一种双相自适应式水下换能器激振装置补偿平衡系统的制作方法

1.本发明涉及一种双相自适应式水下换能器激振装置补偿平衡系统，属于海洋探测、干扰技术领域。


背景技术：

2.高性能水下干扰系统能在水下长时间可控地向周边水域辐射出强震级宽带声场，对水下声呐系统和相应的水下监测器进行有效干扰，使得水下侦探系统所收集的数据大为失真。这种水下干扰系统应用也相当方便，它可在母船拖带下在重要战略海域特定海域巡航，当发现可疑船只或疑似目标时，即可抵近并向该海域释放出强大的物理场，达到干扰疑似船只或疑似水下监测目标时，也能用于军事等用途。
3.水下换能器激振器就是这样一种高性能干扰装置，可在所布控的水域按设定的频率及强度辐射宽带声场。目前世界各国的换能器激振器大多是利用各种激振机构激发膜板或壳体作复杂的机械振动以产生辐射声场，应用最为广泛的有三种：一是利用激振机构撞击锤敲击膜板发声，其激振机构多采用电力驱动；二是利用驱动机构带动一刚性辐射面(活塞膜板)作往复运动以辐射声场，其驱动机构多采用电动式或电液伺服式，以获得从次声频到声频的宽带声场，且频谱特征和声压可控；第三种是利用一定体积和压力的高压气体向水中突然释放能量，形成脉动气泡辐射声场，以获得低频和次声频声场。其中，第二种激振方式，频率范围可从几至一千赫兹，能确保安全，可靠和有效的工作，但其核心部件在工作和储存过程均对外界适应性较差，影响整套装置的使用寿命。
4.

技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种双相自适应式水下换能器激振装置补偿平衡系统，该系统能在水下不同深度自适应调节激振膜板气室内、外压力平衡，使激振膜板对中性得到极大提高；自动调节充液滚动密封圈液室内部液体压力与外压水压保持同步，从而能够延长充液滚动密封圈及激振器的工作寿命。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
7.一种双相自适应式水下换能器激振装置补偿平衡系统，包括高频气室、低频气室以及气液双相补偿腔体；还涉及水下换能器激振装置的壳体、高频激振膜板、低频激振膜板、充液滚动密封圈以及激振器；
8.气液双相补偿腔体是包含气体腔和液体腔的双腔体结构；
9.激振器驱动高频激振膜板和低频激振膜板沿轴线方向(指对应激振膜板的轴线方向)作大位移往复直线的随机振动，两个激振膜板(包含高频激振膜板和低频激振膜板)边界分别与充液滚动密封圈相连接，充液滚动密封圈随两个激振膜板往复振动而随之滚动，此时要求充液滚动密封圈连接部位均保持密封，以使辐射两侧与周围环境分开，从而使两个激振膜板在激振器作用下产生需要频率的振动；当水下换能器激振装置入水后，因外端
面直接与水接触，在垂直于高频激振膜板和低频激振膜板端面方向在两个激振膜板内、外表面会产生一定的压力差，且压力差值大小会随着工作深度的改变而改变，使两个激振膜板和充液滚动密封圈有向里运动的趋势，而这个趋势会直接作用于激振器上，这会给声辐射带来损失进而影响整个水下换能器激振装置的工作，同时这种压力差也会影响充液滚动密封圈和激振器的使用寿命。为解决这种随时变化的压差影响，在高频激振膜板后设计一个封闭的高频气室以及在低频激振膜板后设计一个封闭的低频气室，同时在水下换能器激振装置的壳体前端内部设置气液双相补偿腔体且气液双相补偿腔体与外部的水相接触，两个气室(包含高频气室和低频气室)分别通过管路与气液双相补偿腔体中的气体腔相连通，充液滚动密封圈通过管路和气液双相补偿腔体中的液体腔相连通。因空气的可压缩性及不同深度压强的差异，在入水前工作前需往气液双相补偿腔体中的气体腔充入一定大小压强的空气，当外部静水压力随着深度变化时，气液双相补偿腔体的体积随之变化，则补偿平衡系统可根据不同入水深度自适应补偿两个气室的气体容积，保证激振膜板内外压一致，从而使激振膜板始终保证对中性；因充液滚动密封圈外露易损伤从而引起内部液体微量泄露，因而工作前也需往气液双相补偿腔体中的液体腔充入液体，使补偿平衡系统可根据不同入水深度自适应补偿充液滚动密封圈内泄露液体，使充液滚动密封圈工作边界条件始终保持一致，从而延长充液滚动密封圈和激振器的工作寿命。
10.充液滚动密封圈在工作时需作往复运动，易产生液体泄露。为解决此问题，还可以在水下换能器激振装置内设置控制器、液体分流块以及压力传感器；液体分流块安装在连接充液滚动密封圈与气液双相补偿腔体的液体腔的管路上，液体分流块和压力传感器分别与控制器电性连接，传感器用于监测充液滚动密封圈内的压力，控制器根据压力传感器反馈的压力信息控制液体分流块向充液滚动密封圈内补充液体。
11.充液滚动密封圈作为主要组件，在激振膜板作往复运动时随之运动，该密封装置使激振膜板处壳体内外分开，起到静、动态密封的效果。在工作过程不仅受到垂直于激振膜板正压力，还在激振膜板自重的作用下，在垂直于激振膜板端面有一个向下的作用力，这个力不仅使充液滚动密封圈产生剪切变化，还同时作用于激振器上，从而影响充液滚动密封圈和激振器的工作寿命。为解决此问题，还可以在充液滚动密封圈内充入重水，因液体的不可压缩性，可将激振膜板自重作用力抵消。重水相对于普通水具有更稳定的物理性质，同时少量重水不会对人体和水下生物产生污染和影响，是充液滚动密封圈填充液体的理想工作介质。
12.还可以在水下换能器激振装置内设置平衡调节气瓶、姿态传感器以及气体分流块；气体分流块安装在连接两个气室与气液双相补偿腔体的气体腔的管路上，且平衡调节气瓶通过管路与气体分流块连接，气体分流块和姿态传感器分别与控制器电性连接，姿态传感器用于监测水下换能器激振装置的工作姿态，当出现低头情况时，控制器通过控制气体分流块将平衡调节气瓶内部分气体注入气液双相补偿腔体的气体腔内，加大头部浮力，使水下换能器激振装置调平，当出现抬头情况时，控制器通过控制气体分流块将气液双相补偿腔体的气体腔中部分气体注入水下换能器激振装置的密封舱体内，减小头部浮力，使水下换能器激振装置调平。
13.气液双相补偿腔体是由气囊和液囊组成的双囊式结构，并按照气囊在前液囊在后的排布方式设计成锥台结构，气囊前部(即锥台小端)的外圆面处沿轴向向前设计有环向凸
起空腔作为气囊腔的防死区，气囊的后部(即锥台大端)设有进出气口，液囊的后部设有进出液口，与水下换能器激振装置的壳体连接的气囊表面以及液囊表面均设计为加厚面，在气囊的表面由前部至后部沿圆周方向设计有多条加强筋，使气囊和液囊有外界压力作用下，主变形方向为沿锥台的轴向压缩，减小径向压缩，从而避免气囊死区和液囊死区的形成，能够提高有效容积效率，进而提高补偿平衡系统自适应补偿范围。
14.因水下换能器激振装置的壳体前部为透水结构，为减小迎流阻力带来的压强对气液双相补偿腔体的影响，在壳体前部逆流方向开设斜口偏向尾部的注排水口，可使拖曳过程中，减小水阻引起的压强波动对气液双相补偿腔体的影响。
15.有益效果：
16.(1)本发明通过在水下换能器激振装置中设置高频气室、低频气室以及气液双相补偿腔体，在水下换能器激振装置工作水深发生改变时，两个激振膜板和充液滚动密封圈外表面所受的压强随之发生变化，同时气液双相补偿腔体与外界相通且其内部压强也随着外界水压同步改变，由于气液双相补偿腔体的气体腔与两个气室相连通以及其液体腔与充液滚动密封圈相连通，则能够根据不同入水深度自适应补偿两个气室的气体容积以及补偿充液滚动密封圈内泄露液体，从而使激振膜板内、外压力始终保持同步变化、使充液滚动密封圈工作边界条件始终保持一致，进而保证激振膜板工作的对中性以及延长充液滚动密封圈和激振器的工作寿命。
17.(2)本发明通过设置的控制器、压力传感器以及液体分流块，可以在充液滚动密封圈内压力变小时及时补充重水，实现充液滚动密封圈内液体压力的自适应调节，也可以使充液滚动密封圈工作边界条件始终保持一致，从而能延长充液滚动密封圈和激振器的工作寿命。另外，在充液滚动密封圈内充入重水，因重水的不可压缩性，可以将激振膜板自重作用力抵消，从而能够降低压力差对充液滚动密封圈和激振器的影响，进而能够延长充液滚动密封圈和激振器的工作寿命。
18.(3)本发明通过设置的姿态传感器、气体分流块、平衡调节气瓶以及控制器，可以根据水下换能器激振装置的姿态调节气液补偿腔的气体腔内气体含量以调节壳体头部浮力的大小，实现水下姿态平衡的自动调整。
19.(4)本发明将气液双相补偿腔体设计成锥台结构，并进行局部加强和加厚，以及在气囊前部设计防死区，可以控制受外界压力时腔体主要变形方向，通过限制径向运动以及促进轴向运动，能够在相同腔体容积下，减少容积气体和液体死区，提高可变容积大小，进而提高补偿平衡系统自适应补偿范围。
20.(5)本发明在水下换能器激振装置的壳体前部逆流方向开设斜口偏向尾部的注排水口，可使拖曳过程中，有效减小水阻引起的压强波动对气液双相补偿腔体的影响。
附图说明
21.图1为实施例中所述补偿平衡系统的结构示意图。
22.图2为气液双相补偿腔体的结构示意图。
23.其中，1-壳体，2-气液双相补偿腔体，3-注排水口，4-充液滚动密封圈，5-高频气室，6-高频激振膜板，7-控制器，8-平衡调节气瓶，9-液体分流块，10-气体分流块，11-激振器，12-低频激振膜板，13-低频气室，14-姿态传感器，15-气囊，16-液囊，17-液囊加厚面，
18-进出液口，19-进出气口，20-加强筋，21-防死区，22-气囊加厚面。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。其中，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
25.实施例1
26.如1所示，一种双相自适应式水下换能器激振装置补偿平衡系统，包括高频气室5、低频气室13、气液双相补偿腔体2、控制器7、平衡调节气瓶8、液体分流块9、气体分流块10、压力传感器以及姿态传感器14；还涉及水下换能器激振装置的壳体1、高频激振膜板6、低频激振膜板12、充液滚动密封圈4以及激振器11；
27.因壳体1头部为透水结构，为减小迎流阻力带来的压强对气液双相补偿腔体2的影响，在壳体1头部逆流方向开设斜口偏向尾部的注排水口3(如图1所示)；除了壳体1头部为透水结构，壳体1其他部分为密封舱体，相应地，上述部件中除气液双相补偿腔体2外均安装在壳体1的密封舱体内；
28.如图2所示，气液双相补偿腔体2是由气囊15和液囊16组成的双囊式结构，并按照气囊15在前液囊16在后的排布方式设计成锥台结构，气囊15前部(即锥台小端)的外圆面处沿轴向向前设计有环向凸起空腔作为气囊腔的防死区21，气囊15的后部(即锥台大端)设有进出气口19，液囊16的后部设有进出液口18，与壳体1连接的气囊15表面以及液囊16表面均设计为加厚面(即图2中的气囊加厚面22和液囊加厚面17)，在气囊15的表面由前部至后部沿圆周方向设计有多条加强筋20，使气囊15和液囊16有外界压力作用下，主变形方向为沿锥台的轴向压缩，减小径向压缩，从而避免气囊15死区和液囊16死区的形成，能够提高有效容积效率，进而提高补偿平衡系统自适应补偿范围；
29.因水下换能器激振装置采用激振器11激发激振膜板相对于壳体1作的机械振动以产生辐射声场，结构上高频激振膜板6和低频激振膜板12通过充液滚动密封圈4与壳体1之间采用柔性密封组件相连，从而使高频激振膜板6和低频激振膜板12在激振器11作用下产生需要频率的振动。在水下换能器激振装置工作水深发生改变时，因外端面直接与水接触，在垂直于高频激振膜板6和低频激振膜板12端面方向会产生正压力的变化，使两个激振膜板和充液滚动密封圈4有向里运动的趋势，而这个趋势会直接作用于激振器11上，这会给声辐射带来损失进而影响整个水下换能器激振装置的工作。为解决此问题，在高频激振膜板6后(即该激振膜板的下方)设计一个封闭的高频气室5以及在低频激振膜板12后(即该激振膜板的上方)设计一个封闭的低频气室13，两个气室分别通过管路与气液双相补偿腔体2中的气体腔相连通，充液滚动密封圈4通过管路和气液双相补偿腔体2中的液体腔相连通，如图1所示。因空气的可压缩性及不同深度压强的差异，在入水前工作前需往气液双相补偿腔体2中的气体腔充入一定大小压强的空气以及往其液体腔充入液体。在水下换能器激振装置工作水深发生改变时，高频激振膜板6、低频激振膜板12和充液滚动密封圈4外表面所受的压强随之发生变化，同时气液双相补偿腔体2也与外界相通且其内部压强也随着外界水
压同步改变，则补偿平衡系统可根据不同入水深度自适应补偿两个气室的气体容积以及补偿充液滚动密封圈内泄露液体，从而使激振膜板内外压一致以及使充液滚动密封圈工作边界条件始终保持一致，进而使激振膜板始终保证对中性以及能够延长充液滚动密封圈和激振器的工作寿命。
30.充液滚动密封圈4在激振膜板作往复运动时随之运动，该密封装置使激振膜板处壳体1内外分开，起到静、动态密封的效果。在工作过程不仅受到垂直于激振膜板正压力，还在激振膜板自重的作用下，在垂直于激振膜板端面有一个向下的作用力，这个力不仅使充液滚动密封圈4产生剪切变化，还同时作于激振器11上，影响两者的工作寿命。为解决此问题，在充液滚动密封圈4内充入重水，因液体的不可压缩性，可将激振膜板自重作用力抵消，从而能够降低压力差对充液滚动密封圈4和激振器11的影响，进而能够延长充液滚动密封圈4和激振器11的工作寿命。另外，充液滚动密封圈4在工作时需作往复运动，易产生液体泄露。此时在连接充液滚动密封圈4与气液双相补偿腔体2的液体腔的管路上安装液体分流块9，压力传感器和液体分流块9分别与控制器7电性连接，压力传感器用于监测充液滚动密封圈4内的压力并将压力信息反馈给控制器7，如图1所示；当充液滚动密封圈4内压力变小时，控制器7通过控制液体分流块9向充液滚动密封圈4补充重水，使充液滚动密封圈4工作边界条件始终保持一致，从而也能够延长充液滚动密封圈4和激振器11的工作寿命。
31.另外，在连接两个气室与气液双相补偿腔体2的气体腔的管路上安装气体分流块10，且平衡调节气瓶8通过管路与气体分流块10连接，气体分流块10和姿态传感器14分别与控制器7电性连接，姿态传感器14用于监测水下换能器激振装置的工作姿态，平衡调节气瓶8存储的为高压气体，如图1所示；通过姿态传感器14监测到出现低头情况时，控制器7通过控制气体分流块10将平衡调节气瓶8内部分气体注入气液双相补偿腔体2的气体腔内，加大头部浮力，使水下换能器激振装置调平，若监测到出现抬头情况时，控制器7通过控制气体分流块10将气液双相补偿腔体2的气体腔内部分气体注入壳体1的密封舱体内，减小头部浮力，使水下换能器激振装置调平。
32.因水下换能器激振装置为强振动环境，为实现有效的缓冲，所有气体回路和液体回路中的连接管均用标准软管，提高系统的抗振性、可靠性和维修性。因气液双相补偿腔体2作为运动部件，工作过程处于动态伸缩状态，为防止长期储存的龟裂和工作过程中的疲劳断裂现象，在材料上优选选用具有耐油、耐海水、耐天侯老化、抗臭氧老化等性能的橡胶材料，在加工工艺上优选采用阴阳模加热、加压成型的方式，并在两层生橡胶之间铺设耐高温织布层。
33.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种双相自适应式水下换能器激振装置补偿平衡系统，其特征在于：包括高频气室、低频气室以及气液双相补偿腔体；还涉及水下换能器激振装置的壳体、高频激振膜板、低频激振膜板、充液滚动密封圈以及激振器；所述气液双相补偿腔体是包含气体腔和液体腔的双腔体结构，且气体腔中充有部分气体以及液体腔中充有部分液体；在高频激振膜板后设计一个封闭的高频气室，在低频激振膜板后设计一个封闭的低频气室，在水下换能器激振装置的壳体前端内部设置气液双相补偿腔体且气液双相补偿腔体与外部的水相接触，高频气室和低频气室分别通过管路与气液双相补偿腔体中的气体腔相连通，充液滚动密封圈通过管路和气液双相补偿腔体中的液体腔相连通。2.根据权利要求1所述的一种双相自适应式水下换能器激振装置补偿平衡系统，其特征在于：所述补偿平衡系统还包括控制器、液体分流块以及压力传感器；液体分流块安装在连接充液滚动密封圈与气液双相补偿腔体的液体腔的管路上，液体分流块、压力传感器以及控制器均安装在水下换能器激振装置的壳体内部，液体分流块和压力传感器分别与控制器电性连接，压力传感器用于监测充液滚动密封圈内的压力并将监测的压力信息反馈给控制器，控制器根据压力传感器反馈的压力信息控制液体分流块向充液滚动密封圈内补充液体。3.根据权利要求1所述的一种双相自适应式水下换能器激振装置补偿平衡系统，其特征在于：所述补偿平衡系统还包括控制器、平衡调节气瓶、姿态传感器以及气体分流块；气体分流块安装在连接两个气室与气液双相补偿腔体的气体腔的管路上，且平衡调节气瓶通过管路与气体分流块连接，控制器、平衡调节气瓶以及姿态传感器均安装在水下换能器激振装置的壳体内部，气体分流块和姿态传感器分别与控制器电性连接，姿态传感器用于监测水下换能器激振装置的工作姿态并将检测的姿态信息反馈给控制，控制器根据姿态传感器反馈的姿态信息控制气体分流块将平衡调节气瓶内部分气体注入气液双相补偿腔体的气体腔内或者将气液双相补偿腔体的气体腔中部分气体注入水下换能器激振装置的密封舱体内。4.根据权利要求1所述的一种双相自适应式水下换能器激振装置补偿平衡系统，其特征在于：所述补偿平衡系统还包括控制器、液体分流块、压力传感器、平衡调节气瓶、姿态传感器以及气体分流块；液体分流块安装在连接充液滚动密封圈与气液双相补偿腔体的液体腔的管路上，气体分流块安装在连接两个气室与气液双相补偿腔体的气体腔的管路上，平衡调节气瓶通过管路与气体分流块连接，液体分流块、压力传感器、控制器、平衡调节气瓶以及姿态传感器均安装在水下换能器激振装置的壳体内部，液体分流块、压力传感器、气体分流块以及姿态传感器分别与控制器电性连接，压力传感器用于监测充液滚动密封圈内的压力并将监测的压力信息反馈给控制器，姿态传感器用于监测水下换能器激振装置的工作姿态并将检测的姿态信息反馈给控制，控制器根据压力传感器反馈的压力信息控制液体分流块向充液滚动密封圈内补充液体，控制器根据姿态传感器反馈的姿态信息控制气体分流块将平衡调节气瓶内部分气体注入气液双相补偿腔体的气体腔内或者将气液双相补偿腔体的气体腔中部分气体注入水下换能器激振装置的密封舱体内。5.根据权利要求1至4任一项所述的一种双相自适应式水下换能器激振装置补偿平衡
系统，其特征在于：充液滚动密封圈内填充的液体为重水。6.根据权利要求1至4任一项所述的一种双相自适应式水下换能器激振装置补偿平衡系统，其特征在于：气液双相补偿腔体是由气囊和液囊组成的双囊式结构，并按照气囊在前液囊在后的排布方式设计成锥台结构，气囊前部的外圆面处沿轴向向前设计有环向凸起空腔作为气囊腔的防死区，气囊的后部设有进出气口，液囊的后部设有进出液口，与水下换能器激振装置的壳体连接的气囊表面以及液囊表面均设计为加厚面，在气囊的表面由前部至后部沿圆周方向设计有多条加强筋。7.根据权利要求1至4任一项所述的一种双相自适应式水下换能器激振装置补偿平衡系统，其特征在于：在水下换能器激振装置的壳体前部逆流方向开设斜口偏向尾部的注排水口。

技术总结
本发明涉及一种双相自适应式水下换能器激振装置补偿平衡系统，属于海洋探测、干扰技术领域。该补偿平衡系统包括高频气室、低频气室以及气液双相补偿腔体，同时涉及水下换能器激振装置的壳体、高频激振膜板、低频激振膜板、充液滚动密封圈以及激振器，通过管路使气液双相补偿腔体中的气体腔与两个气室相连通以及其液体腔与充液滚动密封圈相连通，可以根据不同入水深度自适应补偿两个气室的气体容积以及补偿充液滚动密封圈内泄露液体，从而使激振膜板内外压力始终保持同步变化、使充液滚动密封圈工作边界条件始终保持一致，进而保证激振膜板工作的对中性以及延长充液滚动密封圈和激振器的工作寿命。激振器的工作寿命。激振器的工作寿命。


技术研发人员：姜浩 甘文兵 路伟 詹金晶 段素平
受保护的技术使用者：宜昌测试技术研究所
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/8/24