1.本发明属于声学传感领域，特别是涉及一种宽带水声换能器。
背景技术：2.水声换能器是实现水下电声能量转化的器件。随着现代声纳技术的飞速发展和水声学应用范围的不断扩大，对水声换能器工作性能的要求也越来越高。目前，低频、大功率、小尺寸、宽频带的发射换能器是水声换能器研究的主要方向。随着水声信号处理技术的迅速发展，需要从水声换能器获取更多的信息，增加换能器的带宽能够提高信息的传输速率、降低信息传输误码率、提高通讯的可靠性。
3.实现换能器的宽带发射常用的方法有多模态耦合、匹配层技术、组成基阵等。其中多模态耦合适用性广，成本小，效果显著，是最有效的形成宽带的方法。多模态耦合的主要原理是使一个换能器产生两种以上的模态，或者虽然只有一种振动模态但是能调节其基频与高阶模态之间的距离，使得换能器的响应曲线在各谐振峰之间不存在过深的凹谷来达到拓宽换能器工作频带的效果。但是在很多情况下，两个相邻模态的耦合情况不会随着频域上距离的缩短而改善。这种现象是相邻模态之间的相位差过小造成的。
4.iv型弯张换能器是一种低频、大功率、小尺寸的水声换能器，其弯张壳体通常为一椭圆管，驱动元件沿椭圆管的长轴方向紧密安装于壳体内部，利用驱动元件的纵向伸缩振动激励出椭圆管壳体的弯张模态，其结构示意图如图5所示。由于弯张换能器利用了杠杆原理，具有位移放大效果，因此有功率大的特点；传统的弯张换能器主要利用壳体的一阶弯张模态进行声辐射，因此具有弯曲式换能器低频、小尺寸的优点。但由于传统的弯张换能器只能使用一阶弯张模态工作，导致弯张换能器的带宽较窄，使其应用受到了一定的限制。
5.传统的iv型弯张换能器只能利用一阶弯张模态进行单一模态工作的原因是在发射电压响应曲线上一阶弯张模态与二阶弯张模态的谐振频率之间存在一个难以消除的深坑。导致起伏过大无法形成带宽。这是因为一阶弯张模态与二阶弯张模态的振动相位差过小。导致两个谐振频率之间出现了使换能器体积位移幅值非常小的频点。
技术实现要素：6.有鉴于此，本发明旨在提出一种宽带水声换能器，以解决现有水声换能器带宽较窄的问题。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种宽带水声换能器，它包括弯张壳体和振子装配体，所述弯张壳体通过两个截面为u型曲线的壳体组成，所述弯张壳体的短轴两侧均设置有第一椭圆壳体，所述弯张壳体与第一椭圆壳体为一体结构，所述振子装配体沿长轴方向连接在弯张壳体的内部。
8.更进一步的，所述第一椭圆壳体短轴外端设置有第二椭圆壳体，所述第二椭圆壳体与弯张壳体为一体结构。
9.更进一步的，所述振子装配体包括过渡块和驱动元件，所述驱动元件两端分别设
置有过渡块，所述过渡块与弯张壳体内侧相连。
10.更进一步的，所述驱动元件包括偶数个压电单晶片粘接而成的压电单晶堆，压电单晶片在电路上采用并联连接。
11.更进一步的，所述驱动元件包括偶数个压电陶瓷片粘接而成的压电陶瓷堆，陶瓷片在电路上采用并联连接。
12.更进一步的，所述驱动元件包括稀土超磁致伸缩棒，稀土超磁致伸缩棒外面套有线圈骨架，线圈骨架上绕有线圈，在稀土超磁致伸缩棒两端各安放一片永磁片。
13.更进一步的，所述振子装配体的纵向尺寸大于两个截面为u型曲线的壳体底部之间的距离。
14.更进一步的，所述水声换能器两端通过盖板封闭，所述盖板与弯张壳体之间设置有垫板，两端的盖板通过螺纹杆紧固，所述盖板上设置有电缆头，所述电缆头上连接有电缆。
15.更进一步的，所述垫板采用硅胶板，厚度为5mm，螺纹杆8为不锈钢材质，盖板为不锈钢、钢、钛合金、铝合金、玻璃纤维或碳纤维材质。
16.更进一步的，所述弯张壳体和过渡块为不锈钢、钢、钛合金、铝合金、玻璃纤维或碳纤维材质。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种大功率，低频率，结构简单的宽带水声换能器。将传统的iv型弯张壳体的短轴两端部分替换为更小的椭圆壳体形成新弯张壳体的新型换能器结构形式。从而在不改变一阶弯张模态振动相位的基础上大幅度改变了二阶弯张模态的振动相位，使一阶弯张模态可以与二阶弯张模态直接耦合。证明了弯张模态与其他模态一样，可以通过调整模态之间的相位差来改善相邻模态的耦合情况。
18.利用二阶弯张模态外部驱动出小椭圆壳体的一阶弯张模态，对小椭圆壳体外部驱动的一阶弯张模态的控制可以主要通过对小椭圆壳体位置的调整来实现，而小椭圆壳体对一阶弯张模态振动相位的影响相对较小，但能大幅度改变换能器二阶弯张模态的振动相位。通过驱动元件与弯张壳体的机械耦合，在不同的频率范围内激发出壳体不同的振动模式，利用一，二阶弯张模态的耦合实现换能器的宽带发射。
19.本发明能显著增加换能器了一阶弯张模态与二阶弯张模态之间的相位差，从而消除了传统iv型弯张换能器发射电压响应曲线上一阶二阶弯曲振动之间出现的过深凹谷，降低了换能器在整个频带内的响应起伏，从而实现弯张换能器的宽带发射。并验证了传统的iv型弯张换能器的一阶，二阶弯张模态之间无法耦合的原因是模态之间相位差过小。
20.本发明的宽带水声换能器采用了弯张换能器的基本原理，因此具有低频、大功率、尺寸重量小的优点。本发明的宽带水声换能器壳体为封闭曲线的平移体，结构简单紧凑，易于实现。具有频率低、功率大、频带宽、结构简单的特点。本发明的宽带水声换能器可应用于水声探测、对抗、通讯、测量以及海洋资源勘探等领域。
附图说明
21.构成本发明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。在附图中：
22.图1为本发明所述的一种宽带水声换能器结构示意图；
23.图2为本发明所述的调整前三阶弯张模态的相位差的宽带水声换能器结构示意图；
24.图3为本发明所述的一种宽带水声换能器整体结构示意图；
25.图4为本发明所述的一种宽带水声换能器发射电压响应测试曲线图；
26.图5为本发明所述的现有iv型弯张换能器结构示意图。
27.1-弯张壳体，2-第一椭圆壳体，3-第二椭圆壳体，4-过渡块，5-驱动元件，6-盖板，7-垫板，8-螺纹杆，9-电缆头，10-电缆，11-第一个谐振峰，12-第二个谐振峰。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
29.实施例1：参见图1-4说明本实施方式，一种宽带水声换能器，它包括弯张壳体1和振子装配体，所述弯张壳体1通过两个截面为u型曲线的壳体组成，所述弯张壳体1的短轴两侧均设置有第一椭圆壳体2，所述弯张壳体1与第一椭圆壳体2为一体结构，所述振子装配体沿长轴方向连接在弯张壳体1的内部。
30.本实施例所述弯张壳体1为椭圆型金属管是两个截面为u型曲线的金属壳体，椭圆型金属管的短轴外端部分被替换成更小的椭圆金属管，形成第一椭圆壳体2，材质优选为铝合金材料，在二阶弯张模态下短轴附近的节点处于第一椭圆壳体2的长轴两端。弯张壳体1的两侧用盖板和柔性材料封闭；通过预先使弯张壳体1产生变形，利用增加整个弯张壳体1长轴的长度所产生的压力使振子装配体固定于弯张壳体1中，振子装配体与弯张壳体的内壁刚性连接。总长度约为120mm。
31.本实施例将传统的iv型弯张壳体的短轴两端部分替换为更小的第一椭圆壳体2，从而在不改变一阶弯张模态振动相位的基础上大幅度改变了二阶弯张模态的振动相位，使一阶弯张模态可以与二阶弯张模态直接耦合，证明了弯张模态与其他模态一样，可以通过调整模态之间的相位差来改善相邻模态的耦合情况。并利用换能器的一阶弯曲振动与二阶弯曲振动之间的振动耦合实现换能器的宽带发射。
32.实施例中所述振子装配体包括过渡块4和驱动元件5，所述驱动元件5两端分别设置有过渡块4，所述过渡块4与弯张壳体1内侧相连，过渡块4优选为铝合金材质。通过对弯张壳体1的短轴两端施加压力，增大长轴的长度，将振子装配体置于弯张壳体1中，之后释放压力，此时通过预应力将振子装配体固定在弯张壳体1之中，与换能器壳体刚性连接。
33.所述驱动元件5优选为以下三种形式中的一种：
34.形式1：所述驱动元件5包括偶数个压电单晶片粘接而成的压电单晶堆，压电单晶片在电路上采用并联连接。
35.形式2：所述驱动元件5包括偶数个压电陶瓷片粘接而成的压电陶瓷堆，陶瓷片在电路上采用并联连接。
36.形式3：所述驱动元件5包括稀土超磁致伸缩棒，稀土超磁致伸缩棒外面套有线圈骨架，线圈骨架上绕有线圈，在稀土超磁致伸缩棒两端各安放一片永磁片。
37.所述振子装配体的纵向尺寸大于两个截面为u型曲线的壳体底部之间的距离。通过预先使弯张壳体1产生变形、利用增加弯张壳体1中两个u型曲线的壳体底部之间的距离所产生的压力使振子装配体固定于弯张壳体1之中。
38.所述水声换能器两端通过盖板6封闭，所述盖板6与弯张壳体1之间设置有垫板7，以起到密封和隔振的作用。两端的盖板6通过螺纹杆8紧固在弯张壳体1两端，使换能器内部形成封闭空气腔。所述盖板6上设置有电缆头9，所述电缆头9上连接有电缆10。所述垫板7采用硅胶板，厚度为5mm，螺纹杆8为不锈钢材质，盖板6为不锈钢、钢、钛合金、铝合金、玻璃纤维或碳纤维材质，盖板6优选为铝合金材料。
39.所述弯张壳体1和过渡块4为不锈钢、钢、钛合金、铝合金、玻璃纤维或碳纤维材质。
40.本实施例以驱动元件5为压电单晶堆为例，换能器工作时，通过电缆10对压电单晶堆施加交流电载荷，由于晶片具有压电效应，使得整体压电单晶堆产生纵向伸缩振动，通过驱动元件5与弯张壳体1的机械耦合，在不同的频率范围内激发出壳体不同的振动模式，利用一，二阶弯张模态的耦合实现换能器的宽带发射。换能器的发送电压响应测试曲线如图4示。发射电压响应是指发射换能器在某频率下，在指定方向上的远场中，离其等效声中心某参考距离处的声压和该参考距离的乘积与加到输入电端的电压的比值。图4中，第一个谐振峰11由换能器的一阶弯张模态产生，谐振频率约为2.3khz；第二个谐振峰12由换能器的二阶弯张模态产生，谐振频率约为5.2khz。在2khz-7khz的频率范围内，换能器的最大发射电压响应110db，响应起伏6.7db，可以实现换能器的宽带发射。
41.能显著增加换能器了一阶弯张模态与二阶弯张模态之间的相位差，从而消除了传统iv型弯张换能器发射电压响应曲线上一阶二阶弯曲振动之间出现的过深凹谷，降低了换能器在整个频带内的响应起伏，从而实现弯张换能器的宽带发射。
42.实施例2：本实施例在实施例1的基础上改进，将所述第一椭圆壳体2短轴外端设置有第二椭圆壳体3，所述第二椭圆壳体3与弯张壳体1为一体结构，将第一椭圆壳体2的短轴外端处的部分替换成更小的第二椭圆壳体3，形成弯张壳体1结构。使得整个壳体在三阶弯张模态下激励出更小椭圆壳体的一阶弯张模态。从而调整三阶弯张模态的相位，改善其与前两个模态的耦合情况，进一步拓宽换能器的带宽。本实施例的其余部分与实施例1相同。
43.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
技术特征：1.一种宽带水声换能器，其特征在于：它包括弯张壳体(1)和振子装配体，所述弯张壳体(1)通过两个截面为u型曲线的壳体组成，所述弯张壳体(1)的短轴两侧均设置有第一椭圆壳体(2)，所述弯张壳体(1)与第一椭圆壳体(2)为一体结构，所述振子装配体沿长轴方向连接在弯张壳体(1)的内部。2.根据权利要求1所述的一种宽带水声换能器，其特征在于：所述第一椭圆壳体(2)短轴外端设置有第二椭圆壳体(3)，所述第二椭圆壳体(3)与弯张壳体(1)为一体结构。3.根据权利要求1或2所述的一种宽带水声换能器，其特征在于：所述振子装配体包括过渡块(4)和驱动元件(5)，所述驱动元件(5)两端分别设置有过渡块(4)，所述过渡块(4)与弯张壳体(1)内侧相连。4.根据权利要求3所述的一种宽带水声换能器，其特征在于：所述驱动元件(5)包括偶数个压电单晶片粘接而成的压电单晶堆，压电单晶片在电路上采用并联连接。5.根据权利要求3所述的一种宽带水声换能器，其特征在于：所述驱动元件(5)包括偶数个压电陶瓷片粘接而成的压电陶瓷堆，陶瓷片在电路上采用并联连接。6.根据权利要求3所述的一种宽带水声换能器，其特征在于：所述驱动元件(5)包括稀土超磁致伸缩棒，稀土超磁致伸缩棒外面套有线圈骨架，线圈骨架上绕有线圈，在稀土超磁致伸缩棒两端各安放一片永磁片。7.根据权利要求3所述的一种宽带水声换能器，其特征在于：所述振子装配体的纵向尺寸大于两个截面为u型曲线的壳体底部之间的距离。8.根据权利要求3所述的一种宽带水声换能器，其特征在于：所述水声换能器两端通过盖板(6)封闭，所述盖板(6)与弯张壳体(1)之间设置有垫板(7)，两端的盖板(6)通过螺纹杆(8)紧固，所述盖板(6)上设置有电缆头(9)，所述电缆头(9)上连接有电缆(10)。9.根据权利要求8所述的一种宽带水声换能器，其特征在于：所述垫板(7)采用硅胶板，厚度为5mm，螺纹杆8为不锈钢材质，盖板(6)为不锈钢、钢、钛合金、铝合金、玻璃纤维或碳纤维材质。10.根据权利要求3所述的一种宽带水声换能器，其特征在于：所述弯张壳体(1)和过渡块(4)为不锈钢、钢、钛合金、铝合金、玻璃纤维或碳纤维材质。
技术总结本发明提出了一种宽带水声换能器，属于声学传感领域。解决了现有水声换能器带宽较窄的问题。它包括弯张壳体和振子装配体，所述弯张壳体通过两个截面为U型曲线的壳体组成，所述弯张壳体的短轴两侧均设置有第一椭圆壳体，所述弯张壳体与第一椭圆壳体为一体结构，所述振子装配体沿长轴方向连接在弯张壳体的内部。它主要用于水下电声能量转化。主要用于水下电声能量转化。主要用于水下电声能量转化。
技术研发人员：卢苇 叶皓棠 周天放
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2022.07.14
技术公布日：2022/11/1
