CN101604020A - 一种高频宽带全向圆柱阵的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水声导航领域，具体涉及一种高频宽带全向圆柱阵的实现方法，本发明首先利用匹配层来激发偶次模态，拓展换能器的带宽；其次利用匹配层来构建一个圆柱辐射面，增加了波束的均匀性；最后还利用了多个匹配层圆环换能器上下同心堆叠，以达到垂直维束控的目的。本发明有益的效果：本发明具有结构简单、工艺可靠、带宽宽、水平波束起伏小、可垂直束控、电声效率高的优点。

Description

一种高频宽带全向圆柱阵的实现方法
所属技术领域
本发明涉及水声领域，主要是一种高频宽带全向圆柱阵的实现方法。
背景技术
随着信号处理技术及DSP硬件的发展，信号处理机所能处理的频段越来越宽，因此对换能器提出了更高的带宽要求。另外，随着水声技术的发展，高频宽带换能器在军事和民用领域的应用越来越广泛，例如反蛙人声纳、水下成像声纳、浅海多波束声纳等，这些声纳都需要宽带宽波束工作。
高频宽带换能器通常采用匹配层技术，理论上的带宽可以达到一个倍频程。高频宽波束通常用陶瓷颗粒拼装的方法来实现，但很难达到3分贝的指标要求，即使采用工艺非常复杂的1-3复合材料来制作也很难达到要求，于是人们不得不采用波束轮转的方式来分时覆盖水平360°的观察范围。采用波束轮转的方式将导致对同一个目标再次观察的时间过长，这对于近距离小目标来说是不能接受的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提供一种新的高频宽带全向圆柱阵的实现方法，该圆柱阵具有结构简单、工艺可靠、带宽宽、水平波束起伏小、可垂直束控、电声效率高的优点。
为解决上述技术问题，本发明是提出以下技术方案实现的：这种高频宽带全向圆柱阵的实现方法，包括以下步骤：
步骤一：根据工作中心频率f及陶瓷颗粒的纵向声速v确定陶瓷颗粒的高度h，即h＝v/(2f)，之后确定陶瓷颗粒的长度a和宽度b；
步骤二：根据所需的带宽选择陶瓷颗粒与匹配层之间的占空比γ，占空比是指陶瓷颗粒与匹配层粘接的面积与匹配层面积之比；
步骤三：根据占空比选择支撑骨架底盘的厚度t、横挡的厚度d，使得(a*b)/((a+d)*(b+2t))＝γ，后挡仅用来定位陶瓷颗粒，使所有陶瓷颗粒拼装成一个圆环；
步骤四：按步骤三计算的尺寸加工一个支撑骨架，再加工一个带有销钉孔的环状铁心，套合在支撑骨架内部，用于多个环状铁心的定位；
步骤五：把陶瓷颗粒放入支撑骨架的横挡之中，并把陶瓷颗粒的正、负极用导线并联起来；
步骤六：盖上上盖板，灌注匹配层，并把匹配层打磨到相应的厚度和高度；
步骤七：重复步骤四至步骤六，这样可以得到多个匹配层圆环换能器；
步骤八：用销钉把多个匹配层圆环换能器通过定位铁环上的销钉孔上下同心装配好，且在每两个匹配层圆环换能器之间插入一层去耦软木橡皮；
步骤九：在装配好的匹配层圆环换能器外部灌注聚胺脂水密层或硫化橡胶水密层，其厚度不小于2mm。
作为优选，所述陶瓷颗粒的高度是其长和宽中最大尺度的1.5倍以上。
作为优选，百分比带宽为30％时取γ＝0.7左右，百分比带宽达到60％时取γ＝0.5左右。
本发明的优点在于：
1、本发明首先利用匹配层来激发偶次模态，拓展换能器的带宽；其次利用匹配层来构建一个圆柱辐射面，增加了波束的均匀性；最后还利用了多个匹配层圆环换能器上下同心堆叠，以达到垂直维束控的目的。
2、结构简单、工艺可靠、电声效率高、发射电压响应高、工作带宽宽、水平波束起伏小。
附图说明
图1：本发明一个较佳实施例的结构分解图；
图2：本发明一个较佳实施例的发射电压响应；
图3：本发明一个较佳实施例的水平波束图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步说明：
参见图1，为采用本发明实现的一种高频宽带全向圆柱阵中的单个匹配层圆环换能器，其采用ABS塑料作为支撑骨架，45#钢作为定位铁环，环氧板作为盖板。图中：1-支撑骨架底盘、2-支撑骨架横挡、3-支撑骨架后挡、4-定位铁环、5-陶瓷颗粒、6-盖板、7-匹配层。
本实施例中单个匹配层圆环换能器采用80个锆钛酸铅(PZT-4)压电陶瓷颗粒，每片陶瓷颗粒的长宽高尺寸为5mm×5mm×11mm。支撑骨架底盘厚1.5mm，支撑骨架横挡厚0.5mm，支撑骨架后挡的半径为70mm。盖板厚1.5mm。匹配层高度为8mm，径向厚度为6mm。单个匹配层圆环换能器的内部结构如图1所示。本实施例共采用5个匹配层圆环换能器组成一个圆柱阵。
图2为该实施例仿真的发射电压响应。从图中可以看出3dB带宽从100kHz~170kHz，通带内发射电压响应不低于151dB(0dB ref：1μPa/V)。
图3为该实施例仿真的120kHz处的水平波束图。从图中可以看出起伏不超过1分贝。
本发明所述的这种高频宽带全向圆柱阵的实现方法，包括以下步骤：
步骤一：根据工作中心频率f及陶瓷颗粒的纵向声速v确定陶瓷颗粒的高度h，即h＝v/(2f)。之后确定陶瓷颗粒的长度a和宽度b，一般来说陶瓷颗粒的高度是其长和宽中最大尺度的1.5倍以上。
步骤二：根据所需的带宽选择陶瓷颗粒与匹配层之间的占空比γ，通常百分比带宽为30％时取γ＝0.7左右，百分比带宽达到60％时取γ＝0.5左右。所谓占空比是指陶瓷颗粒与匹配层粘接的面积与匹配层面积之比；
步骤三：根据占空比选择合适的支撑骨架底盘的厚度t、横挡的厚度d，使得(a*b)/((a+d)*(b+2t))＝γ。后挡仅用来定位陶瓷颗粒，使所有陶瓷颗粒拼装成一个比较理想的圆环；
步骤四：按步骤三计算的尺寸加工一个支撑骨架，再加工一个带有销钉孔的环状铁心，套合在支撑骨架内部，用于多个环状铁心的定位；
步骤五：把陶瓷颗粒放入支撑骨架的横挡之中，并把陶瓷颗粒的正、负极用导线并联起来；
步骤六：盖上上盖板，灌注匹配层，并把匹配层打磨到相应的厚度和高度；
步骤七：重复步骤四至步骤六，这样可以得到多个匹配层圆环换能器。
步骤八：用销钉把多个匹配层圆环换能器通过定位铁环上的销钉孔上下同心装配好，且在每两个匹配层圆环换能器之间插入一层去耦软木橡皮。
步骤九：在装配好的匹配层圆环换能器外部灌注聚胺脂水密层或硫化橡胶水密层，其厚度不小于2mm。
以上对本发明的描述不具有限制性，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明权利要求的保护的情况，作出本发明的其它结构变形和实施方式，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1、一种高频宽带全向圆柱阵的实现方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：根据工作中心频率f及陶瓷颗粒的纵向声速v确定陶瓷颗粒的高度h，即h＝v/(2f)，之后确定陶瓷颗粒的长度a和宽度b；
步骤二：根据所需的带宽选择陶瓷颗粒与匹配层之间的占空比γ，占空比是指陶瓷颗粒与匹配层粘接的面积与匹配层面积之比；
步骤三：根据占空比选择支撑骨架底盘的厚度t、横挡的厚度d，使得(a*b)/((a+d)*(b+2t))＝γ，后挡仅用来定位陶瓷颗粒，使所有陶瓷颗粒拼装成一个圆环；
步骤四：按步骤三计算的尺寸加工一个支撑骨架，再加工一个带有销钉孔的环状铁心，套合在支撑骨架内部，用于多个环状铁心的定位；
步骤五：把陶瓷颗粒放入支撑骨架的横挡之中，并把陶瓷颗粒的正、负极用导线并联起来；
步骤六：盖上上盖板，灌注匹配层，并把匹配层打磨到相应的厚度和高度；
步骤七：重复步骤四至步骤六，这样可以得到多个匹配层圆环换能器；
步骤八：用销钉把多个匹配层圆环换能器通过定位铁环上的销钉孔上下同心装配好，且在每两个匹配层圆环换能器之间插入一层去耦软木橡皮；
步骤九：在装配好的匹配层圆环换能器外部灌注聚胺脂水密层或硫化橡胶水密层，其厚度不小于2mm。
2、根据权利要求1所述的高频宽带全向圆柱阵的实现方法，其特征在于：所述陶瓷颗粒的高度是其长和宽中最大尺度的1.5倍以上。
3、根据权利要求1所述的高频宽带全向圆柱阵的实现方法，其特征在于：百分比带宽为30％时取γ＝0.7左右，百分比带宽达到60％时取γ＝0.5左右。
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