一种品字形低频宽带换能器

技术领域

本发明属于水声信号探测技术领域，具体涉及一种品字形低频宽带换能器。

背景技术

吊放声纳系统，轻巧紧凑，在水声探测领域应用较为广泛。现役吊放声纳一般只具备探测功能，随着水声探测体系的发展，对平台设备的要求也相应提高，吊放声纳不仅要具备探测和应召反潜的功能，还需要具备多基地通信能力，这就需要吊放声纳发射阵具有较宽的工作带宽。而国内现役主战吊放声纳以高发射源级为目标，工作带宽一般较窄，不能满足通讯要求。现役吊放声纳一般分为处理机、接收机、发射机、吊放电缆和水下声基阵（包括发射阵和接收阵），受制于安装平台尺寸要求，目前低频吊放声纳的水下声基阵一般采用可收扩式的结构形式，即使用时扩展开，提高声基阵性能，存放时收拢，减小在平台的占用空间。

其中发射阵性能如何优化是急需要解决的问题。现役吊放声纳可收扩发射阵使用的均是弯曲圆盘换能器。现役吊放声纳在设计时，对发射阵最为关注的指标是工作频率和发射声源级，为满足不断提高的探测要求，期望发射阵工作频率越来越低，发射声源级越来越高，同时对发射阵空间尺寸要求却极为苛刻。为同时满足工作频率、发射声源级和空间尺寸要求，设计了可收扩发射阵，发射阵工作时展开，提高阵增益，进而提高发射声源级，发射阵存储时收拢，减少存储空间。弯曲圆盘换能器具有圆饼型结构、小尺寸低频发射特性，非常适合用于吊放声纳收扩式发射阵，但弯曲圆盘换能器3dB发射响应带宽一般仅8%，即使利用互辐射拓展带宽，在不明显影响发射阵谐振频率的前提下，一般也仅能达到15%左右，依然无法有效满足通信带宽要求。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种品字形低频宽带换能器，主要面向吊放声纳发射阵，为吊放声纳增加通信功能提供技术支撑。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种品字形低频宽带换能器，包括换能器本体，所述换能器本体包括支撑环、连接器、骨架、连接线、水密胶、支撑板、压电陶瓷、焊片、螺钉和硫化橡胶层，所述支撑环为三角形外形结构，所述骨架设置有三个呈三角分布相连的圆环，骨架安装在支撑环内，所述支撑板安装在骨架的圆环内，所述压电陶瓷安装在支撑板上，压电陶瓷与支撑板合称为弯曲振子，所述连接器对称设置在支撑环两侧的直线段处，所述硫化橡胶层设置在支撑环内侧顶部，所述水密胶填充在多个弯曲振子与硫化橡胶层之间的缝隙处。

优选地，所述骨架采用钛合金材料，所述硫化橡胶层底部设置有多个定位台阶，骨架放置在定位台阶上。

优选地，所述支撑环三个顶点处呈圆弧过渡，其圆弧与内部相邻弯曲振子同心，且支撑环外侧三个顶角位置处设置有组成扩展阵所需阵元间距接口，所述连接器出口两侧支撑环上设置有阵元承力接口。

优选地，所述连接线用于并联弯曲振子，并将并联后的弯曲振子正、负极引线与连接器连接，且连接线为耐电压高温导线。

优选地，所述连接器外壳采用钛合金材料，且连接器采用两芯、耐大电压连接器。

优选地，所述压电陶瓷直径小于支撑板直径，压电陶瓷采用P8压电圆片，所述支撑板采用钛合金材料制得，支撑板一侧设置有圆形台阶。

优选地，所述水密胶采用聚氨酯橡胶材料，所述硫化橡胶层采用氯丁橡胶材料。

优选地，所述焊片为镀银单头焊片，焊片用于焊接弯曲振子正极引线，所述螺钉为M2x5定制钛合金螺钉，螺钉用于将焊片固定在弯曲振子的支撑板上。

优选地，所述连接器的输出方向共同朝向支撑环上无连接器一侧的直线段。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明通过三个弯曲振子由一个硫化橡胶层进行水密，较单独水密振子极大简化了振子间的接线形式，同时减小了换能器最大外形尺寸，通过利用振子间声场耦合效应，较常规弯曲圆盘换能器明显拓展了工作带宽；

三角形结构外形，两个输出连接器位于圆弧间的两个直线段上，电缆由连接器输出后在圆弧处自然弯曲，该结构形式可实现换能器对接电缆后，整体直径最小，如使用该换能器组成扩展阵，有利于扩展阵设计，降低扩展阵占用空间体积，为具备通信功能的宽带吊放声纳发射阵实现提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明低频宽带换能器的整体结构示意图；

图2为本发明低频宽带换能器的骨架结构示意图；

图3为本发明低频宽带换能器的压电陶瓷与支撑板组件结构示意图；

图4为本发明低频宽带换能器的硫化橡胶层装配连接器后的结构示意图；

图5为本发明低频宽带换能器的发送电压响应曲线图。

图中标记如下：

1-支撑环；2-连接器；3-骨架；4-连接线；5-水密胶；6-支撑板；7-压电陶瓷；8-焊片；9-螺钉；10-硫化橡胶层。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而非全部。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1-5所示，一种品字形低频宽带换能器，包括换能器本体，所述换能器本体包括支撑环1、连接器2、骨架3、连接线4、水密胶5、支撑板6、压电陶瓷7、焊片8、螺钉9和硫化橡胶层10，所述支撑环1为三角形外形结构，所述骨架3设置有三个呈三角分布相连的圆环，骨架3安装在支撑环1内，所述支撑板6安装在骨架3的圆环内，所述压电陶瓷7安装在支撑板6上，压电陶瓷7与支撑板6合称为弯曲振子，弯曲振子与弯曲圆盘换能器振子一致，具有小尺寸低频发射特性，压电陶瓷7用于驱动弯曲振子做弯曲振动，支撑板6为弯曲振子金属结构件，用于构成弯曲振子空气背衬腔，所述连接器2对称设置在支撑环1两侧的直线段处，所述硫化橡胶层10设置在支撑环1内侧顶部，硫化橡胶层10用于水密弯曲振子，所述水密胶5填充在多个弯曲振子与硫化橡胶层10之间的缝隙处。

具体地，所述骨架3采用钛合金材料，骨架的有三个圆环直径为107mm，壁厚为1.5mm，高度为7mm，三个圆环圆心两两间距125mm，骨架3用于确定弯曲振子的相对位置关系，同时实现弯曲振子的简支边界支撑，一个金属骨架3实现三个弯曲振子的边界支撑，可实现水平布置的三个弯曲振子中心间距最小，三个弯曲振子中心位于等边三角形的三个顶点，所述硫化橡胶层10底部设置有多个定位台阶，骨架3放置在定位台阶上。

具体地，所述支撑环1三个顶点处呈圆弧过渡，最大外径350mm，高度40mm，其圆弧与内部相邻弯曲振子同心，且支撑环1外侧三个顶角位置处设置有组成扩展阵所需阵元间距接口，所述连接器2出口两侧支撑环1上设置有阵元承力接口，支撑环1用于硫化橡胶层10时的支撑骨架，同时预留宽带低频换能器构成扩展阵的结构。

具体地，所述连接线4用于并联弯曲振子，并将并联后的弯曲振子正、负极引线与连接器2连接，且连接线4为耐电压高温导线，线径1mm

具体地，所述连接器2外壳采用钛合金材料，耐电压优于1000V，耐电流优于8A，且连接器2采用两芯、耐大电压连接器。

具体地，所述压电陶瓷7直径小于支撑板6直径，压电陶瓷7采用P8压电圆片，压电陶瓷7直径为90mm，厚度为5mm，所述支撑板6采用钛合金材料制得，支撑板6一侧设置有圆形台阶，支撑板6直径为107mm，高度为6mm，台阶直径为104mm，高度为2mm。

具体地，所述水密胶5采用聚氨酯橡胶材料，其在80℃高温下具有优良的流动性，所述硫化橡胶层10采用氯丁橡胶材料，硫化橡胶层10是在支撑环1内部通过模具硫化成型。

具体地，所述焊片8为镀银单头焊片，焊片8圆孔直径为2.5mm，焊片8用于焊接弯曲振子正极引线，所述螺钉9为M2x5定制钛合金螺钉，螺钉9用于将焊片8固定在弯曲振子的支撑板6上。

具体地，所述连接器2的输出方向共同朝向支撑环1上无连接器2一侧的直线段。

本发明具体元器件按以下操作执行：

1） 元器件处理：将压电陶瓷7圆片正极面打毛，去氧化层，并用酒精擦洗干净；将支撑环1和支撑板6等金属结构件用汽油浸泡清洗；

2）喷砂：将支撑板6与压电陶瓷7粘接面和支撑环1硫化橡胶面喷砂粗化，喷砂时注意保护非粘接和非硫化位置；

3）硫化：将支撑环1放入专用硫化模具，填注氯丁橡胶加热、加压硫化；

4）压电陶瓷圆片粘接：配制环氧粘接剂若干，均匀涂在支撑板6喷砂位置，将压电陶瓷7圆片正极与支撑板6粘接，粘接时需用手向下用力挤压，擦掉多余环氧粘接剂，用装用工装夹紧后放入烘箱固化；

5）振子装配：配制环氧粘接剂若干，均匀涂在粘接好压电陶瓷7圆片的支撑板6的台阶位置，将支撑板6放入骨架3，擦掉多余环氧粘接剂，用装用工装夹紧后放入烘箱固化；

6）焊线：将焊片8用螺钉9紧固在骨架3上，用高温导线将焊片8与连接器2的芯线对接，用高温导线即连接线4将所有压电陶瓷7圆片并联，并将连接线4与连接器2的芯线对接；

7）水密：将组装并焊好导线的硫化橡胶层10、弯曲振子、连接器2放入专用灌注模具，在一定温度下由硫化橡胶层10的敞口面注入聚氨酯橡胶，聚氨酯橡胶与橡胶套齐平后停住注胶，放入烘箱固化。

本发明的有益效果测试结果如图5所示。

以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。