本發(fā)明涉及換能器領(lǐng)域，具體地，涉及一種液腔型水聲換能器及換能器的設(shè)計方法，尤其的，涉及一種諧振頻率可調(diào)的液腔型水聲換能器。
背景技術(shù)：
1、聲波是唯一能夠在海洋環(huán)境進行遠(yuǎn)距離傳播的信息載體，水聲換能器作為在海洋環(huán)境進行聲波發(fā)射與接收的載體，被廣泛應(yīng)用于水聲工程領(lǐng)域。球形水聲換能器是一種水平方向與垂直方向均無指向性，振動模態(tài)較為單一的水聲換能器，一般可以作為通信基元或探測基元使用。
2、為了實現(xiàn)水聲換能器的大深度工作，常用的結(jié)構(gòu)形式有充油式、溢流式、氣體補償式等方式，其中，充油式水聲換能器絕大都是針對環(huán)形換能器等非球形換能器結(jié)構(gòu)，環(huán)形充油式換能器在換能器的內(nèi)部充入填充油，隨著外界壓力的升高，內(nèi)部填充油受壓產(chǎn)生相應(yīng)內(nèi)壓，進而達(dá)到內(nèi)外壓力平衡，使換能器能夠在高靜壓條件下工作。
3、但其必須配合外界壓力補償結(jié)構(gòu)(如膜結(jié)構(gòu))才能實現(xiàn)該功能，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高的缺陷。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種液腔型水聲換能器及換能器的設(shè)計方法。
2、根據(jù)本發(fā)明提供的一種液腔型水聲換能器，包括壓電陶瓷球、正電極引線、負(fù)電極引線、預(yù)應(yīng)力層、第一去耦密封元件、第二去耦密封元件、金屬連接桿、水密層、球形液腔體以及金屬密封件；
3、壓電陶瓷球內(nèi)外壁分別引出正電極引線與負(fù)電極引線；壓電陶瓷球內(nèi)部具有球形液腔體，所述球形液腔體為空腔結(jié)構(gòu)，用于容納液體；
4、預(yù)應(yīng)力層包覆在壓電陶瓷球外壁；
5、水密層包覆在預(yù)應(yīng)力層外側(cè)；
6、壓電陶瓷球上下開孔處分別固定第一去耦密封元件與第二去耦密封元件；壓電陶瓷球的上下開孔與預(yù)應(yīng)力層分別通過第一去耦密封元件、第二去耦密封元件密封；
7、金屬連接桿為中空結(jié)構(gòu)，金屬連接桿的一端依次穿過水密層、預(yù)應(yīng)力層以及壓電陶瓷球的上開孔，在球形液腔體中延伸至第二去耦密封元件；正電極引線與負(fù)電極引線穿過所述金屬連接桿的側(cè)壁至中空部分，沿金屬連接桿的軸向延伸，再從金屬連接桿穿出連接外界電源；所述金屬連接桿、預(yù)應(yīng)力層與壓電陶瓷球的上開孔通過第一去耦密封元件連接，所述金屬連接桿、預(yù)應(yīng)力層與壓電陶瓷球的下開孔通過第二去耦密封元件連接；
8、所述金屬連接桿上設(shè)置有液體進口與液體出口，所述液體進口位于所述水密層外，所述液體出口與所述球形液腔體相連通。
9、優(yōu)選的，所述壓電陶瓷球為兩個壓電陶瓷半球粘接而成或整球加工而成。
10、優(yōu)選的，所述正電極引線從金屬連接桿的下部的第一開孔中穿入連接桿；
11、負(fù)電極引線從金屬連接桿的上部的第二開孔中穿入連接桿；
12、所述正電極引線、負(fù)電極引線均從金屬連接桿上部的第三開孔中穿出連接桿；
13、所述第一開孔與所述液體出口是同一個開孔，所述第三開孔與所述液體入口是同一開孔。
14、優(yōu)選的，第三開孔位于所述金屬連接桿的頂部；
15、液腔型水聲換能器還包括金屬密封件，所述金屬密封件通過第三開孔可拆卸的安裝在所述金屬連接桿的頂部。
16、優(yōu)選的，所述正電極引線與負(fù)電極引線應(yīng)為具有絕緣包覆層的抗拉引線。
17、優(yōu)選的，所述預(yù)應(yīng)力層為纖維層或金屬層；
18、預(yù)應(yīng)力層施加的預(yù)應(yīng)力為10mpa-50mpa。
19、優(yōu)選的，所述去耦密封元件包括軟木或硬質(zhì)泡沫材料。
20、優(yōu)選的，所述水密層由聚氨酯灌封或橡膠硫化工序制作得到。
21、優(yōu)選的，所述液體包括甲基硅油、蓖麻油或水。
22、根據(jù)本發(fā)明提供的一種換能器的設(shè)計方法，用于設(shè)計所述的液腔型水聲換能器，還包括如下步驟：
23、步驟s1、計算換能器的諧振頻率，包括如下步驟；
24、步驟s11、對于壓電陶瓷球1，定義其平均半徑為a，壁厚為t，密度為ρ，因此球形壓電陶瓷的等效質(zhì)量mm＝4πa2tρ，π為圓周率。柔順系數(shù)
25、為壓電陶瓷11方向上的彈性常數(shù)，為壓電陶瓷12方向上的彈性常數(shù)。
26、對于球形液腔水聲換能器，定義球形液腔體8中液體的密度為ρl，充滿液體后球形液腔體8中的聲速為cl；因此球形液腔水聲換能器的輻射載荷附加質(zhì)量液腔柔順系數(shù)其中，a為液腔表面積，a＝4π(a-t/2)2，kw為波數(shù)，kw＝ωcw，ρw為水的密度，cw為水的聲速，ω為振動角頻率。液腔質(zhì)量
27、步驟s12、根據(jù)公式計算球形換能器空氣環(huán)境中的徑向諧振頻率fr；
28、步驟s13、根據(jù)公式計算球形液腔水聲換能器水環(huán)境中的徑向諧振頻率flw；
29、步驟s14、根據(jù)公式計算球形液腔水聲換能器在水環(huán)境中的n階液腔諧振頻率fln。
30、步驟s2、依據(jù)換能器設(shè)計要求，對影響徑向諧振頻率flw與n階液腔諧振頻率fln所組成的因子進行調(diào)控，得到最終球形液腔水聲換能器設(shè)計方案。
31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
32、1、本發(fā)明通過將液體充入全包圍結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)壓電陶瓷球中的技術(shù)手段，使得換能器耐壓性好，即使在大深度的工況下，球形液腔體中的液體依然能夠被壓電陶瓷球所保護，而使換能器的工作不受深度因素帶來的壓力影響，保證了換能器在大深度工況仍然能夠正常工作，并且正因為本發(fā)明采用利用壓電陶瓷球承載液體的手段，使得本換能器無需配合外界壓力補償機構(gòu)，就能實現(xiàn)適用于大深度的工況，由于無需配合外界壓力補償機構(gòu)，本發(fā)明減少了換能器的復(fù)雜程度，降低了換能器的生產(chǎn)成本。
33、2、本發(fā)明在球形換能器上引入了液腔振動，增加了換能器諧振模態(tài)。
34、3、本發(fā)明球形液腔換能器較其它換能器，不僅僅只在低頻段具有水平無指向性，垂直指向性較大等優(yōu)點，在高頻段依舊還具有水平無指向性，垂直指向性較大等優(yōu)點。
1.一種液腔型水聲換能器，其特征在于，包括壓電陶瓷球(1)、正電極引線(2)、負(fù)電極引線(3)、預(yù)應(yīng)力層(4)、第一去耦密封元件(51)、第二去耦密封元件(52)、金屬連接桿(6)、水密層(7)、球形液腔體(8)以及金屬密封件(9)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液腔型水聲換能器，其特征在于，所述壓電陶瓷球(1)為兩個壓電陶瓷半球粘接而成或整球加工而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液腔型水聲換能器，其特征在于，所述正電極引線(2)從金屬連接桿(6)的下部的第一開孔中穿入連接桿(6)；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液腔型水聲換能器，其特征在于，
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液腔型水聲換能器，其特征在于，所述正電極引線(2)與負(fù)電極引線(3)應(yīng)為具有絕緣包覆層的抗拉引線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液腔型水聲換能器，其特征在于，所述預(yù)應(yīng)力層(4)為纖維層或金屬層；
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液腔型水聲換能器，其特征在于，所述去耦密封元件(5)包括軟木或硬質(zhì)泡沫材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液腔型水聲換能器，其特征在于，所述水密層(7)由聚氨酯灌封或橡膠硫化工序制作得到。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液腔型水聲換能器，其特征在于，所述液體包括甲基硅油、蓖麻油或水。
10.一種換能器的設(shè)計方法，用于設(shè)計權(quán)利要求1-9中任一項的液腔型水聲換能器，還包括如下步驟：