CN101718869A - 具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，平面声基阵由发射换能器和通道橡胶障板组成，二者固定于刚性安装板上，通道橡胶障板采用平面结构，由多片带孔橡胶片和一片不带孔橡胶片粘接而成，带孔橡胶片上设有一组小孔，带孔橡胶片和不带孔的橡胶片上开有用于安装发射换能器的换能器安装孔。本发明的优点在于：本发明中的换能器采用纵向振动与换能器前盖板弯曲振动的相复合的宽带换能器，该类换能器具有高效、宽带、前后声辐射比大等优点，可以实现多波束声纳发射声源级的要求。但该换能器的指向性比较窄，不能满足多波束平面声基阵进行大角度波束扫描的需求。为此，本发明中采用了通道橡胶障板来拓宽纵向振动换能器的指向性，解决了平面声基阵进行大角度波束扫描的技术难题。

Description

具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵

所属技术领域

本发明涉及一种海洋声学测量仪器的水下声学传感器装置，主要是一种具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵。

背景技术

随着现代科学技术的发展，人们通过空间遥测技术获得了陆地部分较为精细的地形，并居此指导人们改造自然，开发各种陆路资源，为人类社会发展服务。但我们对约占地球表面71％的海底地形的了解却远未达到人们期望的程度。究其原因是测量对象被浩瀚的海洋阻隔，而穿透海洋获取海底信息需要借助地形探测设备。

国外从上世纪中期就开始研制水下地形探测设备，经过几使年的发展，从开始的单波束测深仪发展到后面的多波束测深声纳；多波束测深声纳又发展成浅水、中等水和深水多波束测深声纳的系列化产品。

深水多波束测深系统是当今前沿的海洋高技术设备，是当代声学技术、信号处理技术、电子技术和计算机软硬件技术等高科技最新成就的集成。深水多波束测深系统在20世纪80年代初首先由美国SEABEAM公司研发成功，投入到海洋调查中。由于其具有重大的科学、商业和军事价值，西方发达国家一些声学设备制造厂商纷纷开展这方面的研究，如德国ATLAS公司、挪威SIMRAD公司以及法国THOMSON公司等。

进入21世纪，在巨大的商机引导下，一些中等或新成长起来的声学设备制造厂家也加入到了这一行列，如德国ELAC公司和丹麦RESON公司。ELAC公司通过收购SEABEAM公司，将SEABEAM的换能器技术结合ELAC的信号和数据处理技术开发了ELACSEABEAM3000系统。RESON公司开发了12k Hz的SeaBat 8150系统。

多波束测深技术通过近30年发展，按其技术水平可划分为四代产品：

第一代产品：以SEABEAM 1000系列为代表，这类产品的特点是波束数少、扫幅宽度仅60°，集成度低，水深数据不能实时处理。

第二代产品：以SEABEAM 2000系列、ATLAS HYDROSWEEP和SIMRAD EM 12为代表。这类产品的特点是采用了大规模集成电路和DSP技术，波束数较多，达到121个，波束角宽2°，数据实时和后处理软件成熟。

第三代产品：以SIMRAD EM 120和RESON SeaBat 8150深水多波束测深系统为代表。其特点是采用了超大规模集成电路和速度更快的DSP板，横向覆盖范围为20km左右，工作深度20～11000m，波束数达到191个或更多，波束角宽0.5°-1°，实现全姿态稳定，数据实时和后处理软件更加成熟。

第四代产品：近一、二年刚出现的SIMRAD EM 122深水多波束测深系统和EM710被称为第四代产品，采用宽带技术、近场自动聚焦和水体显示等技术，提高了声纳性能，波束数更多，测深点更密，集成度也更高。SIMRAD公司最新研发的EM122系统采用宽带技术，标称指标覆盖宽度最大37km，单次发射形成两行共576个波束，可加密至864个测深点，波束角宽最小可达0.5°×1°，该系统目前正在推广阶段。

从上述几代产品的发展中可以看出，多波束测深声纳的几个关键技术主要包括：声纳波束横向垂直于航迹方向覆盖范围、沿着航迹方向的波束角宽度、宽带技术和电子线路的集成度。

声纳波束横向覆盖范围直接影响多波束声纳的作业效率，是用户最关注的一个指标。第一代产品的波束覆盖角仅为60°左右，它的横向覆盖范围仅为6km左右。第三代产品的EM120，横向波束覆盖角达到125°左右，它的横向覆盖范围达到了20km左右。而第四代产品的EM 122，横向波束覆盖角更是达到了150°左右，横向覆盖范围达到了37km。其作业效率比第一代产品提高了6倍多，比第三代产品也将近提高了一倍。为了实现具有大波束覆盖角的声学基阵，许多水声专家在基阵的结构上进行了深入研究，研究出了许多能实现大波束覆盖角的基阵形式，如“V”形阵、“U”形阵、弧形阵等。这类基阵形式对于比较小型的高频、浅水多波束测深声纳而言，是实现大波束覆盖角的一种有效手段。但对于大型的低频、深水多波束声纳而言，发射基阵沿着航迹方向的尺寸达8～10m，垂直于航迹方向的尺寸达1～2m，要在船底安装如此大型的“V”形阵、“U”形阵或弧形阵，将会给船体的航行、码头停泊带来极大的困难。因此，对于低频深水多波束测深声纳而言，基阵的形式一般都采用平面阵。必须要突破平面型声基阵的超宽波束覆盖关键技术。另外由于在多波束声纳的发射基阵中，换能器数目众多，为了保证声纳的成图质量，要求阵上的换能器要求具有较好的相位一致性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，主要是一种具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，解决平面型声基阵的超宽波束覆盖关键技术和宽频带工作技术。

为解决上述技术问题，本发明是提出以下技术方案实现的：这种具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，平面声基阵由发射换能器和通道橡胶障板组成，二者固定于刚性安装板上，通道橡胶障板采用平面结构，由多片带孔橡胶片和一片不带孔橡胶片粘接而成，带孔橡胶片上设有一组小孔，带孔橡胶片和不带孔的橡胶片上开有用于安装发射换能器的换能器安装孔。

作为优选，所述发射换能器上设有用于安装通道橡胶障板的安装槽，发射换能器的辐射面与通道橡胶障板之间的距离，取0.25λ～λ之间，其中λ为换能器谐振频率在水中的波长。

作为优选，所述的小孔为非通孔，孔深度为8～15mm，孔底部的厚度为5～7mm，孔的直径为6～15mm，小孔的面积占整个截面积的60～80％。

作为优选，所述的不带孔橡胶片为一均匀橡胶薄片，其形状、尺寸与带孔橡胶片相同，厚度为4～8mm。

作为优选，所述发射换能器采用纵向振动与前盖板弯曲振动的相复合的宽带换能器，由前盖板、压电陶瓷堆、后盖板和预应力螺杆构成，前盖板呈喇叭型，前盖板辐射面的直径取0.4λ～0.6λ，其中λ为换能器谐振频率在水中的波长。

本发明的优点在于：本发明中的换能器采用纵向振动与换能器前盖板弯曲振动的相复合的宽带换能器，该类换能器具有高效、宽带、前后声辐射比大等优点，可以实现多波束声纳发射声源级的要求。但该换能器的指向性比较窄，不能满足多波束平面声基阵进行大角度波束扫描的需求。为此，本发明中采用了通道橡胶障板来拓宽纵向振动换能器的指向性，解决了平面声基阵进行大角度波束扫描的技术难题。本发明通过调整通道橡胶障板(反声障板)的结构组成、材料参数和声学参数，以及反声障板与换能器之间的安装关系，拓宽阵上基元的指向性，同时对发射换能器和反声障板进行一体化设计，使阵上基元具有宽频带工作性能。采用本方案设计的平面型声基阵具有宽带、超宽覆盖性能，可实现水下声基阵的大角度波束扫描，只需改变阵上换能器的数量、布阵间距、整阵长宽尺寸等参数，即可获得需要的整阵波束宽度，满足不同类型水下声基阵的需求。

附图说明

图1本发明中发射换能器结构示意图；

图2本发明中通道橡胶障板结构示意图；

图3本发明中带孔橡胶片结构示意图；

图4本发明中带孔橡胶片数学分析示意图；

图5本发明中发射换能器和通道橡胶障板安装结构图；

图6发射换能器在自由场的指向性示意图；

图7经过本发明优化后阵上换能器的指向性示意图；

图8实测阵上基元发送电压响应示意图。

附图标记说明：1为发射换能器，1-1为前盖板，1-2为压电陶瓷堆，1-3为后盖板，1-4为预应力螺杆，1-5为安装槽，1-6为引出电缆；2为通道橡胶障板，2-1为带孔橡胶片，2-2为不带孔橡胶片，2-3为换能器安装孔；3表示刚性安装板，4小孔。

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：

如图所示，这种具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，平面声基阵由发射换能器1和通道橡胶障板2组成，二者固定于刚性安装板3上，通道橡胶障板2采用平面结构，由多片带孔橡胶片2-1和一片不带孔橡胶片2-2粘接而成，带孔橡胶片2-1上设有一组小孔4，带孔橡胶片2-1和不带孔的橡胶片2-2上开有用于安装发射换能器1的换能器安装孔2-3。

所述发射换能器1上设有用于安装通道橡胶障板2的安装槽1-5，发射换能器1的辐射面与通道橡胶障板2之间的距离，取0.25λ～λ之间，其中λ为换能器谐振频率在水中的波长。调节换能器辐射面与通道橡胶障板2之间的距离，会极大地改变阵上换能器的指向性。在该范围内，存在一最佳距离使得阵上基元的指向性最宽，可先通过有限元仿真计算选定大概范围，再精细调节、多次测量来选定。换能器与通道橡胶障板2的最佳距离确定以后，就可以确定换能器的安装槽与辐射面之间的距离了。

所述的小孔4为非通孔，孔深度为8～15mm，孔底部的厚度为5～7mm，孔的直径为6～15mm，小孔4的面积占整个截面积的60～80％。所述的不带孔橡胶片2-2为一均匀橡胶薄片，其形状、尺寸与带孔橡胶片2-1相同，厚度为4～8mm。带孔橡胶片和不带孔橡胶片均由以氯丁橡胶为基地的橡胶材料通过模具压制而成。这种通过模压制作通道橡胶软障板与发泡类的软障板相比，具有性能稳定，一致性好等优点。

所述发射换能器1采用纵向振动与前盖板弯曲振动的相复合的宽带换能器，由前盖板1-1、压电陶瓷堆1-2、后盖板1-3和预应力螺杆1-4构成，前盖板1-1呈喇叭型，由铝材料制作而成。换能器表面全部用模具硫化橡胶进行包覆，在换能器侧表面上留有安装槽。安装槽与换能器辐射面之间的间距是经过对指向性性能的优化而确定的。安装槽与辐射面之间的距离一旦确定，换能器辐射面与障板之间的距离也就确定了。从理论上来讲，单个换能器前盖板辐射面尺寸越小，换能器本身的指向性就越宽；但辐射面越小，换能器的电声效率就越低，而且工作带宽较窄，因此综合考虑换能器辐射面直径取0.4～0.6λ，其中λ为换能器谐振频率在水中的波长。这样的换能器在自由场指向性的-3dB宽度为90°左右。在我们制作的换能器样品中，换能器的谐振频率为12kHz，换能器的辐射面取50mm左右。

该换能器采用纵向振动与换能器前盖板弯曲振动的相复合来实现宽带性能。其基本工作原理为：工作频带中有两个模态参与振动，一个是换能器的纵向振动模态，另一个是换能器前盖板的弯曲振动模态，这样可以有效拓宽换能器的工作频带。在单个换能器的设计过程中，可以通过调整换能器前后盖板的及陶瓷堆的尺寸，来调节纵向振动模态和前盖板弯曲振动模态上的谐振频率、电导纳和电压发送相应的大小，保持两个模态上这些物理量的平衡，从而获得良好的宽带工作性能。在本案例中，采用通道橡胶反声障板改善发射换能器的指向性后，障板会给换能器的发送响应在各个频率上带来不同的增益，并且也会改变换能器在各个频率上的辐射阻抗，因此需要考虑带有障板增益情况下的换能器宽带性能。特定情况下各频率上的障板增益有正有负，需对换能器进行优化设计，使其自由场响应曲线的峰值与障板负增益相抵消，获得平坦的阵上基元发送电压响应，具体的设计过程比较复杂，难以用简单的解析法进行表示，可以采用有限元法进行建模分析。在我们制作实例中，换能器辐射面直径在45～55mm左右；换能器的纵向振动谐振频率在11～13kHz，前盖板弯曲振动频率在20～23kHz，障板给发送响应带来增益为：10.5kHz，+1dB；12kHz，-4dB；13.5kHz，+1.5dB。换能器的纵向谐振频率设计在12kHz，在这个频率上换能器本身的响应较高，以抵消障板负增益带来的影响。

通道橡胶障板的工作原理和声学参数确定过程如下：这种障板工作原理在于体积弹性模量为λ的实心橡胶大致等于水的体积模量，它的剪切模量μ比λ小两个数量级。模量间的这种关系可以通过体积形变向剪切形变的变换来明显减小介质压缩有效模量，从而引起声速的降低。一种形变向另一种形变的转换是通过将实心材料橡胶制成空气层或者通道来实现的。此时，纵波透射介质产生的较小体积形变会引起较大的剪切形变，剪切形变集中于腔体表面附近，改变腔体的尺寸或者它们在整体中的数量，可以调整高速介质的“柔软”程度。

在理论分析带有圆柱通道层的声学及弹性参数的理论时，如果假定腔体的尺寸同介质中传播的弹性波波长相比很小，那么可以通过静态近似的方法来得到带通道橡胶介质的参数。这种方法的思想在于：在设定的边界条件下，获得介质特征元的静态弹性表达式，可以得到介质的有效弹性模量E_e，然后可以计算通道橡胶层的等效声速：

$c_e=\sqrt{E_e/{\mathrm{\ρ}}_a}---1$

其中，ρ_a为通道橡胶的平均密度。这种静态的观点对于带有腔体的介质在静水压下压缩的计算以及确定它们在受压状态的声学参数，都是有用的。

为了便于分析，我们将橡胶内的通道排列成“蜂窝”状结构，每一个通道结构由圆柱形的空气腔和正六边棱柱的橡胶壁所组成，通道如此布置，可以确保在特定的障板体积内空气腔的体积达到最大。如果在介质中沿通道轴向传播弹性波，由于六边形柱体的对称性，只要知道一个柱体的弹性及声学特性，就可以确定介质的特性。由于结构的对称性，通过受力分析我们可以发现作用于六边柱体每个面上的径向位移u和切向压力τ_rz都等于零。为了简化问题，我们将棱柱用圆柱代替，如图4所示。此时，圆柱横截面的面积应该等于初始六面棱柱的横截面面积。因此，确定带有圆柱通道介质的声学及弹性特性问题就转化为求解沿圆柱轴向传播的弹性纵波的传播问题。可以假定圆柱被置于绝对硬圆柱管内，且其表面无摩擦形变。求解该问题的动态解，涉及到求解相对波数k的超越方程，非常复杂。这里我们采用“静态”法来近似求解，可以大大简化求解过程，并且物理意义明确。

众所周知，动态弹性形变的特性与静态的情况是一致的例如半径与介质内声波波长相比很小的实心圆柱棒。在这种棒内弹性波的传播速度可以通过棒的材料密度和杨氏模量来确定。显然，如果管的内径和外径与波长相比很小时，用该方法来分析带有圆柱通道的介质是正确的。当通道圆孔被橡胶密封时，圆孔可以被看作是带有径向非固定端面的管。由于管的形变是轴对称的，圆柱的轴对称运动方程可以表示为：

$\mathrm{\ρ}\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂u}^2}=(\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})\frac{\∂\mathrm{\Δ}}{\∂r}+2\mathrm{\μ}\frac{\∂{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\θ}}}{\∂z}$

$\mathrm{\ρ}\frac{{\∂}^{2}w}{{\∂t}^2}=(\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})\frac{\∂\mathrm{\Δ}}{\∂z}-2\mathrm{\μ}\frac{\∂\left(r{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\θ}}\right)}{\∂r}---2$

其中，u表示为圆柱的径向位移，w表示为轴向位移；ρ为橡胶材料的密度；λ、μ为橡胶材料的拉梅常数。在弹性圆柱内，径向应力由如下方程所确定：

${\mathrm{\σ}}_r=(\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})\frac{\∂u}{\∂r}+\mathrm{\λ}(\frac{u}{r}+\frac{\∂w}{\∂z})---3$

在求解上述方程中，我们采用如下边界条件：

当r＝b时，u＝0；

当r＝a时，σr＝0                                  4

a和b分别为圆柱的内半径和外半径。

将边界条件代入振动方程，可以得到橡胶管中的等效杨氏模量和声速为：

$E_{\mathrm{TP}}=\mathrm{\μ}\frac{(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)(1+3{\mathrm{\ϵ}}^2)}{{\mathrm{\ϵ}}^2}$

$c_{\mathrm{TP}}=c_t\sqrt{\frac{1+3{\mathrm{\ϵ}}^2}{{\mathrm{\ϵ}}^2}}---5$

其中，

为橡胶内剪切波的速度。ε²＝a²/_b2为通道橡胶的穿孔系数。

橡胶层内的平均密度为：

ρ_a＝ρ(1-ε²)                                    6

根据换能器工作频率的不同，可以选择不同数量的带孔橡胶分片来制作声障板。工作频率越低，需要整个障板的厚度就越厚，需要的带孔橡胶分片也就越多。

得到通道橡胶障板的声学性能参数以后，就可以计算阵上换能器具有最宽指向性时声学障板与换能器辐射面之间的距离了。

换能器与通道橡胶障板的安装如图5所示，安装时，首先将通道橡胶障板2粘接到刚性安装板3上，然后将发射换能器1穿过通道橡胶障板和平板的安装孔，在将发射换能器1通过安装槽1-5固定到刚性安装板3上。调节换能器辐射面与声学障板之间的距离，会极大地改变阵上换能器的指向性。一般地，该距离可取0.25λ～λ之间，其中λ为换能器谐振频率在水中的波长，在该范围内，存在一最佳距离使得阵上基元的指向性最宽，可先通过有限元仿真计算选定大概范围，再精细调节、多次测量来选定。换能器与声障板的最佳距离确定以后，就可以确定换能器的安装槽与辐射面之间的距离了。

实现平面阵上发射换能器的宽带、宽指向性工作，只需改变阵上换能器的数量、布阵间距、整阵长宽尺寸等参数，即可获得需要的整阵波束宽度，满足不同类型水下声基阵的需求。在本实例中，平面阵上的发射换能器的指向性宽度-3dB达到了140°左右，为深水多波束声纳在±75°范围内进行波束偏转扫描的性能提供了技术支持。发射换能器在自由场的指向性和经过本方法优化后阵上指向性如图6和图7所示，阵上基元发送电压响应如图8所示。

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 (5)

1.一种具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，其特征在于：平面声基阵由发射换能器(1)和通道橡胶障板(2)组成，二者固定于刚性安装板(3)上，通道橡胶障板(2)采用平面结构，由多片带孔橡胶片(2-1)和一片不带孔橡胶片(2-2)粘接而成，带孔橡胶片(2-1)上设有一组小孔(4)，带孔橡胶片(2-1)和不带孔的橡胶片(2-2)上开有用于安装发射换能器(1)的换能器安装孔(2-3)。

2.根据权利要求1所述的具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，其特征在于：所述发射换能器(1)上设有用于安装通道橡胶障板(2)的安装槽(1-5)，发射换能器(1)的辐射面与通道橡胶障板(2)之间的距离，取0.25λ～λ之间，其中λ为换能器谐振频率在水中的波长。

3.根据权利要求1所述的具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，其特征在于：所述的小孔(4)为非通孔，孔深度为8～15mm，孔底部的厚度为5～7mm，孔的直径为6～15mm，小孔(4)的面积占整个截面积的60～80％。

4.根据权利要求1所述的具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，其特征在于：所述的不带孔橡胶片(2-2)为一均匀橡胶薄片，其形状、尺寸与带孔橡胶片(2-1)相同，厚度为4～8mm。

5.根据权利要求1或2所述的具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，其特征在于：所述发射换能器(1)采用纵向振动与前盖板弯曲振动的相复合的宽带换能器，由前盖板(1-1)、压电陶瓷堆(1-2)、后盖板(1-3)和预应力螺杆(1-4)构成，前盖板(1-1)呈喇叭型，前盖板(1-1)辐射面的直径取0.4λ～0.6λ，其中λ为换能器谐振频率在水中的波长。

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