【CN109949785A】基于Ⅲ型弯张换能器的拖曳线阵成阵结构【专利】
弯张换能器密排成阵性能的研究
弯张换能器密排成阵性能的研究作者：顾汉炳夏铁坚郝浩琦来源：《声学与电子工程》2019年第01期摘要 IV型弯张换能器极为适宜作为低频大功率发射声源使用，为获得更优的综合性能，通常利用多个换能器组合成阵。
为了实现小尺寸空间内声源级、带宽、指向性等指标的最优设计，采用密排的形式进行布阵，利用Ansys有限元软件，对_二元阵不同排布形式和间隔下的性能进行对比仿真分析，总结了IV型弯张换能器在密排形式下布阵所产生的规律，用四极子模型进行了解释，并进行了实测数据的验证。
测试结果与仿真较为符合，说明与常规半波长布阵形式相比，密排布阵确实能有效降低谐振频率，拓展带宽，获得全方向指向性。
关键词 IV型弯张换能器;密排;四极子模型：低頻随着西方国家潜艇浮筏减振、复合消声瓦技术的发展，潜艇自噪声进一步降低，隐蔽性增强，中高频主动声呐对敷瓦潜艇的探测距离大幅下降，低频大功率主动声呐目前在世界上被认为是对敷瓦潜艇最有效的探测手段[1]。
在0.3-3 kHz频段内的大功率发射换能器中，弯张换能器综合性能最优，其流线型的外型结构、较小的体积重量、极高的功率/体积比等特性，尤其适合充当低频主动拖曳系统的声源[2]。
为获得更高的声源级和特定的波束宽度，一般采用多个弯张换能器组合布阵。
而换能器成阵最为关注的是如何在有限的空间内实现声源级、带宽、指向性等指标的最优设计。
基于上述需求，本文对弯张换能器不同间距、不同布阵形式下性能进行了研究。
1 单换能器性能IV型弯张换能器由一椭圆柱壳体和内部的驱动振子组成，通过驱动振子的伸缩运动来带动壳体的弯曲振动。
由于椭圆壳体具有位移放大的效果，使得长轴方向较小的伸缩振动在短轴处被放大，从而实现小尺寸低频大功率声辐射。
IV型弯张换能器结构较为复杂，利用常规的理论计算难度较大且精度较低，因此通常采用有限元方法来进行仿真分析。
图1是一个常规IV型弯张换能器有限元模型。
对该换能器进行空气中的模态分析，提取其一阶振动位移矢量图如图2所示。
【CN109985796A】一种多边形阵元压电复合材料换能器制备方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910227179.7(22)申请日 2019.03.25(71)申请人 中国船舶重工集团公司第七一五研究所地址 311499 浙江省杭州市西湖区留下街道屏峰715号(72)发明人 仲林建 董铭锋 黄东 刘刚华 张凯 钟琴琴 (74)专利代理机构 杭州九洲专利事务所有限公司 33101代理人 陈继亮(51)Int.Cl.B06B 1/06(2006.01)(54)发明名称一种多边形阵元压电复合材料换能器制备方法(57)摘要本发明属于水声换能器领域，是一种多边形阵元压电复合材料换能器制备方法，换能器采用多边形阵元压电复合材料制作，换能器能够有更好的结构形式以及工作带宽。
所述的多边形阵元压电复合材料，通过对压电元件进行三次切割形成：切割缝隙尺寸X，第一个方向切割，阵元间距3X；然后旋转120°，进行第二次切割，阵元间距3X；切完后再次旋转120°，阵元间距3X；切割阵元间距为切割缝隙尺寸的3倍。
本发明的有益效果为：制作工艺简单，与正方形复合材料相比，有更好的机电耦合效率和工作带宽。
该换能器可应用于高频成像声纳、水下探测及避障等。
权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 109985796 A 2019.07.09C N 109985796A权 利 要 求 书1/1页CN 109985796 A1.一种多边形阵元压电复合材料换能器制备方法，其特征在于：换能器采用多边形阵元压电复合材料制作，所述的多边形阵元压电复合材料，通过对压电元件进行三次切割形成：切割缝隙尺寸X，第一个方向切割，阵元间距3X；然后旋转120°，进行第二次切割，阵元间距3X；切完后再次旋转120°，阵元间距3X；切割阵元间距为切割缝隙尺寸的3倍。
2.根据权利要求1所述的多边形阵元压电复合材料换能器制备方法，其特征在于：所述的多边形阵元压电复合材料，通过调节第二次和第三次切割时的起始位置，获得不同的多边形阵元结构。
耐压Ⅲ型弯张换能器研究
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(5) 式中，五和芦为顺性管材料的杨氏模量和泊松系
数 ，^为顺 性 管 内 外 压 强 差 。根 据 式 （4)、（5)，可 以计算出不同材料和尺寸的顺性管的压缩系数和 最大工作深度，如 表 1 所 示 。
表 1 不同尺寸及材料的顺性管对应的压缩系数及最大工作深度
(3)
式中，知为顺性管压缩系数， 为水的压缩系数。 1.2顺性管理论
顺性管最常见的结构形式为扁平圆柱管型，其 横截 面 如 图 2 所示 。顺性管的轴向长度远大于横截 面 的 长 度 I 、宽 度 F 、厚 度 r , 设计时只需要采用 二维模型来分析其特性。
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1. 1 .2 填充顺性管模型 溢 流 III型 弯 张 换 能 器 内 液 腔 包 含 水 和 一 定 数
目的顺性管，由于换能器工作频率较低，声波波长 远大于换能器和顺性管尺寸，可将内液腔流体和顺 性管看作均匀的等效流体。
25
杨 斌 颖 等 ：耐压in型弯张换能器研究
假设i l l 型 弯 张 换 能 器 内 液 腔 的 体 积 为 r Q，则有: \Cm = V0K
2019年 第 2 期
声学与电子工程
总 第 134期
耐压III型弯张换能器研宄
杨斌颖王艳沈明杰 (上海船舶电子设备研究所，上海，201108 )
摘 要 为 了提升III型弯张换能器的耐压性能，对深水换能器常用的耐压方式进行了研宄。提出了一种通过 溢流填充顺性管的方式来提升II丨型弯张换能器耐压性能的方法。利用有限元软件对III型弯张换能器进行仿真 计算并制作了换能器样机，同时设计了一款适装于该换能器的小尺寸顺性管。测量得到顺性管的耐压能力大 于 3 MPa, 换能器的耐压能力大于2 MPa, 在工作频段680~3 000 H z声源级大于175 dB。研究结果表明，填 充顺性管的溢流III型弯张换能器不仅耐压能力得到了提升，且在较宽频带内具备大功率发射能力。
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(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910139059.1
(22)申请日 2019.02.25
(71)申请人 中国船舶重工集团公司第七二六研
究所
地址 201100 上海市闵行区金都路5200号
(72)发明人 马雄超 刘振君 欧阳荀 孙逸来
李科
(74)专利代理机构 上海段和段律师事务所
31334
代理人 李佳俊 郭国中
(51)Int.Cl.
G10K 9/12(2006.01)
(54)发明名称基于Ⅲ型弯张换能器的拖曳线阵成阵结构(57)摘要本发明涉及一种海洋工程海底石油勘探等水声设备拖曳线列阵技术领域内的基于Ⅲ型弯张换能器的拖曳线阵成阵结构，包括螺纹孔、吊环、强力绳、承重螺杆、通孔、电缆线；承重螺杆位于换能器对称中心轴上，螺纹孔位于换能器两端盖板上，吊环与螺纹孔相匹配并固定连接，强力绳穿过吊环连接相邻换能器，通孔位于换能器盖板外边沿上，电缆线从通孔穿过换能器；通孔成对设置，并随拖曳线阵换能器数量的改变而改变。
本发明能够使Ⅲ型弯张换能器成拖曳线阵时所需的PU护套管内径最小，PU护套管直径利用率几近100％，实现“无边框”成阵，换能器直径得到
最大化。
权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 109949785 A 2019.06.28
C N 109949785
A
权 利 要 求 书1/1页CN 109949785 A
1.一种基于Ⅲ型弯张换能器的拖曳线阵成阵结构，其特征在于，包括螺纹孔、吊环、强力绳、承重螺杆、通孔、电缆线；
所述承重螺杆位于换能器对称中心轴上，所述螺纹孔位于换能器两端盖板上，所述吊环与所述螺纹孔相匹配并固定连接，所述强力绳穿过所述吊环连接相邻换能器，所述通孔位于换能器盖板外边沿上，所述电缆线从所述通孔穿过换能器；
所述通孔成对设置，并随拖曳线阵换能器数量的改变而改变，所述通孔数量的变化规律为：位于第一序位的换能器通孔对数等于拖曳线阵换能器总数减一，从首至尾的换能器上的通孔对数依次递减，其递减幅度为1对。
2.根据权利要求1所述的基于Ⅲ型弯张换能器的拖曳线阵成阵结构，其特征是，所述螺纹孔成对设置在换能器两端盖板上，位于同一端的所述螺纹孔的孔间距不小于换能器外径的1/3。
3.根据权利要求2所述的基于Ⅲ型弯张换能器的拖曳线阵成阵结构，其特征是，相邻换能器端盖上相对应的螺纹孔的旋转方向相反。
4.根据权利要求1所述的基于Ⅲ型弯张换能器的拖曳线阵成阵结构，其特征是，所述吊环的外径为换能器外径的1/2。
5.根据权利要求3所述的基于Ⅲ型弯张换能器的拖曳线阵成阵结构，其特征是，所述吊环的内径至少比其外径小16mm。
6.根据权利要求1所述的基于Ⅲ型弯张换能器的拖曳线阵成阵结构，其特征是，所述强力绳穿入所述吊环后采取打结成活套的方式连接相邻换能器。
7.根据权利要求1所述的基于Ⅲ型弯张换能器的拖曳线阵成阵结构，其特征是，所述通孔均匀分布在换能器盖板上，所述通孔距离盖板外边沿2mm。
8.根据权利要求6所述的基于Ⅲ型弯张换能器的拖曳线阵成阵结构，其特征是，所述通孔包括第一通孔与第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔位于平行于换能器轴线的同一条直线上。
9.根据权利要求8所述的基于Ⅲ型弯张换能器的拖曳线阵成阵结构，其特征是，所述第一通孔、所述第二通孔所包含的通孔数量为2个，同时两个所述通孔对由盖板圆心隔开，并对称地布置在换能器同一直径上。
10.根据权利要求1所述的基于Ⅲ型弯张换能器的拖曳线阵成阵结构，其特征是，所述强力绳为kevlar绳。
2。