一种水声换能器

1.本发明属于换能器领域，具体涉及一种水声换能器。


背景技术：

2.水声换能器是一种利用低频声波实现水下目标探测与识别的装置。基于磁致伸缩材料的水声换能器利用磁致伸缩材料对交流磁场的响应产生振动，当振动频率等于输出杆固有频率时，共振最大化机械波振幅，进而实现强声波的输出。tb-dy-fe合金是一种商业化的性能优异的磁致伸缩材料，且已被用于制造潜艇用水声换能器。但由于其价格昂贵且耐腐蚀性较差，开发新型磁致伸缩材料及其换能器的研究仍十分重要。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于mn
1-x
ni
x
cosi/环氧树脂磁致伸缩复合材料的水声换能器，以实现电能到机械能的转换。
4.实现本发明目的的技术解决方案为：一种水声换能器，包括钢制圆形底座，设置在钢制圆形底座上的mn
1-x
ni
x
cosi/环氧树脂磁致伸缩复合材料圆柱棒，其中x在0.012-0.015之间；底座上还设有两个n52型永磁体；所述磁致伸缩复合材料圆柱棒的高度为180
±
5mm，直径为4
±
0.5mm；两个n52型永磁体的高度均为180
±
5mm，横截面为边长5mm的正方形，两个n52型永磁体的n极和s极相对的设置在磁致伸缩复合材料圆柱棒的两侧，且两个n52型永磁体之间的间距为6
±
0.5mm；还包括安置在底座上的高180
±
5mm的软磁钢制外壳，构成闭合磁回路；磁致伸缩复合材料圆柱棒的外围缠绕线圈。
5.进一步的，圆形底座的直径为40～45mm、厚度大于20mm。
6.进一步的，磁致伸缩复合材料圆柱棒的外围缠绕线圈为铜线。
7.进一步的，mn
1-x
ni
x
cosi/环氧树脂磁致伸缩复合材料中环氧树脂的质量占比为15％。
8.进一步的，mn
1-x
ni
x
cosi/环氧树脂磁致伸缩复合材料具有[100]织构。
[0009]
进一步的，mn
1-x
ni
x
cosi/环氧树脂磁致伸缩复合材料采用如下步骤制备：
[0010]
将mn、ni、co和si单质进行电弧熔炼；再将熔炼均匀后的铸锭进行退火处理；之后，将获得的铸锭研磨成粉；最后，将粉末与环氧树脂按比例混合，并以30-120转/分钟的角速度旋转，同时放置在横向静磁场下完成固化。
[0011]
进一步的，mn、ni、co和si单质的纯度大于99.99％。
[0012]
进一步的，退火处理的具体工艺为：在800-850摄氏度退火48-60小时，之后通过72小时缓冷至室温。
[0013]
进一步的，铸锭研磨成粉的粉末的尺寸在300-600目之间。
[0014]
进一步的，“在横向静磁场下完成固化”中的静磁场的磁感应强度大于1t。
[0015]
本发明的水声换能器，其工作原理是：永磁体为磁致伸缩复合材料提供直流磁场，使材料工作在磁致伸缩线性区；再在磁致伸缩材料上施加交流磁场，用于制造振动；当振动
频率等于输出杆的固有频率时，共振发生，振幅最大化；共振时产生的机械波从杆的一端发出，用于探测水下目标。
[0016]
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
[0017]
本发明将ni掺杂mncosi合金粉末与环氧树脂按质量比85:15配比，利用磁场取向技术，制备具有[100]织构的mn1-xnixcosi/环氧树脂复合材料；该材料的磁致伸缩媲美于商业terfenol-d，且不依赖于磁场方向，并具有价格低、涡流损耗低以及耐腐蚀性强的优点，相比于terfenol-d更适用于水声换能器。
[0018]
另外，本发明利用上述复合材料和商业的n52型永磁体，将永磁体安置在磁致伸缩复合材料的横向两侧，从而制得水声换能器的输出杆；该棒的固有振动频率低至千hz，从而满足水下探测的需求；相比于传统的terfenol-d水声换能器，本发明不需要把磁致伸缩材料和永磁体串联成棒，故而具有更简单的器件结构。
附图说明
[0019]
图1是mn0.988ni0.012cosi块体(a)和粉末(b)的磁化曲线。
[0020]
图2是mn0.988ni0.012cosi/环氧树脂复合材料的电子背散射测试结果；其中(a)为复合材料的扫描电子显微镜照片；(b)为(a)所示截面的反极图；(c)为(a)所示截面的{100}、{010}和{001}极图。
[0021]
图3是磁致伸缩复合材料在不同环氧树脂含量时的磁致伸缩测量结果；其中(a)15％；(b)20％；(c)30％；(d)40％。
[0022]
图4是磁致伸缩材料在横向和轴向磁场作用下的磁致伸缩，其证明材料的磁致伸缩不依赖于磁场方向。
[0023]
图5是永磁体/磁致伸缩复合材料/永磁体单元在(a)无闭合和(b)闭合磁路情况下的磁感应强度分布图。
[0024]
图6是传统terfenol-d水声换能器的结构示意图。
[0025]
图7为本发明水声换能器的结构图。
[0026]
图8是图7的透视图。
[0027]
图9是180mm输出杆在50oe交流磁场下的工作频率以及位移。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0029]
实施例1
[0030]
一种基于mn
1-x
ni
x
cosi/环氧树脂磁致伸缩复合材料的水声换能器。其具体结构如图7-8所示，包括圆形底座、采用mn
1-x
ni
x
cosi/环氧树脂磁致伸缩复合材料制备的圆柱棒，横向设置在圆柱棒两侧的n52型永磁体，缠绕在圆柱棒外周的线圈以及套设在外的软磁钢制外壳。水声换能器的其制备过程如下：
[0031]
1、将纯度为99.99％的mn、ni、co和si单质按照mn
1-x
ni
x
cosi(x＝0.012-0.015)配比并进行电弧熔炼。熔炼均匀后的铸锭在850摄氏度退火60小时，之后通过72小时缓冷至室温。
[0032]
2、将获得的铸锭研磨成粉，之后筛出尺寸在300-600目之间的粉末。
[0033]
3、将粉末与环氧树脂混合(环氧树脂的质量占比为15％)，并以30转/分钟的角速度旋转，同时放置在1t外加横向静磁场下完成固化。
[0034]
4、将获得的复合磁致伸缩材料加工成长180mm、直径4mm的圆柱，并将其固定在直径为5mm、厚度为20mm的钢制圆形底座上。
[0035]
5、在圆柱形磁致伸缩复合材料的横向两侧安置长180mm、宽和厚均为5mm的n52型永磁体；两个永磁体的n极与s极相对，且间距为6mm。
[0036]
6、在底座上安置高180mm的软磁钢制外壳，构成闭合磁回路。
[0037]
7、在杆外围缠绕线圈，用以激励输出杆振动。
[0038]
将退火后的铸锭以及研磨后的粉末分别装入商业的多物性测量平台(ppms)，利用振动样品磁强计(vsm)功能测量磁化强度与外加磁场的关系。得到如图1所示的mn
0.988
ni
0.012
cosi块体(a)和粉末(b)的磁化曲线。从图1中可以得出材料存在明显的变磁性行为，这种行为是该材料磁致伸缩的起源。
[0039]
将固化完全后的磁致伸缩复合材料沿径向切割，离子抛光后，利用扫描电子显微镜的电子背散射功能辨别存在的择优取向，得到的mn
0.988
ni
0.012
cosi/环氧树脂复合材料的电子背散射测试结果如图2所示，从图2可以得出存在[100]织构，织构的存在有助于提升材料的磁致伸缩效应。
[0040]
将固化完全后的磁致伸缩复合材料沿轴向切割，并将应变片分别平行和垂直于织构方向粘贴在样品表面；随后在ppms中测量应变片电阻与磁场的关系，进而获得磁致伸缩的大小。得到如图3(a)所示的结果，
[0041]
另外为了形成对比，对环氧树脂的质量含量20％、30％和40％的复合材料的磁致伸缩测量结果如图3(b)、(c)和(d)所示，从图中可以得出，在室温情况下，含15％环氧树脂的复合材料，其饱和磁致伸缩大于1500ppm，媲美于商业tb-dy-fe合金。
[0042]
在图3(a)测量方式的基础上将磁场调整为横向得到如图4所示的磁致伸缩材料在横向和轴向磁场作用下的磁致伸缩。从图中可以看出，材料的磁致伸缩不依赖于磁场方向。
[0043]
图5是永磁体/磁致伸缩复合材料/永磁体单元的磁感应强度分布图，其由comsol模拟获得。该图表明：当永磁体间距为6mm时，闭合回路情况下磁致伸缩复合材料内部磁感应强度达到0.84t，处于线性磁致伸缩区(或最佳工作区)。
[0044]
图6是传统terfenol-d水声换能器的结构示意图。其包含4根输出杆，且每更输出杆由多个短terfenol-d棒和圆柱形永磁体串联构成。
[0045]
图7为本发明水声换能器的结构图，其中心是完整的磁致伸缩棒，棒的横向两侧是长方体n52型永磁体，外围是软磁外壳。
[0046]
图8是图7的透视图。
[0047]
图9是180mm输出杆在50oe交流磁场下的工作频率以及位移，其由comsol模拟获得。该图表明：共振频率在1585-1605hz之间，共振时的最大位移是8mm。
[0048]
实施例2
[0049]
将纯度为99.99％的mn、ni、co和si单质按照mn
1-x
ni
x
cosi(x＝0.012-0.015)配比并进行电弧熔炼。熔炼均匀后的铸锭在800摄氏度退火48小时，之后通过72小时缓冷至室温。随后，将获得的铸锭研磨成尺寸在300-600目之间的粉末，并将其与环氧树脂混合(环氧树脂的质量占比为15％)，并以120转/分钟的角速度旋转，同时放置在1t外加横向静磁场下
完成固化。然后，将获得的复合磁致伸缩材料加工成长180mm、直径4mm的圆柱，并将其固定在直径为40mm、厚度25mm的钢制圆形底座上。进一步地，在圆柱形磁致伸缩复合材料的横向两侧安置长180mm、宽和厚均为5mm的n52型永磁体；两个永磁体的n极与s极相对，且间距为6mm。最后，在底座上安置高180mm的软磁钢制外壳，构成闭合磁回路，并在杆外围缠绕线圈，用以激励输出杆振动。
[0050]
上述实施例为本发明的实施方式，但本发明的实施方式不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质和原理下的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种水声换能器，其特征在于，包括钢制圆形底座，设置在钢制圆形底座上的mn
1-x
ni
x
cosi/环氧树脂磁致伸缩复合材料圆柱棒，其中x在0.012-0.015之间；底座上还设有两个n52型永磁体；所述磁致伸缩复合材料圆柱棒的高度为180
±
5mm，直径为4
±
0.5mm；两个n52型永磁体的高度均为180
±
5mm，横截面为边长5mm的正方形，两个n52型永磁体的n极和s极相对的设置在磁致伸缩复合材料圆柱棒的两侧，且两个n52型永磁体之间的间距为6
±
0.5mm；还包括安置在底座上的高180
±
5mm的软磁钢制外壳，构成闭合磁回路；磁致伸缩复合材料圆柱棒的外围缠绕线圈。2.根据权利要求1所述的水声换能器，其特征在于，圆形底座的直径为40～45mm、厚度大于20mm。3.根据权利要求2所述的水声换能器，其特征在于，磁致伸缩复合材料圆柱棒的外围缠绕线圈为铜线。4.根据权利要求3所述的水声换能器，其特征在于，mn
1-x
ni
x
cosi/环氧树脂磁致伸缩复合材料中环氧树脂的质量占比为15％。5.根据权利要求4所述的水声换能器，其特征在于，mn
1-x
ni
x
cosi/环氧树脂磁致伸缩复合材料具有[100]织构。6.根据权利要求5所述的水声换能器，其特征在于，mn
1-x
ni
x
cosi/环氧树脂磁致伸缩复合材料采用如下步骤制备：将mn、ni、co和si单质进行电弧熔炼；再将熔炼均匀后的铸锭进行退火处理；之后，将获得的铸锭研磨成粉；最后，将粉末与环氧树脂按比例混合，并以30-120转/分钟的角速度旋转，同时放置在横向静磁场下完成固化。7.根据权利要求6所述的水声换能器，其特征在于，mn、ni、co和si单质的纯度大于99.99％。8.根据权利要求7所述的水声换能器，其特征在于，退火处理的具体工艺为：在800-850摄氏度退火48-60小时，之后通过72小时缓冷至室温。9.根据权利要求8所述的水声换能器，其特征在于，铸锭研磨成粉的粉末的尺寸在300-600目之间。10.根据权利要求9所述的水声换能器，其特征在于，“在横向静磁场下完成固化”中的静磁场的磁感应强度大于1t。

技术总结
本发明公开一种水声换能器。包括钢制圆形底座，设置在钢制圆形底座上的Mn


技术研发人员：龚元元 张凯 徐锋
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/8/9