專利名稱：水聽器相位低頻校準管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水聲計量測試領(lǐng)域，具體屬于聲學電動換能器領(lǐng)域，主要是一種水聽器相位 低頻校準管。
背景技術(shù)：
由于聲吶基陣對水聽器基元有相位、幅度一致性的要求，在低頻段目前對水聽器進行校 準的方法有振動液柱法、耦合腔互易法和壓電補償法等，在這些方法上建立的測量裝置， 構(gòu)成復雜，測量程序和裝置維護比較煩瑣。利用本發(fā)明專利水聽器相位低頻校準管建立的比 較法校準裝置，具有構(gòu)成簡單、易于操作和維護的特點，方便低頻水聽器的校準和測量。
水聽器相位低頻校準管的核心是活塞式電動換能器，其工作原理和特點與空氣中使用的 動圈揚聲器相類似。當其中的振動線圈受到交變電流激勵時，就會產(chǎn)生隨電流變化的磁場， 這一磁場和換能器內(nèi)部的固有磁場發(fā)生相互作用，使振動線圈沿軸向上下振動，驅(qū)動振動活 塞和柔性橡膠振動膜以相同的頻率向校準管腔體內(nèi)的媒質(zhì)輻射聲波，從而得到測量所需的聲 信號。通常，在諧振頻率以上頻段，活塞式電動換能器具有平坦的發(fā)送電流響應，能產(chǎn)生高 聲級、高保真度的測量聲信號；在諧振頻率以下頻段，發(fā)送電流響應會隨頻率下降急劇減小， 效率很低。
由于水聽器相位低頻校準管中，媒質(zhì)的聲特性阻抗遠大于空氣，為使振動膜片能夠產(chǎn)生 較大的直線位移，膜片本身應設計成重量輕而柔軟，同時為防止媒質(zhì)侵入換能器內(nèi)部，需要 用橡膠懸置系統(tǒng)來密封和支撐膜片。通常采用橡膠硫化或灌注聚氨脂橡膠工藝來實現(xiàn)。由于 水的靜壓作用，會導致振動膜片發(fā)生靜態(tài)位移，電動換能器的發(fā)射性能發(fā)生較大改變，需要 采用合適的壓力補償措施加以避免。
為保證校準管內(nèi)聲場的均勻性和穩(wěn)定性，尤其在換能器的徑向，要求校準管中只有(O，O) 號簡正波傳播，而沒有其他高次諧波存在。校準管的最低共振頻率應高于液柱四分之一諧振 頻率，測量頻率應低于液柱的最低共振頻率，液柱高度應大于校準管的直徑。在理論上，要 求水聽器相位低頻校準管是剛性硬壁管，即聲波引起媒質(zhì)的振動傳到管壁上被截止，管壁上的聲壓有最大值。通常，管壁越厚越硬，管中聲速越接近自由場聲速；管壁越薄，越容易激 發(fā)管壁的共振。實際應用時，在管體半徑確定的情況下，盡量采用厚管壁，但也要考慮實用 性和加工的復雜程度。
國內(nèi)在校準管上多采用金屬薄壁管，管壁共振對管內(nèi)聲場的干擾明顯。國際上，美國USRD 在水聲測量用電動換能器上有較多的研究和應用，先后研制了J9、 Jll等多種低頻電動發(fā)射 器，但是將電動換能器和金屬厚壁管設計組合為一體，用來校準和測量水聽器的低頻聲學性 能，未見文獻報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述技術(shù)存在的不足，而提供一種水聽器相位低頻校準管，主要是 一種圓柱形金屬開口管，管體內(nèi)部充有一定高度的傳聲媒質(zhì)如除氣水、蓖麻油、溶劑石瑙油 等，底部有活塞式電動換能器，在信號源和功率放大器推動下，驅(qū)動振動活塞和柔性橡膠膜 沿軸向上下振動，在媒質(zhì)中產(chǎn)生測量所需的高信噪比、穩(wěn)定的低頻測量聲場，聲壓的強度通 過改變驅(qū)動電流的大小進行控制。適用于小尺寸水聽器低頻聲學特性的測量和校準，具有低 頻、寬帶、耐油、防漏水和防腐蝕等特點，以及良好的時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供這樣一種水聽器相位低頻校準管，包括金屬剛性管體， 金屬剛性管體內(nèi)設有互相連通的校準管腔和換能器腔，校準管腔用于盛放液態(tài)媒質(zhì)并形成液 柱，金屬剛性管體的管壁厚度大于或等于校準管腔的半徑；在校準管腔底部的支撐臺階上安 裝有柔性橡膠振動膜，柔性橡膠振動膜下面連接有振動活塞，振動線圈通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)固 定在振動活塞背面，振動活塞用于在磁隙中間沿軸向作上下往復運動；柔性橡膠振動膜的中 心線、振動活塞的中心線、振動線圈的中心線三者與金屬剛性管體的中心線完全重合；金屬 剛性管體底部的換能器腔中安裝有活塞式電動換能器，活塞式電動換能器由永磁圓環(huán)、內(nèi)磁 極、外磁極、底座、法蘭蓋和端蓋組成，內(nèi)磁極、外磁極與永磁圓環(huán)緊密貼合，磁極間隙在 1 1.5mm之間，法蘭蓋通過第一緊固螺釘固定在內(nèi)磁極頂部，端蓋用第二緊固螺釘固定在 底座的頂部。
所述金屬剛性管體為剛性硬壁管，采用低磁導率的不銹鋼材料，最低共振頻率高于液柱 四分之一諧振頻率；測量頻率低于液柱的最低共振頻率；液柱的高度應大于校準管腔的直徑。所述柔性橡膠振動膜由氯丁橡膠加熱硫化成型或聚氨酯橡膠灌注成型，橡膠硬度控制在 邵式A硬度55 60度；柔性橡膠振動膜的邊緣部分與金屬剛性管體的支撐臺階采用橡膠硫化 工藝聯(lián)結(jié)；柔性橡膠振動膜與振動活塞的輻射面采用橡膠硫化工藝聯(lián)結(jié)。
所述振動活塞由金屬鎂合金或鋁合金制成，振動活塞的徑高比為4 : 1，振動活塞的中間 部分加工成蜂窩狀或同圓心狀密排小孔。
所述的振動線圈為細漆包線繞制在圓形骨架上的低頻線圈。
所述換能器腔腔壁上固定安裝有航空插座，航空插座的接線端子與振動線圈的引出線焊 接固定。
本發(fā)明的有益效果是-
1、 把活塞式電動換能器和盛放液態(tài)媒質(zhì)的剛性管組合設計成一體。管體采用金屬剛性厚 壁管設計，不銹鋼材料整體加工構(gòu)成，在有效地減小管壁共振對聲場影響的同時，拓寬了校 準管的工作頻段，對水聽器相位測量具有良好的穩(wěn)定作用。
2、 柔性橡膠振動膜由氯丁橡膠加熱硫化或聚氨酯橡膠灌注制成，與振動活塞的輻射面、 與金屬管壁的支撐結(jié)合處，均采用橡膠加熱硫化或聚氨酯橡膠灌注工藝永久聯(lián)結(jié)成一體，確 保柔性橡膠振動膜、振動活塞和振動線圈三者的中心線重合，使振動沿管體軸向進行。同時， 也避免了液態(tài)測量媒質(zhì)向電動換能器內(nèi)部的侵入。
3、 振動活塞為金屬鎂鋁合金制成。為減低活塞固有彎曲振動的影響和降低系統(tǒng)的諧振頻 率，采用增加活塞的厚度和減輕活塞重量的措施，在選擇合適徑高比的同時，中間加厚部分 加工成蜂窩狀或同圓心狀密排小孔。
4、 永磁材料設計采用高磁能積的釹鐵硼NdFeB材料，與傳統(tǒng)的鐵氧體材料相比，具有居 里溫度高、硬度大、磁化場強度高、電阻率低等優(yōu)良特性。
5、 電動換能器采用防漏磁保護設計，防漏磁保護層采用低磁導率的黃銅材料完全將磁路 系統(tǒng)包敷，避免外界雜散磁場的干擾，同時也減小了內(nèi)部永磁體磁場對外界的影響。


圖l本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意5圖2本發(fā)明的柔性橡膠振動膜、振動活塞和振動線圈組合示意圖； 圖3本發(fā)明的活塞式電動換能器結(jié)構(gòu)示意附圖標記說明1:金屬剛性管體；校準管腔；1_2:換能器腔；2:柔性橡膠振動膜；3: 振動活塞；4:振動線圈；5:永磁圓環(huán)；6:內(nèi)磁極；7:外磁極；8:底座；9:法蘭蓋；10: 端蓋；11:航空插座；12:支撐腳；13:第一緊固螺釘；14:第二緊固螺釘；15:環(huán)氧樹脂。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對發(fā)明作進一步說明
如圖所示，這種水聽器相位低頻校準管，包括金屬剛性管體l，支撐腳12安裝固定在管 體底部。金屬剛性管體1內(nèi)設有互相連通的校準管腔1-1和換能器腔1-2，校準管腔1-1用 于盛放液態(tài)媒質(zhì)的并形成液柱，金屬剛性管體1的管壁厚度大于或等于校準管腔1-1的半徑; 在校準管腔1-1底部的支撐臺階上安裝有柔性橡膠振動膜2，柔性橡膠振動膜2下連接有振 動活塞3，振動線圈4通過環(huán)氧樹脂15粘結(jié)固定在振動活塞3背面，振動活塞3用于在磁隙 中間沿軸向作上下往復運動；柔性橡膠振動膜2的中心線、振動活塞3的中心線、振動線圈 4的中心線三者與金屬剛性管體1的中心線完全重合，才能保證振動沿軸向進行，不會產(chǎn)生 偏差。金屬剛性管體1底部的換能器腔1-2中安裝有活塞式電動換能器，活塞式電動換能器 由永磁圓環(huán)5、內(nèi)磁極6、外磁極7、底座8、法蘭蓋9和端蓋10組成，內(nèi)磁極6、外磁極7 與永磁圓環(huán)5緊密貼合，磁極間隙在l 1.5mm之間，法蘭蓋9通過第一緊固螺釘13固定在 內(nèi)磁極6頂部，端蓋10用第二緊固螺釘14固定在底座8的頂部。
所述金屬剛性管體1為剛性硬壁管，采用低磁導率的不銹鋼材料，最低共振頻率高于液 柱四分之一諧振頻率；測量頻率低于液柱的最低共振頻率；液柱的高度應大于校準管腔1-1 的直徑。
所述柔性橡膠振動膜2由氯丁橡膠加熱硫化成型或聚氨酯橡膠灌注成型，橡膠硬度控制 在邵式A硬度55 60度；柔性橡膠振動膜2的邊緣部分與金屬剛性管體1的支撐臺階采用橡 膠硫化工藝聯(lián)結(jié)；柔性橡膠振動膜2與振動活塞3的輻射面采用橡膠硫化工藝聯(lián)結(jié)。圖2給 出柔性橡膠振動膜2、振動活塞3和振動線圈4的組合剖面示意圖。柔性橡膠振動膜2與振 動活塞3之間需要專用的硫化模具，采用橡膠熱硫化工藝也可以采用聚氨酯橡膠灌注工藝永 久固定聯(lián)結(jié)，成型后的柔性橡膠振動膜2必須是輕而柔軟的，表面平整光滑和無氣泡等缺陷。 采用橡膠加熱硫化或聚氨酯橡膠灌注工藝聯(lián)結(jié)，可有效防止媒質(zhì)侵入電動換能器。所述的振動活塞3，為金屬鎂合金或鋁合金制成。為減低活塞固有的彎曲振動影響，需 適當增加活塞的厚度；為降低系統(tǒng)固有的諧振頻率，應盡可能減輕振動活塞的重量。因此，
振動活塞的徑高比通常選取4: 1，同時中間加厚部分可加工成蜂窩狀或同圓心狀密排小孔。 所述的振動線圈4為細漆包線繞制在圓形骨架上的低頻線圈，具有工作頻帶低，阻抗低、 絕緣強度高、工藝輕巧等優(yōu)點。振動線圈與活塞粘接固定，可以在磁隙中沿軸向作上下往復 運動。
所述換能器腔1-2腔壁上固定安裝有航空插座11，航空插座11的接線端子與振動線圈4 的引出線焊接固定。
所述的永磁圓環(huán)，為高磁能積的釹鐵硼NdFeB材料壓鑄燒結(jié)成型，表面光潔平整，鍍鎳 防腐處理，具有居里溫度高、硬度大、磁化場強度高、電阻率低等優(yōu)良特性。所述的內(nèi)磁極 S極、外磁極N極，均采用高強度碳結(jié)構(gòu)鋼精密加工而成，具有表面光潔平整，磁導率高， 鍍鋅防腐處理等特點。設計磁極間隙1 1.5 mm為最佳。
圖3給出本發(fā)明的活塞式電動換能器結(jié)構(gòu)示意圖，它由永磁圓環(huán)5、內(nèi)磁極6、外磁極7、 底座8、法蘭蓋9、端蓋10等組成。電動換能器的組成順序是在底座8內(nèi)部依次裝入內(nèi)磁 極6、永磁圓環(huán)5、外磁極7，均勻調(diào)整磁極間隙，保證磁極間隙在lmm。然后將法蘭蓋9用 第一緊固螺釘13固定在內(nèi)磁極6頂部，端蓋10用第二緊固螺釘14固定在底座8的頂部，這 樣完成了電動換能器和磁路保護系統(tǒng)的組裝過程。
防漏磁保護層，由底座、端蓋、法蘭盤和緊固螺釘?shù)冉M成，全部采用低磁導率的黃銅材 料精密加工而成，兼有保護內(nèi)部磁路系統(tǒng)和安裝時精密定位的雙重作用。全包敷防漏磁結(jié)構(gòu) 設計，可以免遭外界雜散磁場的干擾，同時也減小了內(nèi)部永磁體磁場對外界的影響。
結(jié)合圖1所示，將電動換能器及防漏磁保護層精密安裝在金屬剛性管體1的底部，通過 8個緊固螺釘固定聯(lián)接，這樣就完成了水聽器相位低頻校準管的裝配和制造的全過程。
除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技 術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種水聽器相位低頻校準管，其特征在于包括金屬剛性管體(1)，金屬剛性管體(1)內(nèi)設有互相連通的校準管腔(1-1)和換能器腔(1-2)，校準管腔(1-1)用于盛放液態(tài)媒質(zhì)并形成液柱，金屬剛性管體(1)的管壁厚度大于或等于校準管腔(1-1)的半徑；在校準管腔(1-1)底部的支撐臺階上安裝有柔性橡膠振動膜(2)，柔性橡膠振動膜(2)下面連接有振動活塞(3)，振動線圈(4)通過環(huán)氧樹脂(15)粘結(jié)固定在振動活塞(3)背面，振動活塞(3)用于在磁隙中間沿軸向作上下往復運動；柔性橡膠振動膜(2)的中心線、振動活塞(3)的中心線、振動線圈(4)的中心線三者與金屬剛性管體(1)的中心線完全重合；金屬剛性管體(1)底部的換能器腔(1-2)中安裝有活塞式電動換能器，活塞式電動換能器由永磁圓環(huán)(5)、內(nèi)磁極(6)、外磁極(7)、底座(8)、法蘭蓋(9)和端蓋(10)組成，內(nèi)磁極(6)、外磁極(7)與永磁圓環(huán)(5)緊密貼合，磁極間隙在1～1.5mm之間，法蘭蓋(9)通過第一緊固螺釘(13)固定在內(nèi)磁極(6)頂部，端蓋(10)用第二緊固螺釘(14)固定在底座(8)的頂部。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聽器相位低頻校準管，其特征在于所述金屬剛性管體(1) 為剛性硬壁管，采用低磁導率的不銹鋼材料，最低共振頻率高于液柱四分之一諧振頻率；測 量頻率低于液柱的最低共振頻率；液柱的高度應大于校準管腔(1-1)的直徑。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聽器相位低頻校準管，其特征在于所述柔性橡膠振動膜(2) 由氯丁橡膠加熱硫化成型或聚氨酯橡膠灌注成型，橡膠硬度控制在邵式A硬度55 60度；柔性橡膠振動膜(2)的邊緣部分與金屬剛性管體(1)的支撐臺階采用橡膠硫化工藝聯(lián)結(jié)；柔性橡膠振動膜(2)與振動活塞(3)的輻射面采用橡膠硫化工藝聯(lián)結(jié)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聽器相位低頻校準管，其特征在于所述振動活塞(3)由金屬鎂合金或鋁合金制成，振動活塞(3)的徑高比為4: 1，振動活塞(3)的中間部分加工 成蜂窩狀或同圓心狀密排小孔。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聽器相位低頻校準管，其特征在于所述的振動線圈(4) 為細漆包線繞制在圓形骨架上的低頻線圈。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聽器相位低頻校準管，其特征在于所述換能器腔(1-2)腔壁上固定安裝有航空插座(11)，航空插座(11)的接線端子與振動線圈(4)的引出線焊 接固定。
全文摘要
本發(fā)明涉及水聲計量測試領(lǐng)域，主要是一種水聽器相位低頻校準管，包括金屬剛性管體，金屬剛性管體內(nèi)設有互相連通的校準管腔和換能器腔，校準管腔用于盛放液態(tài)媒質(zhì)并形成液柱，金屬剛性管體的管壁厚度大于或等于校準管腔的半徑；在校準管腔底部的支撐臺階上安裝有柔性橡膠振動膜，柔性橡膠振動膜下面連接有振動活塞，振動線圈通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)固定在振動活塞背面，柔性橡膠振動膜的中心線、振動活塞的中心線、振動線圈的中心線三者與金屬剛性管體的中心線完全重合；換能器腔中安裝有活塞式電動換能器。本發(fā)明有益的效果適用于小尺寸水聽器低頻聲學特性的測量和校準，具有低頻、寬帶、耐油、防漏水和防腐蝕等特點，以及良好的時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。
文檔編號G01H11/00GK101672691SQ200910153509
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者平 徐, 騰 費, 涵 趙, 毅 陳 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所