本發明屬于水聲換能器技術領域，具體涉及一種電動式水聲發射換能器。

背景技術：
聲波是唯一已知的能夠在水下遠距離傳播的信息載體，聲學方法是水下探測、測量、目標識別及定位、海洋地質勘探等諸多領域的主要手段，其應用日益深入。隨著現代水聲技術的發展，在一些領域中聲波的低端工作頻率已延伸至幾十赫茲的甚低頻段，因此作為水聲技術得以實施的必要工具，甚低頻寬帶水聲換能器、尤其是發射換能器的研制具有重要意義和價值。在實現水下甚低頻寬帶聲輻射的方法中，常見的有溢流式圓環換能器、多模彎張換能器、電動式換能器等。其中溢流式圓環換能器、多模彎張換能器基于不同結構對換能器進行設計，調整和利用結構不同模態的共振，從而達到甚低頻寬帶聲輻射。上述兩種類型的換能器輻射面兩側均為水，雖然這一特點使換能器具有耐靜壓能力強、工作深度高的優點，但其低頻聲輻射效率卻較低。為達到較高的甚低頻聲輻射能力，該類型換能器一般體積大、質量高、損耗功率大，故其實際應用受到一定限制。電動式換能器主要由磁路以及連接線圈的剛性活塞組成。當通以電流時，磁場中的線圈將受到力的作用從而激發活塞振動輻射聲波，因此該型換能器又稱為動圈式換能器。由于活塞面內側為空氣，電動式換能器的聲輻射效率較高，故在相同聲輻射能力下其體積、質量及損耗功率相對較小。但為保證換能器在不同深度下均能正常工作，必須對活塞內腔氣壓進行調節，以平衡靜水壓。目前的電動式換能器一般采取壓力自平衡結構，即通過柔性氣囊儲存一定量空氣，利用不同深度下氣囊體積的壓縮保證其內部氣壓與外部水壓的一致，從而實現不同深度下氣壓、水壓的自平衡，例如英國DataPhysics公司的UW600型動圈式超低頻換能器，及專利公開號為CN102075828A的一種水下甚低頻寬帶聲源，該類型換能器一般結構如圖1所示。由于空氣可壓縮性較強，采用現有技術的電動式換能器不僅體積較大，其工作深度也受到一定限制。

技術實現要素：
本發明的目的在于，為克服目前電動式換能器的不足，提供一種小體積、高工作深度的甚低頻寬帶發射換能器，可以實現水下大功率聲輻射，即本發明提供了一種新型電動式水聲發射換能器。本發明提供的電動式水聲發射換能器，其特征在于，包含：由壁面7和底面8組成的耐壓外殼，在耐壓外殼的內部設置縱向伸縮的空氣彈簧2，該空氣彈簧2用于支撐位于壁面7上部端口附近的水平放置的活塞輻射面6；所述空氣彈簧2內部布放一用于激勵所述活塞輻射面6縱向振動進而輻射聲波的電磁作動器1，所述電磁作動器1固定于位于耐壓外殼底面的電氣接口板11上，所述電磁作動器1的力輸出端則與活塞輻射面6相連，該電磁作動器1的上表面放置用于監測活塞輻射面6縱向位置的電渦流位移傳感器4；所述電氣接口板11固定在耐壓外殼底面8的中空部分，且該電氣接口板11上設置一用于調節空氣彈簧2內部氣壓的氣閥9和一電接口10，且該電接口10進一步包含電磁作動器1輸入接口和電渦流位移傳感器4的信號輸出接口。上述電磁作動器1通過螺桿和螺絲與所述活塞輻射面6相連，所述螺桿兩端分別連接電磁作動器1的輸出端與活塞輻射面6的中心通孔。上述換能器還包含一板簧，該板簧位于耐壓外殼壁面7的上端口處并連接活塞輻射面6的中心和耐壓外殼壁面7，用于限制該板簧下方的活塞輻射面的橫向位移。上述活塞輻射面6通過一連接件與板簧連接，該連接件使用O型圈固定于活塞輻射面6的中心處，實現水密。上述換能器還包含設置在耐壓外殼內側活塞輻射面對應位置附近的若干上下對稱的限位裝置3，該限位裝置3為半圓形片狀凸起；所述活塞輻射面6相應于限位裝置3設置有若干與限位裝置3的半圓形凸起尺寸相同的半圓形槽15。上述活塞輻射面6由鋁制成，其上刻有多個扇形凹槽16，以減輕其質量。上述活塞輻射面6與壁面7間隔1～2毫米。在不同工作深度下，需通過外部氣壓控制系統調節空氣彈簧2的內部氣壓，實現水壓、氣壓的靜壓平衡，使活塞輻射面6處于平衡位置(上下兩組限位裝置的中心)，從而保證換能器的正常工作；其中，所述外部氣壓控制系統結構為：所述的外部氣壓控制系統包含氣源17、三通氣閥18和二通氣閥19，其中三通氣閥18的第一氣口和第三氣口分別通過氣管20連接二通氣閥19和氣源17，其第二氣口則直接通向大氣，而二通氣閥19另一氣口則通過氣管20連接換能器氣閥9。可通過如下步驟操作上述外部氣壓控制系統，實現對換能器內部氣壓的調節：首先，開啟二通氣閥19；其次，根據電渦流位移傳感器4輸出信號判斷活塞輻射面6的當前位置，若高于平衡位置，則三通氣閥18的第一氣口和第二氣口進行放氣、降低活塞輻射面6的位置，反之則三通氣閥18的第一氣口和第三氣口進行充氣、提高活塞輻射面6的位置；當活塞輻射面6被調整至平衡位置時，關閉二通氣閥19，完成氣壓調節過程。可選的，上述氣壓調節過程可使用PID控制器及三通伺服氣閥自動實現，其中PID控制器輸入為位移傳感器的輸出信號，其輸出則對三通伺服氣閥進行控制，從而自動實現上述放氣和充氣的操作。本發明所采用的技術方案是：換能器由耐壓外殼、板簧、活塞輻射面、空氣彈簧、電磁作動器、電渦流位移傳感器、電氣接口板及一些連接件組成；活塞輻射面安裝于換能器的上端面，其縱向活塞振動向換能器外側輻射聲波；活塞輻射面內側通過空氣彈簧進行支撐，即利用空氣彈簧連接活塞輻射面和換能器下端面，空氣彈簧內部充以空氣；活塞輻射面直徑略小于耐壓外殼內徑，二者之間留有一定縫隙，同時使用具有高橫向剛度、低縱向剛度的金屬板簧連接活塞輻射面和耐壓外殼，在保證輻射面縱向振動柔性的同時避免其出現較大的橫向位移、進而產生摩擦影響換能器聲輻射性能；活塞輻射面通過其中心的連接件與金屬板簧連接，該連接件與輻射面間使用O型圈進行密封，保證水密性；為提高換能器聲輻射能力，活塞輻射面由密度較小的鋁制成，且其上表面刻有多個扇形凹槽，在保證其整體剛度的同時降低質量；空氣彈簧內部裝有電磁作動器，用于激發活塞輻射面的縱向振動，該電磁作動器通過螺桿與輻射面中心連接固定；在空氣彈簧內部使用電渦流位移傳感器對活塞輻射面的縱向位移進行監測，該傳感器通過底座安裝于電磁作動器上部；在耐壓外殼上端面內側圓周上裝有上下兩組限位裝置，每組限位裝置由勻布于圓周上的若干個半圓形片狀突起構成，其目的在于限制活塞輻射面的縱向位移、保護電磁作動器，同時在活塞輻射面圓周的對應位置刻有半圓形槽，以便于安裝；換能器的下端面裝有電氣接口板，板上裝有電磁作動器輸入接口、位移傳感器輸出接口及氣閥，該電氣接口板使用O型圈與耐壓外殼底端進行連接。本發明實際應用時需使用水密電纜連接電磁作動器輸入接口和位移傳感器接口，同時需使用氣管連接氣閥。當換能器浸入水中預定工作位置后，首先應根據位移傳感器輸出調節空氣彈簧內部氣壓，使活塞輻射面位于平衡位置，即上下限位裝置之間的中心位置，從而達到水壓、氣壓的靜壓平衡。該過程可通過人工調節實現，也可使用控制器配合伺服氣閥自動實現。上述過程完成后，即可通過功放驅動電磁作動器，激發活塞輻射面的縱向活塞振動，進而向水中輻射聲波。與最接近的現有技術相比，本發明的主要優勢在于：(1)本發明的技術方案由于放棄了現有甚低頻寬帶水聲換能器的壓力自平衡結構并代以位移傳感器和氣閥、通過岸上調節控制的方式實現靜壓平衡，故與一般電動式換能器相比，本發明具有更小的體積，并可以達到更高的工作深度。(2)與具有壓力自平衡結構、一般需要水平放置的電動式換能器不同，本發明由于直接對腔內氣壓進行調節，故使用時其活塞輻射面的朝向不受限制。附圖說明圖1是現有技術水聲換能器采用的壓力自平衡電動式換能器的結構；圖2是本發明的主視結構示意圖；圖3是本發明活塞輻射面上側表面結構圖；圖4是本發明外部氣壓控制系統示意圖。附圖標識：1、電磁作動器，2、空氣彈簧，3、限位裝置，4、電渦流位移傳感器，5、金屬板簧，6、活塞輻射面，7、耐壓外殼壁面，8、耐壓外殼底面，9、氣閥，10、電接口(電磁作動器輸入接口、位移傳感器輸出接口)，11、電氣接口板，12、連接件，13、位移傳感器底座，14、柔性氣囊，15、半圓形槽，16、扇形凹槽，17、氣源，18、三通氣閥，19、二通氣閥，20、氣管。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。本發明提供了一種甚低頻寬帶水聲換能器，具有體積小、工作深度高的優點，可以實現水下甚低頻、寬帶、大功率聲輻射。按照本發明研制的甚低頻寬帶水聲換能器結構如圖2所示，其整體呈圓柱形，由耐壓外殼、板簧、活塞輻射面、空氣彈簧、電磁作動器、電渦流位移傳感器、電氣接口板及一些連接件組成。所述的耐壓外殼由壁面7和底面8兩部分構成，二者通過螺栓固定；所述的活塞輻射面6位于耐壓外殼壁面7的上端面，其縱向活塞振動向換能器外部輻射聲波；在換能器內部，活塞輻射面6由空氣彈簧2進行支撐，即利用空氣彈簧2連接活塞輻射面6和耐壓外殼底面8；在空氣彈簧2支撐的內腔中安裝電磁作動器1，電磁作動器的輸出端通過螺栓固定于活塞輻射面6中心的通孔上，用于激發活塞輻射面6的縱向活塞振動從而向外部輻射聲波；所述的電磁作動器1通過螺絲固定于電氣接口板11上，而電氣接口板11則通過螺絲固定于耐壓外殼底面8上，電氣接口板11和耐壓外殼底面8二者間使用O型圈進行密封，保證水密性；所述的電渦流位移傳感器4通過底座13安裝于電磁作動器1的上部，用于監測活塞輻射面6的縱向位移，從而配合外部氣壓控制系統(所述的外部氣壓控制系統的結構如下文所述)對空氣腔內氣壓進行調節，維持活塞輻射面6始終處于平衡位置，即實現空氣腔內部氣壓和外部水壓的靜壓平衡。所述的電氣接口板11上安裝有氣閥9和電接口10，其中電接口10包括電磁作動器輸入接口和位移傳感器輸出接口兩部分；換能器工作時需要使用水密線纜連接電接口10，同時應使用氣管連接氣閥9。所述的外部氣壓控制系統主要由氣源17、三通氣閥18、二通氣閥19組成，如圖4所示。其中三通氣閥18氣口①、③分別通過氣管20連接二通氣閥19和氣源17，其另一氣口②則直接通向大氣，而二通氣閥19另一氣口則通過氣管20連接換能器氣閥9。氣壓具體調節過程如下：首先開啟二通氣閥19；其次根據位移傳感器4輸出信號判斷活塞輻射面6的當前位置，若高于平衡位置，則三通氣閥18氣口①和②進行放氣、降低活塞輻射面6的位置，反之則氣口①和③進行充氣、提高活塞輻射面6的位置；當活塞輻射面6被調整至平衡位置時，關閉二通氣閥19，完成氣壓調節過程。上述手動調節過程也可使用PID控制器及三通伺服氣閥自動實現，其中PID控制器輸入為位移傳感器4輸出信號，其輸出則對三通伺服氣閥進行控制自動實現上述放氣、充氣的操作。所述的活塞輻射面6與耐壓外殼壁面7間留有1mm縫隙，并使用金屬板簧5通過連接件12連接耐壓外殼壁面7與活塞輻射面6；由于金屬板簧具有較高的橫向剛度以及較低的縱向剛度，故能在保證活塞輻射面6縱向振動柔性的同時避免其出現較大的橫向位移、進而產生摩擦影響換能器聲輻射性能；連接件12通過螺絲固定于活塞輻射面6中心，由于活塞輻射面6中心有孔，故在連接件12和活塞輻射面6間使用O型圈進行密封，實現水密。在耐壓外殼壁面7內側裝有限位裝置3，用于限制活塞輻射面6的縱向位移、保護電磁作動器1；限位裝置3分為上下兩組，每組由3個半圓形突起構成，呈120°勻布于圓周上；同時在活塞輻射面6圓周的對應位置刻有相同尺寸半圓形槽15，如圖3所示，以便于安裝。為降低質量、提高聲輻射能力，所述活塞輻射面6及連接件12均由密度較小的鋁制成，且活塞輻射面6上表面刻有8個扇形凹槽16，如圖3所示；相鄰的扇形凹槽間存在筋，以保證活塞輻射面6的整體剛度。本發明實施例的具體裝配方式如下：(1)將活塞輻射面6安裝于空氣彈簧2上端，并將空氣彈簧2安裝于耐壓外殼底面8上；(2)將耐壓外殼壁面7與耐壓外殼底面8連接，注意安裝時應調整耐壓外殼壁面7的套入角度，使限位裝置3正對活塞輻射面6的半圓形凹槽，待活塞輻射面6進入上下限位裝置之間時，旋轉耐壓外殼壁面，使活塞輻射面6的半圓形凹槽與限位裝置3錯開，從而正確實現限位；(3)將電磁作動器1固定于電氣接口板11上，并將電氣接口板11固定于耐壓外殼底面8上，二者間使用O型圈密封，安裝時應使電磁作動器1頂部的螺桿穿過活塞輻射面6中心的通孔，并調整螺桿頂端螺絲的位置，使活塞輻射面6位于平衡位置時螺桿不受力，此時在活塞輻射面6上側安裝螺絲實現螺桿的固定；(4)將連接件12安裝于活塞輻射面6中心，二者間使用O型密封圈；(5)在連接件12及耐壓殼壁面7間安裝板簧5。本發明實施例的具體使用步驟如下：(1)使用水密線纜和氣管分別連接電接口和氣閥，檢查接口氣密性和水密性后將換能器置于水中預定位置；(2)根據位移傳感器的輸出信號配合外部氣壓控制系統進行放氣/充氣操作，調整空氣彈簧內部氣壓，使活塞輻射面處于平衡位置，該過程可通過手動氣閥人工調節實現，也可使用PID控制器配合伺服氣閥自動實現；(3)開啟電磁作動器功率放大器，輸入信號后換能器將開始工作。本發明提供了一種新型甚低頻寬帶水聲換能器，具體是一種電動式發射換能器。其主要特點是使用空氣彈簧對活塞輻射面進行支撐，并通過安裝于空氣彈簧內部的電磁作動器激勵其縱向振動輻射聲波，而利用板簧對其橫向位移進行約束；為實現其氣壓、水壓的靜壓平衡，使用電渦流位移傳感器對活塞輻射面的縱向位置進行監測，并通過外部氣壓控制系統實現對空氣彈簧內部氣壓的控制。本發明與已有技術相比，具有體積重量小、工作深度高、易于懸掛安裝等優點，能夠實現水下甚低頻、寬帶、大功率聲輻射的設計目標。除上述實施例外，凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍內。