向内压缩，用预应力金属丝4沿周向缠绕并锁紧，撤去外力，使壳体收缩夹紧。
37.其中的预应力金属丝留在换能器径向表面，预应力金属丝4锁紧之后起到限制零件位置的作用，施加预应力起到了八边形结构稳定存在不分散的作用，同时使压电陶瓷堆2和壳体3、过渡块1紧密连接。
38.本发明的换能器在水中工作时，对压电陶瓷堆2施加交变电场，在交变电场的激励下，压电陶瓷堆产生切向的往复振动，从而激励出周期性结构壳体2的弯曲拉伸振动，周期性结构壳体兼有弯张换能器短轴方向振动位移放大、刚度低，圆环结构径向振动频率低的特点，提高了换能器辐射面的振动位移，增加了声辐射时的体积位移，从而提高声辐射功率。
39.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。