复合驱动的亥姆赫兹换能器

1.本技术涉及地球物理勘探学领域，具体涉及一种复合驱动的亥姆赫兹换能器。


背景技术：

2.甚低频声波具有传播衰减小、透射性强的特征，因此甚低频换能器在海洋研究、国防装备、地球物探等方面有着十分重要的应用，是超远距离通信、隐身目标探测、水声目标模拟、水声物理实验、物探井间地震等研究方向的关键技术之一。尤其在地球物探方面，甚低频声源是穿透地层、深地探测的有力工具。以近年来发展迅速的海底井间地震技术来说，利用井下布置的甚低频声源的强穿透性可以对井周数百米到上千米范围内的地质构造进行探测，进而判断井周的油气藏分布。
3.甚低频换能器一直是声波换能器的重要研究热点之一，根据实现方式的不同，甚低频换能器可分为：电磁式换能器、机械式换能器、冲击声源、开缝圆管换能器、弯张换能器、helmholtz换能器等种类。
4.电磁式换能器是将换能器的辐射面与通电线圈机械连接，再将通电线圈放入磁场中，通电线圈在磁场力的作用下运动，以此带动换能器的辐射面振动。中国专利cn112911469a，cn217250374u，cn101150885等公布了不同形式的电磁式换能器，该类换能器谐振频率低，体积小，但是均存在耐压性差的问题，这限制了其在井孔中的使用。
5.机械式换能器由电机、机械驱动结构和辐射面组成。它是通过电机驱动一种可以往返运动的凸轮连杆结构，带动辐射面作往返运动，可以通过调节电机的转速和凸轮连杆结构的驱动位置改变换能器的工作频率和振动位移幅。美国专利us1514834，us4207626，us8441892，us8520471，中国专利cn106842285a，cn110244347b等公布了各式各样的机械式换能器，但该类换能器由于没有谐振特性，一般不适合产生复杂信号。
6.冲击声源是指一类能量被瞬间释放，产生较强冲击声波的声源。其种类可分为电火花声源、炸药爆炸声源、空气枪声源等。中国专利cn216434393，cn217766866，cn11856582a，cn214067404u，cn213750349u，cn212596883u等公布了不同种类的冲击声源，该类声源能量大，频带宽，但是其可重复性，可控性不好，且对井壁的破坏极大。
7.开缝圆管换能器是在普通压电圆管上开缝，使圆管的一阶谐振由径向谐振转变为弯曲谐振，实现低频发射。美国专利us2812452，中国专利cn1077277468，cn212596883u等公布了各种尺寸的开缝圆管换能器，此类换能器的频率虽然很低，但是其耐压性不好，且响应不够高。
8.弯张换能器是将换能器的外壳设计成类椭圆形，把放置于长轴处的有源元件的伸缩振动转变为短轴处无源壳体的弯曲振动。中国专利cn115134705a，cn107231594b，cn108942207a，cn108777831a，cn104681020a等公布了大量的弯张换能器，此类换能器利用了类椭圆壳体的位移放大效应，因此功率很大，但是其在低频实现时，尺寸仍旧过大，并且耐压性很差，这限制了其在井孔中的使用。
9.亥姆赫兹(helmholtz)换能器是将helmholtz谐振腔充液形成液腔，再利用有源元
件的结构振动驱动液腔振动实现低频发射。此类换能器常被设计成圆管状，且其结构为天然的溢流结构，理论上可耐无限压力，因此非常适合在井孔中使用。中国专利cn103646642，cn106448644b，cn215871845u等公布了不同形式的helmholtz换能器，在这些专利中，发明人利用圆环换能器的径向振动、janus换能器的纵向振动、弯张换能器的弯曲振动驱动液腔振动，但无一例外，他们都仅用单种结构振动去驱动液腔振动，这导致helmholtz换能器的响应不够高。


技术实现要素：

10.为了提供一种耐压、小尺寸、甚低频、大功率的换能器，本技术提出了一种复合驱动的亥姆赫兹换能器，该复合驱动的亥姆赫兹换能器利用弯曲振动和径向振动联合驱动液腔振动，很好地解决了单驱动helmholtz换能器响应不高的问题，其可应用于井孔中，工作于井下150℃，70mpa的高温高压环境。
11.具体而言，本技术所提供的复合驱动的亥姆赫兹换能器包括：弹性囊体与换能器本体，所述换能器本体置于所述弹性囊体之内，其中：所述换能器本体包括：能够作径向振动的管状换能单元，其内部形成圆柱形腔，该圆柱形腔与所述弹性囊体的内腔连通；所述管状换能单元的至少一端安装有能够作弯曲振动的环状换能单元；和，所述弹性囊体的内腔与所述圆柱形腔中充满绝缘液体。
12.本技术的有益效果在于：一方面，本技术的换能器本体利用环状换能单元的弯曲振动和管状换能单元的径向振动联合驱动液腔振动，可实现小尺寸、低频、大功率的工作特性。另一方面，本技术的复合驱动的亥姆赫兹换能器通过充液设计，将所述换能器本体置于所述弹性囊体之内，可增强所述换能器本体的耐高压能力。
附图说明
13.图1是本技术一种实施方式的复合驱动的亥姆赫兹换能器的剖视示意图，其示出弹性囊体与换能器本体之间的位置关系，在该实施方式中，管状换能单元包括两个压电管，且管状换能单元的两端均安装有环状换能单元；
14.图1a是本技术一种实施方式的复合驱动的亥姆赫兹换能器的剖视示意图，其示出弹性囊体与换能器本体之间的位置关系，在该实施方式中，管状换能单元包括一个压电管，且管状换能单元的一端安装有环状换能单元；
15.图1b是本技术一种实施方式的复合驱动的亥姆赫兹换能器的剖视示意图，其示出弹性囊体与换能器本体之间的位置关系，在该实施方式中，管状换能单元包括一个压电管，且管状换能单元的两端均安装有环状换能单元；
16.图2是本技术一种实施方式的换能器本体的示意图；
17.图3是图2的剖视示意图；
18.图4是本技术一种实施方式的环状换能单元的示意图；
19.图5是图4的剖视示意图；
20.图6是本技术一种实施方式的硬质管套的剖视示意图，其示出所述硬质管套的安装腔与接驳部；
21.图7是本技术一种实施方式的硬质管套和中间衬体与端部衬体的装配示意图；
22.图8是本技术一种实施方式的发射电压响应的仿真结果；
23.图9是本技术一种实施方式的液腔的谐振频率随着环状换能单元内径的变化而变化的示意图；
24.图10是本技术一种实施方式的液腔的谐振频率随着颈部长度的变化而变化的示意图。
25.附图标记：1-弹性囊体，11-内腔；2-换能器本体，21-管状换能单元，22-环状换能单元，221-金属基片圆环，222-压电圆环，223-颈部，23-圆柱形腔，24-中间衬体，25-端部衬体，251-引线孔，26-硬质管套，261-安装腔，262-接驳部。
具体实施方式
26.为了提供一种耐压小尺寸甚低频大功率换能器，本技术利用弯曲振动和径向振动联合驱动液腔振动，提出了一种复合驱动的亥姆赫兹换能器，该复合驱动的亥姆赫兹换能器解决了单驱动亥姆赫兹换能器响应不高的问题，其可应用于井孔中，工作于井下150℃、70mpa的高温高压环境。
27.具体而言，如图1、图1a、图1b和图3所示，本技术所提供的复合驱动的亥姆赫兹换能器包括弹性囊体1与换能器本体2，所述换能器本体2置于所述弹性囊体1之内。其中：
28.所述换能器本体2包括：能够作径向振动的管状换能单元21，其内部形成圆柱形腔23，该圆柱形腔23与所述弹性囊体1的内腔11连通，以构成复合驱动的亥姆赫兹换能器的液腔。所述管状换能单元21的至少一端安装有能够作弯曲振动的环状换能单元22，换言之，可以在所述管状换能单元21的一端安装能够作弯曲振动的环状换能单元22(见图1a)，也可以在所述管状换能单元21的两端安装能够作弯曲振动的环状换能单元22(见图1b)，优选地，所述管状换能单元21的两端均安装有能够作弯曲振动的环状换能单元22。
29.所述弹性囊体1的内腔11与所述圆柱形腔23中充满绝缘液体。所述弹性囊体1可采用适当材质以起到平衡压力的作用，优选地，所述弹性囊体采用橡胶材质。所述弹性囊体1中所充绝缘液体为油，优选地，可采用硅油、蓖麻油等油种，起到绝缘与平衡压力的作用。
30.本技术的换能器本体2利用环状换能单元22的弯曲振动和管状换能单元21的径向振动联合驱动液腔振动，可实现小尺寸、低频、大功率的工作特性。
31.本技术的复合驱动的亥姆赫兹换能器通过充液设计，将所述换能器本体2置于所述弹性囊体1之内，可增强所述换能器本体2的耐高压能力，使其可工作于井下的高压环境。
32.优选地，所述环状换能单元22与所述管状换能单元21之间设置有端部衬体25，以彼此绝缘并减小彼此间的振动传递。优选地，所述端部衬体25为圆环结构，其直径与所述管状换能单元21的直径相同。
33.如图4和图5所示，所述环状换能单元22可以包括：金属基片圆环221；该金属基片圆环221的至少一端安装有压电圆环222，优选地，所述金属基片圆环221的两端均安装有压电圆环222。其中：所述压电圆环222的内径等于金属基片圆环221的内径；和，所述压电圆环222的外径小于金属基片圆环221的外径。
34.所述压电圆环222的内径可设置在10-30mm范围之间，外径可设置在30-80mm范围之间，厚度可设置在0-8mm范围之间，且不等于0。所述金属基片圆环221内径可设置在10-30mm范围之间，外径可设置在30-100mm范围之间，厚度可设置在0-8mm范围之间，且不等于
0。
35.优选地，所述金属基片圆环221的内周面沿轴线方向延伸预定长度，以形成探入所述圆柱形腔23的颈部223。通过改变所述环状换能单元22的内径以及所述颈部的长度，能够降低液腔的谐振频率，进而实现低频的工作特性。图9是液腔的谐振频率随着环状换能单元22内径(也就是压电圆环222和金属基片圆环221的内径)的变化而变化的示意图，从中可以看出：随着环状换能单元22内径的减小，液腔振动的谐振频率降低，也就是说，可以通过改变环状换能单元22的内径大小调整液腔的谐振频率；图10是液腔的谐振频率随着颈部223长度的变化而变化的示意图，从中可以看出：随着颈部223长度的增长，液腔振动的谐振频率降低，也就是说，可以通过改变颈部223长度来调整液腔的谐振频率。
36.所述金属基片圆环可以采用铝合金、不锈钢合金、铜合金等金属材料，用于作为环状换能单元22的辐射面，并增加环状换能单元22的结构强度。
37.所述压电管和压电圆环可选择适当的材质，优选为压电陶瓷材料，具体可采用pzt-4、pzt-5、pzt-8等功能材料的一种或者几种，作为换能器产生振动的核心部件。
38.所述管状换能单元21可以包括一个或多个压电管，其中，所述管状换能单元21可以包括一个压电管的情况如图1a或图1b所示，优选地，所述管状换能单元21包括多个压电管以构建长圆柱形腔，实现低频的工作特性。在所述管状换能单元21包括多个压电管的情况下，优选地，不同的所述压电管之间设置有中间衬体24，以彼此绝缘并减小彼此间的振动传递。其中，多个压电管的拓扑可以通过外部的连接结构实现。优选地，所述换能器本体2包括：硬质管套26，其套设于所述管状换能单元21的外周，以向所述管状换能单元21施加预应力，其材质优选为玻璃钢。
39.优选地，当所述管状换能单元21包括多个压电管时，如图6所示，所述硬质管套26相应地具有多节安装腔261，多节所述安装腔261的腔壁与多个所述压电管的外周面相配合，以将多个所述压电管保持在端对端连接的位置；和，不同的所述安装腔261的接驳部262与环状的所述中间衬体24连接，以通过所述中间衬体24隔开不同的所述压电管。如图7所示：优选地，所述中间衬体24为圆环结构，直径与压电管的直径相同，其中部设有一个凹槽；优选地，硬质管套26的所述接驳部262设有凸环以与所述中间衬体24上的凹槽嵌合。
40.如图3和图7所示：优选地，所述端部衬体25设置为环状，其一端与所述硬质管套26的端部连接，其另一端与所述金属基片圆环221连接，以通过所述端部衬体25隔开所述环状换能单元22与所述管状换能单元21；和，所述端部衬体25具有引线孔251以供导线通过。优选地，该硬质管套26的端部设有凸环以与所述端部衬体25上的凹槽嵌合。
41.其中，所述端部衬体25和中间衬体24均采用绝缘材料，优选地，可采用环氧泡沫、硬性聚氨酯泡沫、纳米复合泡沫、peek等材料，起到所述环状换能单元22与所述管状换能单元21之间以及多个压电管之间的振动去耦作用。
42.优选地，所述端部衬体25和中间衬体24的厚度可设置在0-8mm范围之间，且不等于0。
43.优选地，所述压电管的内径可设置在10-30mm范围之间，外径可设置在30-100mm范围之间，长度可设置在20-100mm之间。
44.优选地，所述管状换能单元21的极化方向是径向极化，其外加电压的方向是内负外正；和压电圆环222的极化方向是厚度方向极化；其中：该金属基片圆环221的两端均安装
有压电圆环222时，两个所述压电圆环222的极化方向相同且以并联方式连接电源。
45.以下提供一个本技术的具体实施例对本技术的结构和技术效果进行说明。在该实施例中，本技术所提供的复合驱动的亥姆赫兹换能器包括两个压电管，其材料是“pzt-4”压电陶瓷，极化方向是径向极化，外加电压方向是内负外正，两个压电管外部缠绕玻璃钢用以施加预应力。两个压电管的内径优选值为74mm，外径优选值为80mm，长度优选值为100mm，压电圆环的内径优选值为12mm，外径优选值为70mm，厚度优选值为3mm，金属基片圆环的内径优选值为12mm，外径优选值为86mm，厚度优选值为1.5mm，中间衬体和端部衬体的厚度优选值为3mm。本实施例的复合驱动的亥姆赫兹换能器包括两个环状换能单元22，其中，每个环状换能单元22的上下层均为压电圆环，其材料为“pzt-4”压电陶瓷；每个环状换能单元22的中层为金属基片圆环，其材料为铝合金6061，压电圆环的极化方向为厚度方向极化，上下两个压电陶瓷的极化方向相同，以并联方式接入电源，金属基片圆环内径处向厚度方向延伸出颈部，金属基片圆环外径大于压电圆环外径。所述上端的端部衬体和下端的端部衬体均为圆环结构，直径与压电管的直径相同，所述端部衬体的中部设有一凹槽，用于使玻璃钢嵌入，所述端部衬体沿周向设有八个螺钉孔和两个引线孔，螺钉从螺钉孔中穿过，导线从引线孔中引出；两个环状换能单元22上分别设有八个螺钉孔，用于对应地固定在上端的端部衬体和下端的端部衬体的外侧；所述中间衬体为圆环结构，其直径与压电管的直径相同，其中部设有一凹槽，用于使玻璃钢嵌入；所述玻璃钢为薄壁圆管结构，上部、中部和下部设有凸环，用于嵌入上端的端部衬体、中间衬体和下端的端部衬体；所述压电管均为管状结构。
46.本实施例的复合驱动的亥姆赫兹换能器的安装过程为：将中间衬体安装在两个压电管之间，并在这三部分外部缠绕玻璃钢形成整体，再将上端的端部衬体和下端的端部衬体分别安装在硬质管套的上下两端。将上层的压电圆环、中层的金属基片圆环和下层的压电圆环粘接形成上端的三叠片圆环端盖(即环状换能单元)和下端的三叠片圆环端盖(即环状换能单元)。利用螺钉，将上端的三叠片圆环端盖(即环状换能单元)安装在上端的端部衬体的上部，将下端的三叠片圆环端盖(即环状换能单元)安装在下端的端部衬体的下部。整个换能器本体放置在充液橡胶皮囊中。所述橡胶皮囊中所充油为硅油。利用有限元方法对本实施例的发射电压响应进行仿真模拟，仿真频带为100-3000hz。仿真结果显示，500hz处谐振峰是液腔振动的谐振峰，2500hz处的谐振峰是三叠片圆环端盖弯曲振动的谐振峰，通过利用三叠片圆环端盖的弯曲振动和压电圆管的径向振动联合驱动液腔振动，降低了液腔振动的谐振频率，提高了液腔振动的发射电压响应。该helmholtz换能器的长度200mm左右，直径90mm左右，液腔振动在500hz处的发射电压响应达到了138db，实现了小尺寸低频大功率的目标。图8为发射电压响应仿真结果。
47.本技术未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
48.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
49.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而
是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
50.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
51.以上详细描述了本技术的优选实施方式，但是，本技术并不限于上述实施方式中的具体细节，在本技术的技术构思范围内，可以对本技术的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本技术的保护范围。
52.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本技术对各种可能的组合方式不再另行说明。
53.此外，本技术的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本技术的思想，其同样应当视为本技术所公开的内容。

技术特征：
1.一种复合驱动的亥姆赫兹换能器，其特征在于，其包括弹性囊体(1)与换能器本体(2)，所述换能器本体(2)置于所述弹性囊体(1)之内，其中：所述换能器本体(2)包括能够作径向振动的管状换能单元(21)，其内部形成圆柱形腔(23)，该圆柱形腔(23)与所述弹性囊体(1)的内腔(11)连通以构成液腔；所述管状换能单元(21)的至少一端安装有能够作弯曲振动的环状换能单元(22)；和所述弹性囊体(1)的内腔(11)与所述圆柱形腔(23)在工作状态下充满绝缘液体。2.根据权利要求1所述的复合驱动的亥姆赫兹换能器，其特征在于：所述管状换能单元(21)包括一个或多个压电管，其中：多个所述压电管端对端连接，不同的所述压电管之间设置有中间衬体(24)，以彼此绝缘并减小彼此间的振动传递；和/或，所述环状换能单元(22)与所述管状换能单元(21)之间设置有端部衬体(25)，以彼此绝缘并减小彼此间的振动传递。3.根据权利要求1所述的复合驱动的亥姆赫兹换能器，其特征在于，所述环状换能单元(22)包括金属基片圆环(221)，该金属基片圆环(221)的至少一端安装有压电圆环(222)，其中：所述压电圆环(222)的内径等于金属基片圆环(221)的内径；和，所述压电圆环(222)的外径小于金属基片圆环(221)的外径。4.根据权利要求3所述的复合驱动的亥姆赫兹换能器，其特征在于：所述压电圆环(222)与所述金属基片圆环(221)的内径设置为预定大小，以使液腔具有相应的谐振频率；和/或，所述金属基片圆环(221)的内周面沿轴线方向延伸以形成探入所述圆柱形腔(23)的颈部(223)，其中，该颈部(223)设置为预定长度，以使液腔具有相应的谐振频率。5.根据权利要求2-4中的任一项所述的复合驱动的亥姆赫兹换能器，其特征在于：所述换能器本体(2)包括硬质管套(26)，其套设于所述管状换能单元(21)的外周，以向所述管状换能单元(21)施加预应力。6.根据权利要求5所述的复合驱动的亥姆赫兹换能器，其特征在于：所述端部衬体(25)设置为环状，其一端与所述硬质管套(26)的端部连接，其另一端与所述金属基片圆环(221)连接，以通过所述端部衬体(25)隔开所述环状换能单元(22)与所述管状换能单元(21)；和所述端部衬体(25)具有引线孔(251)以供导线穿过。7.根据权利要求6所述的复合驱动的亥姆赫兹换能器，其特征在于：所述端部衬体(25)与所述金属基片圆环(221)上分别沿周向间隔设置多个相互对应的螺孔，用于将所述端部衬体(25)与所述金属基片圆环(221)螺纹连接。8.根据权利要求6所述的复合驱动的亥姆赫兹换能器，其特征在于：该硬质管套(26)的端部设有凸环以与所述端部衬体(25)上的凹槽嵌合。9.根据权利要求5所述的复合驱动的亥姆赫兹换能器，其特征在于：所述管状换能单元(21)包括多个压电管；所述硬质管套(26)内具有多节安装腔(261)，多节所述安装腔(261)的腔壁与多个所述压电管的外周面相配合，以将多个所述压电管保持在端对端连接的位置；和不同的所述安装腔(261)的接驳部(262)与环状的所述中间衬体(24)连接，以通过所述中间衬体(24)隔开不同的所述压电管。10.根据权利要求9所述的复合驱动的亥姆赫兹换能器，其特征在于：该硬质管套(26)
的所述接驳部(262)设有凸环以与所述中间衬体(24)上的凹槽嵌合。

技术总结
本申请所提供的复合驱动的亥姆赫兹换能器包括：弹性囊体与换能器本体，所述换能器本体置于所述弹性囊体之内，其中：所述换能器本体包括：能够作径向振动的管状换能单元，其内部形成圆柱形腔，该圆柱形腔与所述弹性囊体的内腔连通；所述管状换能单元的至少一端安装有能够作弯曲振动的环状换能单元；和所述弹性囊体的内腔与所述圆柱形腔中充满绝缘液体。一方面，本申请的换能器本体利用环状换能单元的弯曲振动和管状换能单元的径向振动联合驱动液腔振动，可实现小尺寸、低频、大功率的工作特性；另一方面，本申请的复合驱动的亥姆赫兹换能器通过充液设计，将所述换能器本体置于所述弹性囊体之内，可增强所述换能器本体的耐高压能力。能力。能力。


技术研发人员：朱晨辉 戴郁郁 周吟秋 赵佳恒 曹雪砷 张秀梅 李超
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/4