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1、10申请公布号CN104038862A43申请公布日20140910CN104038862A21申请号201310071343222申请日20130306H04R1/4420060171申请人中国科学院声学研究所地址100190北京市海淀区北四环西路21号72发明人安峰岩孙红灵程晓斌杨军74专利代理机构北京法思腾知识产权代理有限公司11318代理人杨小蓉杨青54发明名称一种电动式水声发射换能器57摘要本发明提供了一种电动式水声发射换能器，具有体积小、工作深度高的优点，可实现水下甚低频、宽带、大功率声辐射。该换能器包含由壁面和底面组成的耐压外壳及换能器上部端口附近的活塞辐射面；所述活塞辐射面由安。
2、装于耐压外壳内部的空气弹簧支撑，并通过板簧与耐压外壳壁面连接；所述空气弹簧内部安装一电磁作动器，用于激励所述活塞辐射面的纵向振动进而辐射声波；所述电磁作动器上部安装一电涡流位移传感器，用于监测所述活塞辐射面的纵向位置，从而配合外部气压控制系统调节空气弹簧内部气压，实现气压、水压的静压平衡；所述耐压外壳底面中空部分安装有电气接口板，包括连接外部气压控制系统的气阀以及电磁激振器、位移传感器的电接口。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图2页10申请公布号CN104038862ACN104038862A1/1页21一。
3、种电动式水声发射换能器，其特征在于，包含由壁面（7）和底面（8）组成的耐压外壳，在耐压外壳的内部设置纵向伸缩的空气弹簧（2），该空气弹簧（2）用于支撑位于壁面（7）上部端口附近的水平放置的活塞辐射面（6）；所述空气弹簧（2）内部布放一用于激励所述活塞辐射面（6）纵向振动进而辐射声波的电磁作动器（1），所述电磁作动器（1）固定于位于耐压外壳底面的电气接口板（11）上，所述电磁作动器（1）的力输出端则与活塞辐射面（6）相连，该电磁作动器（1）的上表面放置用于监测活塞辐射面（6）纵向位置的电涡流位移传感器（4）；所述电气接口板（11）固定在耐压外壳底面（8）的中空部分，且该电气接口板（11）上设置一。
4、用于调节空气弹簧（2）内部气压的气阀（9）和一电接口（10），且该电接口（10）进一步包含电磁作动器（1）输入接口和电涡流位移传感器（4）的信号输出接口。2根据权利要求1所述的电动式水声发射换能器，其特征在于，所述电磁作动器（1）通过螺杆和螺丝与所述活塞辐射面（6）相连，所述螺杆两端分别连接电磁作动器（1）的输出端与活塞辐射面（6）的中心通孔。3根据权利要求1所述的电动式水声发射换能器，其特征在于，所述换能器还包含一板簧，该板簧位于耐压外壳壁面的上端口处并连接活塞辐射面（6）的中心和耐压外壳壁面（7），用于限制该板簧下方的活塞辐射面的横向位移。4根据权利要求3所述的电动式水声发射换能器，其特征。
5、在于，所述活塞辐射面（6）通过一连接件与板簧连接，该连接件使用O型圈固定于活塞辐射面（6）的中心处，实现水密。5根据权利要求1所述的电动式水声发射换能器，其特征在于，所述换能器还包含设置在耐压外壳内侧活塞辐射面对应位置附近的若干上下对称的限位装置（3），该限位装置（3）为半圆形片状凸起，用于限制活塞辐射面的纵向位移；所述活塞辐射面（6）相应于限位装置（3）设置有若干与限位装置（3）的半圆形凸起尺寸相同的半圆形槽（15）。6根据权利要求1所述的电动式水声发射换能器，其特征在于，所述活塞辐射面（6）由铝制成，其上刻有多个扇形凹槽（16）。7根据权利要求1所述的电动式水声发射换能器，其特征在于，所述。
6、活塞辐射面（6）与壁面（7）间隔12毫米。8根据权利要求1所述的电动式水声发射换能器，其特征在于，所述电动式水声发射换能器在不同工作深度下通过外部气压控制系统调节空气弹簧（2）的内部气压，实现水压、气压的静压平衡，使活塞辐射面（6）处于平衡位置（上下两组限位装置的中心），从而保证换能器的正常工作；其中，所述外部气压控制系统结构为所述的外部气压控制系统包含气源（17）、三通气阀（18）和二通气阀（19），其中三通气阀（18）的第一气口和第三气口分别通过气管（20）连接二通气阀（19）和气源（17），其第二气口则直接通向大气，而二通气阀（19）另一气口则通过气管（20）连接换能器气阀（9）。权利要。
7、求书CN104038862A1/5页3一种电动式水声发射换能器技术领域0001本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种电动式水声发射换能器。背景技术0002声波是唯一已知的能够在水下远距离传播的信息载体，声学方法是水下探测、测量、目标识别及定位、海洋地质勘探等诸多领域的主要手段，其应用日益深入。随着现代水声技术的发展，在一些领域中声波的低端工作频率已延伸至几十赫兹的甚低频段，因此作为水声技术得以实施的必要工具，甚低频宽带水声换能器、尤其是发射换能器的研制具有重要意义和价值。0003在实现水下甚低频宽带声辐射的方法中，常见的有溢流式圆环换能器、多模弯张换能器、电动式换能器等。其中溢流式圆环换能。
8、器、多模弯张换能器基于不同结构对换能器进行设计，调整和利用结构不同模态的共振，从而达到甚低频宽带声辐射。上述两种类型的换能器辐射面两侧均为水，虽然这一特点使换能器具有耐静压能力强、工作深度高的优点，但其低频声辐射效率却较低。为达到较高的甚低频声辐射能力，该类型换能器一般体积大、质量高、损耗功率大，故其实际应用受到一定限制。0004电动式换能器主要由磁路以及连接线圈的刚性活塞组成。当通以电流时，磁场中的线圈将受到力的作用从而激发活塞振动辐射声波，因此该型换能器又称为动圈式换能器。由于活塞面内侧为空气，电动式换能器的声辐射效率较高，故在相同声辐射能力下其体积、质量及损耗功率相对较小。但为保证换能器。
9、在不同深度下均能正常工作，必须对活塞内腔气压进行调节，以平衡静水压。目前的电动式换能器一般采取压力自平衡结构，即通过柔性气囊储存一定量空气，利用不同深度下气囊体积的压缩保证其内部气压与外部水压的一致，从而实现不同深度下气压、水压的自平衡，例如英国DATAPHYSICS公司的UW600型动圈式超低频换能器，及专利公开号为CN102075828A的一种水下甚低频宽带声源，该类型换能器一般结构如图1所示。由于空气可压缩性较强，采用现有技术的电动式换能器不仅体积较大，其工作深度也受到一定限制。发明内容0005本发明的目的在于，为克服目前电动式换能器的不足，提供一种小体积、高工作深度的甚低频宽带发射换能。
10、器，可以实现水下大功率声辐射，即本发明提供了一种新型电动式水声发射换能器。0006本发明提供的电动式水声发射换能器，其特征在于，包含由壁面7和底面8组成的耐压外壳，在耐压外壳的内部设置纵向伸缩的空气弹簧2，该空气弹簧2用于支撑位于壁面7上部端口附近的水平放置的活塞辐射面6；0007所述空气弹簧2内部布放一用于激励所述活塞辐射面6纵向振动进而辐射声波的电磁作动器1，所述电磁作动器1固定于位于耐压外壳底面的电气接口板11上，所述电磁作动器1的力输出端则与活塞辐射面6相连，该电磁作动器1的上表面放置用于监测活塞辐说明书CN104038862A2/5页4射面6纵向位置的电涡流位移传感器4；0008所述。
11、电气接口板11固定在耐压外壳底面8的中空部分，且该电气接口板8上设置一用于调节空气弹簧2内部气压的气阀9和一电接口10，且该电接口10进一步包含电磁作动器1输入接口和电涡流位移传感器4的信号输出接口。0009上述电磁作动器1通过螺杆和螺丝与所述活塞辐射面6相连，所述螺杆两端分别连接电磁作动器1的输出端与活塞辐射面6的中心通孔。0010上述换能器还包含一板簧，该板簧位于耐压外壳壁面7的上端口处并连接活塞辐射面6的中心和耐压外壳壁面7，用于限制该板簧下方的活塞辐射面的横向位移。0011上述活塞辐射面6通过一连接件与板簧连接，该连接件使用O型圈固定于活塞辐射面6的中心处，实现水密。0012上述换能器。
12、还包含设置在耐压外壳内侧活塞辐射面对应位置附近的若干上下对称的限位装置3，该限位装置3为半圆形片状凸起；0013所述活塞辐射面6相应于限位装置3设置有若干与限位装置3的半圆形凸起尺寸相同的半圆形槽15。0014上述活塞辐射面6由铝制成，其上刻有多个扇形凹槽16，以减轻其质量。0015上述活塞辐射面6与壁面7间隔12毫米。0016在不同工作深度下，需通过外部气压控制系统调节空气弹簧2的内部气压，实现水压、气压的静压平衡，使活塞辐射面6处于平衡位置（上下两组限位装置的中心），从而保证换能器的正常工作；0017其中，所述外部气压控制系统结构为0018所述的外部气压控制系统包含气源17、三通气阀18和。
13、二通气阀19，其中三通气阀18的第一气口和第三气口分别通过气管20连接二通气阀19和气源17，其第二气口则直接通向大气，而二通气阀19另一气口则通过气管20连接换能器气阀9。0019可通过如下步骤操作上述外部气压控制系统，实现对换能器内部气压的调节0020首先，开启二通气阀19；0021其次，根据电涡流位移传感器4输出信号判断活塞辐射面6的当前位置，若高于平衡位置，则联通三通气阀18的第一气口和第二气口进行放气、降低活塞辐射面6的位置，反之则联通三通气阀18的第一气口和第三气口进行充气、提高活塞辐射面6的位置；0022当活塞辐射面6被调整至平衡位置时，关闭二通气阀19，完成气压调节过程。002。
14、3可选的，上述气压调节过程可使用PID控制器及三通伺服气阀自动实现，其中PID控制器输入为位移传感器的输出信号，其输出则对三通伺服气阀进行控制，从而自动实现上述放气和充气的操作。0024本发明所采用的技术方案是换能器由耐压外壳、板簧、活塞辐射面、空气弹簧、电磁作动器、电涡流位移传感器、电气接口板及一些连接件组成；活塞辐射面安装于换能器的上端面，其纵向活塞振动向换能器外侧辐射声波；活塞辐射面内侧通过空气弹簧进行支撑，即利用空气弹簧连接活塞辐射面和换能器下端面，空气弹簧内部充以空气；活塞辐射面直径略小于耐压外壳内径，二者之间留有一定缝隙，同时使用具有高横向刚度、低纵向刚度的金属板簧连接活塞辐射面和。
15、耐压外壳，在保证辐射面纵向振动柔性的同时避免其出现较大的横向位移、进而产生摩擦影响换能器声辐射性能；活塞辐射面通过其中心的连接件与金说明书CN104038862A3/5页5属板簧连接，该连接件与辐射面间使用O型圈进行密封，保证水密性；为提高换能器声辐射能力，活塞辐射面由密度较小的铝制成，且其上表面刻有多个扇形凹槽，在保证其整体刚度的同时降低质量；空气弹簧内部装有电磁作动器，用于激发活塞辐射面的纵向振动，该电磁作动器通过螺杆与辐射面中心连接固定；在空气弹簧内部使用电涡流位移传感器对活塞辐射面的纵向位移进行监测，该传感器通过底座安装于电磁作动器上部；在耐压外壳上端面内侧圆周上装有上下两组限位装置，。
16、每组限位装置由匀布于圆周上的若干个半圆形片状突起构成，其目的在于限制活塞辐射面的纵向位移、保护电磁作动器，同时在活塞辐射面圆周的对应位置刻有半圆形槽，以便于安装；换能器的下端面装有电气接口板，板上装有电磁作动器输入接口、位移传感器输出接口及气阀，该电气接口板使用O型圈与耐压外壳底端进行连接。0025本发明实际应用时需使用水密电缆连接电磁作动器输入接口和位移传感器接口，同时需使用气管连接气阀。当换能器浸入水中预定工作位置后，首先应根据位移传感器输出调节空气弹簧内部气压，使活塞辐射面位于平衡位置，即上下限位装置之间的中心位置，从而达到水压、气压的静压平衡。该过程可通过人工调节实现，也可使用控制器配。
17、合伺服气阀自动实现。上述过程完成后，即可通过功放驱动电磁作动器，激发活塞辐射面的纵向活塞振动，进而向水中辐射声波。0026与最接近的现有技术相比，本发明的主要优势在于00271本发明的技术方案由于放弃了现有甚低频宽带水声换能器的压力自平衡结构并代以位移传感器和气阀、通过岸上调节控制的方式实现静压平衡，故与一般电动式换能器相比，本发明具有更小的体积，并可以达到更高的工作深度。00282与具有压力自平衡结构、一般需要水平放置的电动式换能器不同，本发明由于直接对腔内气压进行调节，故使用时其活塞辐射面的朝向不受限制。附图说明0029图1是现有技术水声换能器采用的压力自平衡电动式换能器的结构；0030图。
18、2是本发明的主视结构示意图；0031图3是本发明活塞辐射面上侧表面结构图；0032图4是本发明外部气压控制系统示意图。0033附图标识00341、电磁作动器，2、空气弹簧，3、限位装置，00354、电涡流位移传感器，5、金属板簧，6、活塞辐射面，00367、耐压外壳壁面，8、耐压外壳底面，9、气阀，003710、电接口（电磁作动器输入接口、位移传感器输出接口），003811、电气接口板，12、连接件，13、位移传感器底座，003914、柔性气囊，15、半圆形槽，16、扇形凹槽，004017、气源，18、三通气阀，19、二通气阀，004120、气管。具体实施方式说明书CN104038862A4/。
19、5页60042下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。0043本发明提供了一种甚低频宽带水声换能器，具有体积小、工作深度高的优点，可以实现水下甚低频、宽带、大功率声辐射。0044按照本发明研制的甚低频宽带水声换能器结构如图2所示，其整体呈圆柱形，由耐压外壳、板簧、活塞辐射面、空气弹簧、电磁作动器、电涡流位移传感器、电气接口板及一些连接件组成。0045所述的耐压外壳由壁面7和底面8两部分构成，二者通过螺栓固定；所述的活塞辐射面6位于耐压外壳壁面7的上端面，其纵向活塞振动向换能器外部辐射声波；在换能器内部，活塞辐射面6由空气弹簧2进行支撑，即利用空气弹簧2连接活塞辐射面6和耐压外壳底面8；在空气弹。
20、簧2支撑的内腔中安装电磁作动器1，电磁作动器的输出端通过螺栓固定于活塞辐射面6中心的通孔上，用于激发活塞辐射面6的纵向活塞振动从而向外部辐射声波；所述的电磁作动器1通过螺丝固定于电气接口板11上，而电气接口板11则通过螺丝固定于耐压外壳底面8上，电气接口板11和耐压外壳底面8二者间使用O型圈进行密封，保证水密性；所述的电涡流位移传感器4通过底座13安装于电磁作动器1的上部，用于监测活塞辐射面6的纵向位移，从而配合外部气压控制系统（所述的外部气压控制系统的结构如下文所述）对空气腔内气压进行调节，维持活塞辐射面6始终处于平衡位置，即实现空气腔内部气压和外部水压的静压平衡。0046所述的电气接口板1。
21、1上安装有气阀9和电接口10，其中电接口10包括电磁作动器输入接口和位移传感器输出接口两部分；换能器工作时需要使用水密线缆连接电接口10，同时应使用气管连接气阀9。0047所述的外部气压控制系统主要由气源17、三通气阀18、二通气阀19组成，如图4所示。其中三通气阀18气口、分别通过气管20连接二通气阀19和气源17，其另一气口则直接通向大气，而二通气阀19另一气口则通过气管20连接换能器气阀9。气压具体调节过程如下首先开启二通气阀19；其次根据位移传感器4输出信号判断活塞辐射面6的当前位置，若高于平衡位置，则联通三通气阀18气口和进行放气、降低活塞辐射面6的位置，反之则联通气口和进行充气、提。
22、高活塞辐射面6的位置；当活塞辐射面6被调整至平衡位置时，关闭二通气阀19，完成气压调节过程。上述手动调节过程也可使用PID控制器及三通伺服气阀自动实现，其中PID控制器输入为位移传感器4输出信号，其输出则对三通伺服气阀进行控制自动实现上述放气、充气的操作。所述的活塞辐射面6与耐压外壳壁面7间留有1MM缝隙，并使用金属板簧5通过连接件12连接耐压外壳壁面7与活塞辐射面6；由于金属板簧具有较高的横向刚度以及较低的纵向刚度，故能在保证活塞辐射面6纵向振动柔性的同时避免其出现较大的横向位移、进而产生摩擦影响换能器声辐射性能；连接件12通过螺丝固定于活塞辐射面6中心，由于活塞辐射面6中心有孔，故在连接件。
23、12和活塞辐射面6间使用O型圈进行密封，实现水密。0048在耐压外壳壁面7内侧装有限位装置3，用于限制活塞辐射面6的纵向位移、保护电磁作动器1；限位装置3分为上下两组，每组由3个半圆形突起构成，呈120匀布于圆周上；同时在活塞辐射面6圆周的对应位置刻有相同尺寸半圆形槽15，如图3所示，以便于安装。0049为降低质量、提高声辐射能力，所述活塞辐射面6及连接件12均由密度较小的铝说明书CN104038862A5/5页7制成，且活塞辐射面6上表面刻有8个扇形凹槽16，如图3所示；相邻的扇形凹槽间存在筋，以保证活塞辐射面6的整体刚度。0050本发明实施例的具体装配方式如下00511将活塞辐射面6安装于。
24、空气弹簧2上端，并将空气弹簧2安装于耐压外壳底面8上；00522将耐压外壳壁面7与耐压外壳底面8连接，注意安装时应调整耐压外壳壁面7的套入角度，使限位装置3正对活塞辐射面6的半圆形凹槽，待活塞辐射面6进入上下限位装置之间时，旋转耐压外壳壁面，使活塞辐射面6的半圆形凹槽与限位装置3错开，从而正确实现限位；00533将电磁作动器1固定于电气接口板11上，并将电气接口板11固定于耐压外壳底面8上，二者间使用O型圈密封，安装时应使电磁作动器1顶部的螺杆穿过活塞辐射面6中心的通孔，并调整螺杆顶端螺丝的位置，使活塞辐射面6位于平衡位置时螺杆不受力，此时在活塞辐射面6上侧安装螺丝实现螺杆的固定；00544将。
25、连接件12安装于活塞辐射面6中心，二者间使用O型密封圈；00555在连接件12及耐压壳壁面7间安装板簧5。0056本发明实施例的具体使用步骤如下00571使用水密线缆和气管分别连接电接口和气阀，检查接口气密性和水密性后将换能器置于水中预定位置；00582根据位移传感器的输出信号配合外部气压控制系统进行放气/充气操作，调整空气弹簧内部气压，使活塞辐射面处于平衡位置，该过程可通过手动气阀人工调节实现，也可使用PID控制器配合伺服气阀自动实现；00593开启电磁作动器功率放大器，输入信号后换能器将开始工作。0060本发明提供了一种新型甚低频宽带水声换能器，具体是一种电动式发射换能器。其主要特点是使用。
26、空气弹簧对活塞辐射面进行支撑，并通过安装于空气弹簧内部的电磁作动器激励其纵向振动辐射声波，而利用板簧对其横向位移进行约束；为实现其气压、水压的静压平衡，使用电涡流位移传感器对活塞辐射面的纵向位置进行监测，并通过外部气压控制系统实现对空气弹簧内部气压的控制。0061本发明与已有技术相比，具有体积重量小、工作深度高、易于悬挂安装等优点，能够实现水下甚低频、宽带、大功率声辐射的设计目标。0062除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。说明书CN104038862A1/2页8图1图2说明书附图CN104038862A2/2页9图3图4说明书附图CN104038862A。