专利摘要

专利摘要

本发明提出了一种低频窄波束换能器及换能方法与应用，属于声换能器技术领域，其具体包括前盖板和后盖板，其还包括振动辐射板和压电陶瓷晶堆，振动辐射板设置在前盖板的振动输出端，压电陶瓷晶堆设置在前盖板与后盖板之间。本发明的低频窄波束换能器能够控制换能器谐振频率处的发射电压响应值与波束宽度，实现低频窄波束的小尺寸换能器，使换能装置整体结构及制作工艺简单且成本低、能耗降低。

权利要求

1.一种低频窄波束换能器，包括前盖板(5)和后盖板(8)，其特征在于：还包括振动辐射板(4)和压电陶瓷晶堆，所述振动辐射板(4)设置在前盖板(5)的振动输出端，所述压电陶瓷晶堆设置在前盖板(5)与后盖板(8)之间；

所述压电陶瓷晶堆由串接的多组压电陶瓷组组成的空腔式结构，所述压电陶瓷组是由压电陶瓷环(6)和设置在压电陶瓷环(6)上下端面的蝶形弹性垫片(7)组成，所述蝶形弹性垫片(7)是蝶形环结构，其扩口端与压电陶瓷环(6)正对，使压电陶瓷环(6)空腔与上下蝶形弹性垫片(7)空腔组合在压电陶瓷晶堆内部形成纵向截面为八边形单元组合而成的振动腔；

所述蝶形弹性垫片(7)的敞口直径小于等于压电陶瓷环(6)的外直径D1，蝶形弹性垫片(7)的侧部与水平面的夹角为10～20°；

所述蝶形弹性垫片(7)的敞口直径是另一端较小口直径的1.5～2倍；

所述振动辐射板4的直径D2与前盖板(5)的直径D1之间的关系为：D2＝D1～2D1。

2.根据权利要求1所述的低频窄波束换能器，其特征在于：所述蝶形弹性垫片(7)的侧部与底部的夹角为11.3°。

3.一种通过权利要求1所述的低频窄波束换能器实现的换能方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)压电陶瓷环(6)受激励产生径向振动，径向振动激励蝶形弹性垫片(7)底部产生弯曲振动，蝶形弹性垫片(7)的侧壁将弯曲振动转变为纵向振动，多组压电陶瓷组串联，使作用在前盖板(5)的纵振动位移增大，工作频率降低；

(2)前盖板(5)的纵振动作用在振动辐射板(4)上，在振动辐射板(4)与前盖板(5)接触面上形成内纵向振动，而在振动辐射板(4)突出前盖板(5)的圆环部分形成外弯曲振动且该外弯曲振动的相位与内纵向振动的相位相反，两部分振动的辐射声压叠加，使波束变窄，可以通过调整振动辐射板(4)与前盖板(5)的直径差值，调控振动辐射板(4)输出端的发射电压响应值和波束宽度。

4.一种适于水下探测的低频窄波束换能装置，其特征在于：包括权利要求1所述的低频窄波束换能器、设置在低频窄波束换能器的外部的外壳(1)以及连接在低频窄波束换能器上的正极引线(12)和负极引线(11)，所述低频窄波束换能器的相邻两个压电陶瓷环(6)的极化方向相反，压电陶瓷环(6)的一面连接正极引线(12)，另一面连接负极引线(11)；利用低频窄波束换能器的空腔式压电陶瓷晶堆使纵振动位移增大，工作频率降低，再通过调整振动辐射板(4)与前盖板(5)的直径差值，调控振动辐射板(4)输出端的发射电压响应值和波束宽度。

5.根据权利要求4所述的适于水下探测的低频窄波束换能装置，其特征在于：所述低频窄波束换能器的振动辐射板(4)外表面设置有透声橡胶层(2)，透声橡胶层(2)与外壳(1)的端口之间形成密封腔，将低频窄波束换能器封装在密封腔内。

6.根据权利要求4所述的适于水下探测的低频窄波束换能装置，其特征在于：所述外壳(1)内部填充有聚氨酯泡沫层(3)；所述正极引线(12)和负极引线(11)与穿过外壳(1)底部的电缆(13)连接。

7.根据权利要求4所述的适于水下探测的低频窄波束换能装置，其特征在于：所述振动辐射板(4)的直径D2与前盖板(5)的直径D1之间的关系为：D2＝D1～2D1。

说明书

技术领域

本发明属于声换能器技术领域，具体涉及一种低频窄波束换能器及换能方法与应用。

背景技术

随着有限元分析方法在换能器设计中的不断运用，各种新理论、新结构的水声换能器层出不穷，然而压电式换能器仍是当前水声换能器研究的重点。水下声学主要研究水声的发射、传播、接收、处理和水下信息传递技术，利用声波在水中的传播，可以实现对水中目标的探测、定位、识别、跟踪以及水下通信等，而且对航运、鱼探、海底资源的开发等也具有重要的意义。由于高频信号在水中传输时损失较大，而低频信号在水中传输时损失较小且传播距离较远，因此，低频换能器的研究成为水声换能器的重要研究方向。目前使用较普遍的降低换能器频率的方法有弯曲振动、液腔谐振以及模态耦合等。

在利用声波进行水下探测时，声波是由换能器晶片的振动产生，而声波的波束宽度越窄，表示声场能量越集中，因此设计窄波束的换能器对提高水下探测的范围和精度、提高成像的分辨率具有较好的作用。波束宽度(指向性开角)是指指向性主波瓣中，幅度由最大值降低3dB、6dB等时对应的方向之间夹角，分别称为-3dB波束宽度、-6dB波束宽度等。换能器波束宽度的大小与换能器辐射面的尺寸有关，当频率一定时，较大孔径的换能器所产生辐射声场的波束宽度较小；反之，较小的孔径则对应较大的波束宽度。通过改变换能器辐射面的振速分布，可以控制换能器辐射声场的波束宽度，从而在较小的孔径尺寸下，实现较小的波束宽度。

发明内容

为了解决现有技术中的换能器所存在的不足，本发明提供了一种可实现小尺寸、低频率且波束宽度较小的低频窄波束换能器。

同时，本发明提供了一种可以通过上述低频窄波束换能器实现的换能方法和适用于水下探测的低频窄波束换能装置，提高发射电压响应级，实现小尺寸换能器在低频窄波束的范围内工作的目的。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种低频窄波束换能器，包括前盖板5和后盖板8，其还包括振动辐射板4和压电陶瓷晶堆，所述振动辐射板4设置在前盖板5的振动输出端，所述压电陶瓷晶堆设置在前盖板5与后盖板8之间；

所述压电陶瓷晶堆由串接的多组压电陶瓷组组成的空腔式结构，所述压电陶瓷组是由压电陶瓷环6和设置在压电陶瓷环6上下端面的蝶形弹性垫片7组成，所述蝶形弹性垫片7是蝶形环结构，其扩口端与压电陶瓷环6正对，使压电陶瓷环6空腔与上下蝶形弹性垫片7空腔组合在压电陶瓷晶堆内部形成纵向截面为类八边形单元组合而成的振动腔。

所述蝶形弹性垫片7的敞口直径小于等于压电陶瓷环6的外直径D1，蝶形弹性垫片7的侧部与水平面的夹角为10～20°；

所述蝶形弹性垫片7的敞口直径是另一端较小口直径的1.5～2倍；

所述振动辐射板4的直径D2与前盖板5的直径D1之间的关系为：D2＝D1～2D1；

进一步优选，所述蝶形弹性垫片7的侧部与底部的夹角为11.3°，使蝶形弹性垫片7的自身弹性能够产生纵向应力与纵向振动发生协同效应。

一种通过上述的低频窄波束换能器实现的换能方法，其包括以下步骤：

(1)压电陶瓷环6受激励产生径向振动，径向振动激励蝶形弹性垫片7底部产生弯曲振动，蝶形弹性垫片7的侧壁将弯曲振动转变为纵向振动，多组压电陶瓷组串联，使作用在前盖板5的纵振动位移增大，工作频率降低；

(2)前盖板5的纵振动作用在振动辐射板4上，在振动辐射板4与前盖板5接触面上形成内纵向振动，而在振动辐射板4突出前盖板5的圆环部分形成外弯曲振动且该外弯曲振动的相位与内纵向振动的相位相反，两部分振动的辐射声压叠加，使波束变窄，可以通过调整振动辐射板4与前盖板5的直径差值，调控振动辐射板4输出端的发射电压响应值和波束宽度。

一种适于水下探测的低频窄波束换能装置，其包括上述的低频窄波束换能器、设置在低频窄波束换能器的外部的外壳1以及连接在低频窄波束换能器上的正极引线12和负极引线11，所述低频窄波束换能器的相邻两个压电陶瓷环6的极化方向相反，压电陶瓷环6的一面连接正极引线12，另一面连接负极引线11；利用低频窄波束换能器的空腔式压电陶瓷晶堆使纵振动位移增大，工作频率降低，再通过调整振动辐射板4与前盖板5的直径差值，调控振动辐射板4输出端的发射电压响应值和波束宽度。

进一步限定，所述低频窄波束换能器的振动辐射板4外表面设置有透声橡胶层2，透声橡胶层2与外壳1的端口之间形成密封腔，将低频窄波束换能器封装在密封腔内。

进一步限定，所述外壳1内部填充有聚氨酯泡沫层3；所述正极引线12和负极引线11与穿过外壳1底部的电缆13连接，以利用聚氨酯泡沫层3实现低频窄波束换能器的定位和悬浮，使其适于水中声波辐射。

进一步限定，所述振动辐射板4的直径D2与前盖板5的直径D1之间的关系为：D2＝D1～2D1，保证振动辐射板4上与前盖板5接触的部分产生纵向振动，而前盖板5外侧的环形部分产生的是弯曲振动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的低频窄波束换能器在外加电压信号的激励下做纵向振动并向外辐射声波能量，通过调节压电陶瓷环6与蝶形弹性垫片7的几何尺寸，可以获得不同谐振频率的换能器，蝶形弹性垫片7与压电陶瓷片的组合是为了降低换能器的谐振频率，在结合换能器前盖板辐射端的振动辐射板4，当换能器的纵向振动传递到振动辐射板会使其产生弯曲振动，改变换能器的指向性与发射电压响应级，通过调节振动辐射板的直径，控制换能器谐振频率处的发射电压响应值与波束宽度，实现低频窄波束的小尺寸换能器，使换能装置整体结构及制作工艺简单且成本低、能耗降低。

附图说明

图1为本发明低频窄波束换能器的结构示意图。

图2为图1中压电陶瓷组的结构示意图。

图3为夹心式压电换能器的振型图。

图4为夹心式压电换能器在水中的发射电压响应曲线图。

图5为夹心式压电换能器在水中的指向性图。

图6为本发明实施例1中低频小尺寸换能器的振型图。

图7为本发明实施例2中低频小尺寸换能器的振型图。

图8为本发明实施例3中低频小尺寸换能器的振型图。

图9为本发明实施例3中低频小尺寸换能器在水中的发射电压响应曲线图。

图10为本发明实施例3中低频小尺寸换能器在水中的指向性图。

图11为本发明实施例4中低频窄波束换能器在水中的发射电压响应曲线图。

图12为本发明实施例4中低频窄波束换能器在水中的指向性图。

图13为本发明实施例5中低频窄波束换能器在水中的发射电压响应曲线图。

图14为本发明实施例5中低频窄波束换能器在水中的指向性图。

图15为本发明实施例6中低频窄波束换能器的振型图。

图16为本发明实施例6中低频窄波束换能器在水中的声压图。

图17为本发明实施例6中低频窄波束换能器在水中的声压级图。

图18为本发明实施例6中低频窄波束换能器在水中的发射电压响应曲线图。

图19为本发明实施例6中低频窄波束换能器在水中的指向性图。

图中：1-外壳，2-透声橡胶层，3-聚氨酯泡沫层，4-振动辐射板，5-前盖板，6-压电陶瓷环，7-蝶形弹性垫片，8-后盖板，9-螺栓，10-螺帽，11-负极引线，12-正极引线，13-电缆，14-密封橡胶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。

参见图1，本发明的低频窄波束换能器包括依次设置的振动辐射板4、前盖板5、压电陶瓷晶堆和后盖板8，其中，前盖板5、压电陶瓷晶堆和后盖板8通过穿过轴心的螺栓9同轴固定，振动辐射板4通过粘结胶固定在前盖板5的振动输出端，振动辐射板4是厚度为2-5mm、直径D2为30～60mm的铝制圆形薄板，前盖板5是厚度为35～45mm、直径D1为20～30mm的铝制圆柱状，前盖板的直径D1与振动辐射板4的直径D2之间满足：D2＝1～2D1，后盖板8是厚度为35～45mm、直径为20～30mm的钢制圆柱状。在后盖板8与前盖板5之间设置压电陶瓷晶堆，压电陶瓷晶堆是由串接的多组压电陶瓷组组成。

参见图2，压电陶瓷组是由压电陶瓷环6和设置在压电陶瓷环6两端面的蝶形弹性垫片7组成，压电陶瓷环6是PZT-4压电陶瓷制成的圆环形压电陶瓷环，蝶形弹性垫片7是铝材制成的蝶形环结构，其扩口端与压电陶瓷环6正对，压电陶瓷环6空腔与上、下的蝶形弹性垫片7空腔组合在压电陶瓷晶堆内部形成纵向截面为类八边形单元组合而成的振动腔。压电陶瓷环6受激励产生径向振动，径向振动激励蝶形弹性垫片7底部产生弯曲振动，蝶形弹性垫片7的侧壁将弯曲振动转变为纵向振动，多组压电陶瓷组串联，使作用在前盖板5的纵振动位移增大，工作频率降低。可以通过调节压电陶瓷环6与蝶形弹性垫片7的几何尺寸，在不改变厚度的前提下，可以获得不同谐振频率的换能器。

进一步限定，蝶形弹性垫片7的敞口直径小于等于压电陶瓷环6的外直径，蝶形弹性垫片7的敞口直径是另一端较小口直径的1.5～2倍，蝶形弹性垫片7的侧部与底部的夹角为10～20°，优选为11.3°。

通过上述的低频窄波束换能器实现的换能方法包括以下步骤：

(1)压电陶瓷环6受激励产生径向振动，径向振动激励蝶形弹性垫片7底部产生弯曲振动，蝶形弹性垫片7的侧壁将弯曲振动转变为纵向振动，多组压电陶瓷组串联，使作用在前盖板5的纵振动位移增大，工作频率降低；

(2)前盖板5的纵振动作用在振动辐射板4上，在振动辐射板4与前盖板5接触面上形成内纵向振动，而在振动辐射板4突出前盖板5的圆环部分形成外弯曲振动且该外弯曲振动的相位与内纵向振动的相位相反，两部分振动的辐射声压叠加，使波束变窄，可以通过调整振动辐射板4与前盖板5的直径差值，调控振动辐射板4输出端的发射电压响应值和波束宽度。

由于低频窄波束换能器具有低频、小尺寸、窄波束的优势，其可以制成适于水下探测的低频窄波束换能装置。

该适于水下探测的低频窄波束换能装置包括外壳1、低频窄波束换能器、正极引线12、负极引线11、透声橡胶层2、聚氨酯泡沫层3以及电缆13。

在外壳1内部填充有聚氨酯泡沫层3，利用聚氨酯泡沫层3实现低频窄波束换能器的定位和悬浮，使其适于水中声波辐射。在外壳1的端口设置透声橡胶层2，使透声橡胶层2与外壳1的端口之间形成密封腔，将低频窄波束换能器封装在密封腔内。低频窄波束换能器的振动辐射板4与透声橡胶层2正对，低频窄波束换能器的相邻两个压电陶瓷环6的极化方向相反，压电陶瓷环6的一面连接正极引线12，另一面连接负极引线11，正极引线12和负极引线11与穿过外壳1底部的电缆13连接。为了保证密封效果，在电缆13与外壳1连接处设置有密封橡胶14。在保持压电陶瓷晶堆与前盖板5、后盖板8的厚度不变的情况下，相邻两个压电陶瓷环6的极化方向相反，通过调节压电陶瓷环6与蝶形弹性垫片7的几何尺寸，在不改变厚度的前提下，可以获得不同谐振频率的换能器，通过调整振动辐射板4与前盖板5的直径差值，调控振动辐射板4输出端的发射电压响应值和波束宽度，即调整换能器的发射电压响应值和波束宽度。

实施例1

本实施例的低频小尺寸换能器包括前盖板5、压电陶瓷环6、蝶形弹性垫片7、后盖板8、螺栓9、螺帽10。其中，前盖板5、蝶形弹性垫片7为铝质材料，后盖板8、螺栓9和螺帽10为钢质材料。螺栓9贯穿后盖板8、压电陶瓷环6、蝶形弹性垫片7且伸入前盖板5至一定深度，使后盖板8与前盖板5串接为一体结构，而中部与后盖板8和前盖板5连接的蝶形弹性垫片7分别通过粘结胶粘结。在螺栓9底部装有螺帽10紧固。

本实施例的压电陶瓷晶堆是由串接的4组压电陶瓷组组成，每组压电陶瓷组是由1个PZT-4压电陶瓷制成的圆形压电陶瓷环6和2个分别设置在压电陶瓷环两端面的蝶形弹性垫片7粘结为一体，本实施例的蝶形弹性垫片7是铝材制成的蝶形环结构，其扩口端与压电陶瓷环正对，使压电陶瓷环6空腔与上下蝶形弹性垫片7空腔组合在压电陶瓷晶堆内部形成纵向截面为类八边形单元组合而成的振动腔。

本实施例的前盖板5的厚度为45mm、直径D1为30mm，后盖板8的厚度为39mm、直径为30mm。压电陶瓷环的外直径为30mm，内直径为24mm，蝶形弹性垫片7的敞口直径为24mm，较小口直径为18mm，蝶形弹性垫片7的侧部与底部的夹角为18.26°。

实施例2

本实施例的低频小尺寸换能器包括前盖板5、压电陶瓷环6、蝶形弹性垫片7、后盖板8、螺栓9、螺帽10。其中，前盖板5、蝶形弹性垫片7为铝质材料，后盖板8、螺栓9和螺帽10为钢质材料。螺栓9贯穿后盖板8、压电陶瓷环6、蝶形弹性垫片7且伸入前盖板5至一定深度，使后盖板8与前盖板5串接为一体结构，而中部与后盖板8和前盖板5连接的蝶形弹性垫片7分别通过粘结胶粘结。在螺栓9底部装有螺帽10紧固。

本实施例的压电陶瓷晶堆是由串接的4组压电陶瓷组组成，每组压电陶瓷组是由1个PZT-4压电陶瓷制成的圆形压电陶瓷环6和2个分别设置在压电陶瓷环两端面的蝶形弹性垫片7粘结为一体，本实施例的蝶形弹性垫片7是铝材制成的蝶形环结构，其扩口端与压电陶瓷环正对，使压电陶瓷环6空腔与上下蝶形弹性垫片7空腔组合在压电陶瓷晶堆内部形成纵向截面为类八边形单元组合而成的振动腔。

本实施例的前盖板5的厚度为45mm、直径D1为30mm，后盖板8的厚度为39mm、直径为30mm。压电陶瓷环的外直径为30mm，内直径为22mm，蝶形弹性垫片7的敞口直径为22mm，较小口直径为14mm，蝶形弹性垫片7的侧部与底部的夹角为14°。

实施例3

本实施例的低频小尺寸换能器包括前盖板5、压电陶瓷环6、蝶形弹性垫片7、后盖板8、螺栓9、螺帽10。其中，前盖板5、蝶形弹性垫片7为铝质材料，后盖板8、螺栓9和螺帽10为钢质材料。螺栓9贯穿后盖板8、压电陶瓷环6、蝶形弹性垫片7且伸入前盖板5至一定深度，使后盖板8与前盖板5串接为一体结构，而中部与后盖板8和前盖板5连接的蝶形弹性垫片7分别通过粘结胶粘结。在螺栓9底部装有螺帽10紧固。

本实施例的压电陶瓷晶堆是由串接的4组压电陶瓷组组成，每组压电陶瓷组是由1个PZT-4压电陶瓷制成的圆形压电陶瓷环6和2个分别设置在压电陶瓷环两端面的蝶形弹性垫片7粘结为一体，本实施例的蝶形弹性垫片7是铝材制成的蝶形环结构，其扩口端与压电陶瓷环正对，使压电陶瓷环6空腔与上下蝶形弹性垫片7空腔组合在压电陶瓷晶堆内部形成纵向截面为类八边形单元组合而成的振动腔。

本实施例的前盖板5的厚度为45mm、直径D1为30mm，后盖板8的厚度为39mm、直径为30mm。压电陶瓷环的外直径为30mm，内直径为20mm，蝶形弹性垫片7的敞口直径为20mm，较小口直径为10mm，蝶形弹性垫片7的侧部与底部的夹角为11.3°。

实施例4

本实施例的低频窄波束换能装置包括外壳1、透声橡胶层2、聚氨酯泡沫层3、振动辐射板4、前盖板5、压电陶瓷环6、蝶形弹性垫片7、后盖板8、螺栓9、螺帽10、负极引线11、正极引线12以及电缆13。

其中，外壳1采用铝合金制成，前盖板5、蝶形弹性垫片7和振动辐射板4为铝质材料，后盖板8、螺栓9和螺帽10为钢质材料。外壳1底部开孔以便电缆13通过，在开孔处用密封橡胶14密封。螺栓9贯穿后盖板8、压电陶瓷环6、蝶形弹性垫片7且伸入前盖板5至一定深度，使后盖板8与前盖板5串接为一体结构，而中部与后盖板8和前盖板5连接的蝶形弹性垫片7分别通过粘结胶粘结。在螺栓9底部装有螺帽10紧固。

本实施例的压电陶瓷晶堆是由串接的4组压电陶瓷组组成，每组压电陶瓷组是由1个PZT-4压电陶瓷制成的圆形压电陶瓷环6和2个分别设置在压电陶瓷环两端面的蝶形弹性垫片7粘结为一体，本实施例的蝶形弹性垫片7是铝材制成的蝶形环结构，其扩口端与压电陶瓷环正对，使压电陶瓷环6空腔与上下蝶形弹性垫片7空腔组合在压电陶瓷晶堆内部形成纵向截面为类八边形单元组合而成的振动腔。

本实施例的振动辐射板4是厚度为2mm、直径D2为40mm的铝制圆形薄板，前盖板5的厚度为45mm、直径D1为30mm，与振动辐射板4的直径D2满足：D2＝1～2D1中任一即可。后盖板8的厚度为39mm、直径为30mm。压电陶瓷环的外直径为30mm，内直径为20mm，蝶形弹性垫片7的敞口直径为20mm，较小口直径为10mm，蝶形弹性垫片7的侧部与底部的夹角为11.3°。

实施例5

本实施例的低频窄波束换能装置包括外壳1、透声橡胶层2、聚氨酯泡沫层3、振动辐射板4、前盖板5、压电陶瓷环6、蝶形弹性垫片7、后盖板8、螺栓9、螺帽10、负极引线11、正极引线12以及电缆13。

其中，外壳1采用铝合金制成，前盖板5、蝶形弹性垫片7和振动辐射板4为铝质材料，后盖板8、螺栓9和螺帽10为钢质材料。外壳1底部开孔以便电缆13通过，在开孔处用密封橡胶14密封。螺栓9贯穿后盖板8、压电陶瓷环6、蝶形弹性垫片7且伸入前盖板5至一定深度，使后盖板8与前盖板5串接为一体结构，而中部与后盖板8和前盖板5连接的蝶形弹性垫片7分别通过粘结胶粘结。在螺栓9底部装有螺帽10紧固。

本实施例的压电陶瓷晶堆是由串接的4组压电陶瓷组组成，每组压电陶瓷组是由1个PZT-4压电陶瓷制成的圆形压电陶瓷环6和2个分别设置在压电陶瓷环两端面的蝶形弹性垫片7粘结为一体，本实施例的蝶形弹性垫片7是铝材制成的蝶形环结构，其扩口端与压电陶瓷环正对，使压电陶瓷环6空腔与上下蝶形弹性垫片7空腔组合在压电陶瓷晶堆内部形成纵向截面为类八边形单元组合而成的振动腔。

本实施例的振动辐射板4是厚度为2mm、直径D2为50mm的铝制圆形薄板，前盖板5的厚度为45mm、直径D1为30mm，与振动辐射板4的直径D2满足：D2＝1～2D1中任一即可。后盖板8的厚度为39mm、直径为30mm。压电陶瓷环的外直径为30mm，内直径为20mm，蝶形弹性垫片7的敞口直径为20mm，较小口直径为10mm，蝶形弹性垫片7的侧部与底部的夹角为11.3°。

实施例6

本实施例的低频窄波束换能装置包括外壳1、透声橡胶层2、聚氨酯泡沫层3、振动辐射板4、前盖板5、压电陶瓷环6、蝶形弹性垫片7、后盖板8、螺栓9、螺帽10、负极引线11、正极引线12以及电缆13。

其中，外壳1采用铝合金制成，前盖板5、蝶形弹性垫片7和振动辐射板4为铝质材料，后盖板8、螺栓9和螺帽10为钢质材料。外壳1底部开孔以便电缆13通过，在开孔处用密封橡胶14密封。螺栓9贯穿后盖板8、压电陶瓷环6、蝶形弹性垫片7且伸入前盖板5至一定深度，使后盖板8与前盖板5串接为一体结构，而中部与后盖板8和前盖板5连接的蝶形弹性垫片7分别通过粘结胶粘结。在螺栓9底部装有螺帽10紧固。

本实施例的压电陶瓷晶堆是由串接的4组压电陶瓷组组成，每组压电陶瓷组是由1个PZT-4压电陶瓷制成的圆形压电陶瓷环6和2个分别设置在压电陶瓷环两端面的蝶形弹性垫片7粘结为一体，本实施例的蝶形弹性垫片7是铝材制成的蝶形环结构，其扩口端与压电陶瓷环正对，使压电陶瓷环6空腔与上下蝶形弹性垫片7空腔组合在压电陶瓷晶堆内部形成纵向截面为类八边形单元组合而成的振动腔。

本实施例的振动辐射板4是厚度为2mm、直径D2为53mm的铝制圆形薄板，前盖板5的厚度为45mm、直径D1为30mm，与振动辐射板4的直径D2满足：D2＝1～2D1中任一即可。后盖板8的厚度为39mm、直径为30mm。压电陶瓷环的外直径为30mm，内直径为20mm，蝶形弹性垫片7的敞口直径为20mm，较小口直径为10mm，蝶形弹性垫片7的侧部与底部的夹角为11.3°。

图3、图4、图5分别为夹心式压电换能器的振型及在水中的发射电压响应曲线与指向性图。

图6、图7、图8分别为本发明实施例1、2、3中低频小尺寸换能器(即为不加振动辐射板4时的换能器)的振型图。比较图3与图6、图7、图8可知，实施例3中低频小尺寸换能器的谐振频率与夹心式换能器相比降低8658Hz，而且，从实施例1-3的尺寸数据对比可知，改变蝶形垫片与压电陶瓷环的尺寸，可以改变换能器的频率。

图9、图10分别为本发明实施例3中低频小尺寸换能器在水中的发射电压响应曲线与指向性图。比较图4与图9可知，实施例3中低频小尺寸换能器谐振频率处的发射电压响应值与夹心式换能器相比减小14.67dB。根据波束宽度的定义，由图5、图10可知，实施例3中低频小尺寸换能器与夹心式换能器谐振频率处的-3dB波束宽度均为180°。

图11、图13、图18分别为本发明实施例4、5、6中低频窄波束换能器在水中的发射电压响应曲线。比较各发射电压响应曲线可知，实施例6中低频窄波束换能器谐振频率处的发射电压响应值最大，与夹心式换能器相比增大5.2dB，与实施例3中低频小尺寸换能器相比增大19.87dB，通过改变振动辐射板4的直径，可以调整改变最大发射电压响应值与最小波束宽度。

图12、图14、图19分别为本发明实施例4、5、6中低频窄波束换能器在水中的指向性图。根据波束宽度的定义，由图12、图14、图19可知，实施例4、5、6中低频窄波束换能器谐振频率处的-3dB波束宽度分别为180°、92.6°、44.6°。

图15、图16、图17分别为本发明实施例6中低频窄波束换能器的振型图及在水中的声压图与声压级图。由图15可知，当换能器的纵振动传递到振动辐射板4，振动辐射板4的中心部分做纵振动，而边缘部分做弯曲振动。

综上对比说明，本发明的多个压电陶瓷环6与蝶形弹性垫片7组合形成的压电陶瓷晶堆与圆盘状振动辐射板4结合，能够使纵向振动与弯曲振动叠加，提高发射电压响应级，使输出端的波束变窄，通过调节振动辐射板4的直径，控制换能器谐振频率处的发射电压响应值与波束宽度，实现小尺寸换能器在低频窄波束的范围内工作。

低频窄波束换能器及换能方法与应用专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。