CN102121988A - 一种用于高分辨彩色水平鱼探仪的宽带声基阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高分辨彩色水平鱼探仪的宽带声基阵，包括基阵上法兰、去耦基阵架、灌注层、硫化层、换能器振子和基阵下法兰，基阵上法兰与基阵下法兰之间固定连接有去耦基阵架，去耦基阵架与硫化层之间设置有灌注层；换能器振子作为圆柱阵的布阵基元安装在去耦基阵架中，布阵基元之间采用圆周方向插空的布阵形式，采用工作频带的中间频率的半波长作为布阵间距。本发明有益的效果是：本设计中的声基阵选用具有小尺寸、宽带、大功率的纵振换能器作为布阵基元，采用圆周插空的布阵形式，可以实现声基阵的宽频带、大功率工作，同时满足基阵水平和垂直方向的波束扫面要求，增大水平鱼探仪的探测距离和探测范围，提高分辨率。

Description

一种用于高分辨彩色水平鱼探仪的宽带声基阵

技术领域

本发明涉及水声换能器及基阵领域，主要是一种用于高分辨彩色水平鱼探仪的宽带声基阵。

背景技术

海洋探测技术的不断发展和海洋探测领域的不断扩大，对众多的海洋探测仪器都提出了作用距离远，探测范围大的要求。就远洋渔业捕捞领域而言，针对如金枪鱼等高经济价值的海洋鱼类的生活习性和个性特点，国外都在开发一种远距离、高分辨率的水平鱼探仪，如挪威的Simard SX90系列水平鱼探仪，美国WESMAR HD850/60-10水平鱼探仪，日本Furuno公司生产的FSV-30彩色扫描声纳等。而国内对彩色水平鱼探仪，由于受到技术和市场的制约，其相关技术在基本是一片空白。

总结国外最近几年研制的不同水平鱼探仪产品的性能特点，大多都有以下的共同点：采用宽带、多频工作方式，作用距离远，目标分辨力高，同时具有一定的干扰和噪声抑制能力，环境条件适应能力强；采用水平和垂直两维波束扫描，垂直波束实现大角度波束俯仰，避免“过顶”垂直探测对鱼群的干扰；而要实现水平鱼探仪的上述功能，就要求水平鱼探仪声基阵能够进行宽带、大功率工作和水平垂直大角度波束偏转。

传统的半波长布阵形式的圆柱阵，在水平全向发射时，阵元之间会有较大的凹谷，垂直波束偏转一般在30度～40度左右；传统的圆柱阵工作频带较窄，大多是单频工作，因而常按照工作频率所对应的半波长间距来布阵。实际的使用中，由于阵元的一致性以及互辐射等影响，基阵水平指向性会出现较深的凹谷，特别是在这种工作频带宽，且换能器振子尺寸较小的基阵中，指向性的不均匀性更为显著。

发明内容

本发明的目的是为了填补高分辨彩色水平鱼探仪国产化的空白，改变国外产品一统天下的局面，研制一种能够进行宽带工作，探测扫描距离远，并且可以进行水平、垂直大角度波束偏转或俯仰的高可靠性的高分辨彩色水平鱼探仪的宽带声基阵，换能器声基阵具有宽带、大功率工作以及大角度波束偏转的特点，满足水平鱼探仪的使用要求。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种用于高分辨彩色水平鱼探仪的宽带声基阵，包括基阵上法兰、去耦基阵架、灌注层、硫化层、换能器振子和基阵下法兰，基阵上法兰与基阵下法兰之间固定连接有去耦基阵架，去耦基阵架与硫化层之间设置有灌注层；换能器振子作为圆柱阵的布阵基元安装在去耦基阵架中，布阵基元之间采用圆周方向插空的布阵形式，采用工作频带的中间频率的半波长作为布阵间距。

作为优选，所述的换能器振子包括预应力螺杆、后盖板、陶瓷晶堆和前盖板，在前盖板的端面连接有匹配层，匹配层材料的特性阻抗小于换能器上任一部件的特性阻抗。

作为优选，所述基阵上法兰、基阵下法兰和去耦基阵架的同心度一致。

作为优选，所述布阵基元之间采用圆周方向插空的布阵形式是指：在轴线方向上，奇数排上的二组布阵基元相同，偶数排上的二组布阵基元相同，并与奇数排上的一组布阵基元沿径向错开一角度设置。

本发明有益的效果是：本设计中的声基阵选用具有小尺寸、宽带、大功率的纵振换能器作为布阵基元，采用圆周插空的布阵形式，可以实现声基阵的宽频带、大功率工作，同时满足基阵水平和垂直方向的波束扫面要求，增大水平鱼探仪的探测距离和探测范围，提高分辨率。具体而言，该声基阵具有以下特点：

1、在纵向换能器振子有源材料的选型中，选用具有强场损耗低，功率密度大的压电陶瓷材料做为换能器的驱动部件，可以承受较大的电功率，增加换能器的发射声源级，从而提高声基阵的作用距离；

2、纵向换能器由预应力螺杆、后盖板、陶瓷晶堆和前盖板组成。与传统的纵振换能器不同的是在前盖板处增加一匹配层结构，由于匹配层的作用，可使换能器工作带宽达一个倍频程。同时优化换能器的前盖板结构形式，使换能器具有较宽的波束指向性，波束角约80度～90度左右；

3、同传统的圆柱阵布阵相比，采用交错布阵形式的声基阵，水平指向性起伏小无凹谷，垂直波束可实现大角度偏转，偏转角度可达60度，并且在保证声源级的基础上，基阵具有体积较小、重量较轻的特点。

4、声基阵采用灌注和硫化相结合的方式，既可保证声基阵正常的发射接收性能不受影响，又可实现声基阵的长期水下工作的整体水密问题和海洋生物防护问题。

附图说明

图1换能器振子结构；

图2发送电压响应曲线；

图3换能器波束图；

图4声基阵水平波束图；

图5声基阵60度偏转波束图；

图6声基阵结构图。

附图标记说明：预应力螺杆1、后盖板2、陶瓷晶堆3、前盖板4、匹配层5、基阵上法兰6、去耦基阵架7、灌注层8、硫化层9、换能器振子10、基阵下法兰11。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图6所示，这种用于高分辨彩色水平鱼探仪的宽带声基阵，包括基阵上法兰6、去耦基阵架7、灌注层8、硫化层9、换能器振子10和基阵下法兰11，基阵上法兰6与基阵下法兰11之间固定连接有去耦基阵架7，去耦基阵架7与硫化层9之间设置有灌注层8；换能器振子10作为圆柱阵的布阵基元安装在去耦基阵架7中，布阵基元之间采用圆周方向插空的布阵形式，采用工作频带的中间频率的半波长作为布阵间距，布阵间距指的是沿轴线方向，每排布阵基元之间的轴向距离。

所述的换能器振子10包括预应力螺杆1、后盖板2、陶瓷晶堆3和前盖板4，在前盖板4的端面连接有匹配层5，匹配层5材料的特性阻抗小于换能器上任一部件的特性阻抗。换能器振子制作时，首先通过高温环氧粘结剂将前盖板4、陶瓷晶堆3和后盖板2粘接成为一体，并通过预应力螺杆1加力紧固，高温固化即可。优化匹配层5的设计参数，将匹配层与换能器的前盖板4粘接为一体，以实现宽带工作。与传统的纵振换能器不同的是，在前盖板处增加一层匹配层材料，由于匹配层材料的特性阻抗，拉近换能器的两个谐振峰，从而拓宽了换能器的工作带宽，工作频带可达一个倍频程。

所述布阵基元之间采用圆周方向插空的布阵形式是指：在轴线方向上，奇数排上的二组布阵基元相同(如1、3、5排每一组的布阵基元个数、角度、大小均一致)，偶数排上的二组布阵基元相同(如2、4、6排每一组的布阵基元个数、角度、大小均一致)，并与奇数排上的一组布阵基元沿径向错开一定角度设置。

选用既具有良好去耦特性，又具有相当机械强度的材料制作去耦基阵架7。根据设计的布阵形式和布阵间距，将换能器振子10装入去耦基阵架7中，保证换能器振子与基阵架的充分配合。所述基阵上法兰6、基阵下法兰11选用耐海水腐蚀的材料，如钛合金等，通过专用的连接杆将换能器基阵架与基阵的上下法兰连接成为一个整体，装配过程中要保证去耦基阵架7与基阵上法兰6、基阵下法兰11的同心度。硫化层9是声基阵中直接与水接触的部件。为提高基阵的使用可靠性，选用耐腐蚀性强，不易老化，透声性能好，水密性能好的硫化材料，利用模具将硫化层包覆在声基阵外表面，作为声基阵的水密保护罩。灌注层8位于硫化层与去耦基阵架7之间。由于去耦基阵架7需要灌注的腔体体积大，需要灌注的范围较大，为保证灌注层与换能器基阵架之间的粘接性能，需要采用透声性能好且流动性强的灌注材料，采用先进的真空灌注技术对声基阵进行整体灌注，一次成型。声基阵最终通过多芯电缆与岸上的发射机、信号处理设备传输数据。多芯电缆利用螺钉连接的方式紧固与声基阵法兰处，电缆与基阵之间采用O型圈水密。

工作原理：

纵振换能器以其结构简单、性能稳定，是平面阵、圆柱阵常用的布阵基元，但是传统的纵振换能器由于单一的振动模态，其工作带宽较窄，很难达到一个倍频程的带宽。本设计中利用匹配层技术，在纵振换能器的前盖板处增加一匹配层5结构，如图1所示，这可以认为是增加了负载质量，则换能器的基频就会降低，由于匹配层材料的特性阻抗小于换能器上任一部件的特性阻抗，故它的第二谐振频率亦同样降低，这就形成了两个靠近的谐振峰，从而拓宽了工作频带。同时在满足换能器性能的基础上，尽量地减小前盖板的尺寸，保证换能器有较宽的波束角80度～90度左右。实测该换能器的发送电压相应和指向性分别如图2、图3所示。

本设计中根据基阵宽带工作的实际情况，选择带宽的中间频率的半波长作为布阵间距，阵元之间采用圆周插空的布阵形式图6。由于基阵的布阵间距合适，再加上插空阵元的补偿作用，使得声基阵的水平指向性起伏在3dB之内，如图4所示。另外，因为阵元本身具有较宽指向性，同时布阵间距合适，这样基阵在垂直方向可以实现大角度的波束偏转，即使在基阵工作的高频段也能实现较大的角度偏转，图5为基阵偏转60度时的波束图。

本发明是一种收发合置的圆柱形换能器声基阵，与传统圆柱阵相比，采用本发明方法设计的声基阵，工作频带宽，水平指向性起伏小，可进行水平垂直两维波束扫描，垂直方向实现大角度波束偏转。可满足声纳系统进行大角度波束扫描的需要，广泛应用于海底地形地貌调查、海洋工程建设、海洋资源开发、河流航道调查等方面，尤其适宜用于远洋渔业捕捞装备高分辨彩色水平鱼探仪。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于高分辨彩色水平鱼探仪的宽带声基阵，其特征是：包括基阵上法兰(6)、去耦基阵架(7)、灌注层(8)、硫化层(9)、换能器振子(10)和基阵下法兰(11)，基阵上法兰(6)与基阵下法兰(11)之间固定连接有去耦基阵架(7)，去耦基阵架(7)与硫化层(9)之间设置有灌注层(8)；换能器振子(10)作为圆柱阵的布阵基元安装在去耦基阵架(7)中，布阵基元之间采用圆周方向插空的布阵形式，采用工作频带的中间频率的半波长作为布阵间距。

2.根据权利要求1所述的用于高分辨彩色水平鱼探仪的宽带声基阵，其特征是：所述的换能器振子(10)包括预应力螺杆(1)、后盖板(2)、陶瓷晶堆(3)和前盖板(4)，在前盖板(4)的端面连接有匹配层(5)，匹配层(5)材料的特性阻抗小于换能器上任一部件的特性阻抗。

3.根据权利要求1所述的用于高分辨彩色水平鱼探仪的宽带声基阵，其特征是：所述基阵上法兰(6)、基阵下法兰(11)和去耦基阵架(7)的同心度一致。

4.根据权利要求1所述的用于高分辨彩色水平鱼探仪的宽带声基阵，其特征是：所述布阵基元之间采用圆周方向插空的布阵形式是指：在轴线方向上，奇数排上的二组布阵基元相同，偶数排上的二组布阵基元相同，并与奇数排上的一组布阵基元沿径向错开一角度设置。

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