CN102176007A - 一种浅水多波束声纳u型发射阵实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法，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U型辐射面，以实现边缘波束比中心波束高12～15dB；最后还利用了多个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：具有结构简单、工艺可靠、带宽宽、水平波束局部起伏小、可垂直束控、电声效率高的优点。

Description

一种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法

技术领域

本发明涉及水声测量领域，主要是一种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法。

背景技术

我国是一个拥有300万平方公里海洋国土的海洋大国，其中大部分地区是浅海，如我国的北海和东海都是水深不足200米的浅海，海洋开发和海洋工程(如港口建设、海上采油等)都集中在近海，此外大量的内陆湖泊、内河航道、水库等均为浅水区(小于200米)，都需要利用体积小、重量轻的浅水多波束测深系统进行准确、快速的地形地貌测量。

目前浅水多波束测深系统中具有典型代表性的有Simrad EM3000、SeaBeam 1180、ResonSeabat 8101等等。Simrad EM3000采用“T”型阵，发射单波束，接收多波束，工作频率300kHz。缺点主要有中心波束混响严重；横向接收波束宽度不均匀，导致整个条带分辨率不均匀。ResonSeabat 8101发射采用直线阵，接收采用圆环形阵，工作频率240kHz，虽然一定程度上提高了边缘波束的分辨力，但仍存在中心波束混响严重的问题。SeaBeam 1180为了提高边缘波束分辨力及改善发射波束横向能量分布，采用“V”型面阵，但仍存在明显不足，分时发射需要3个测量周期才能完成整个条带的测量，不仅影响测绘速度，也会引起额外的条带分辨率不均匀性。

为了进一步提高浅海多波束声纳系统总体性能，人们提出了U型收发基阵的技术方案，该方法构造一个具有特定指向性的收发基阵，使得中心波束强度远小于边缘波束，同时解决了中心正入射海底强混响严重问题，及边缘波束物理分辨力问题。目前国外普遍采用工艺复杂的1-3复合材料来制作收发基阵，这样会导致两个不足，一是带宽不够宽，二是声源级不够大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提供一种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法，包括如下步骤：

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：根据所需的指向性设计U型阵的阵形，这里选用悬链线阵型y(x)＝(cosh(Ax)-1)/A，以实现边缘波束比中心波束高12～15dB；其中x表示阵形的横坐标，y表示阵形的纵坐标，A为阵形参数，决定了阵形的纵横比例关系；

步骤四：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，后挡的形状由步骤三中公式所确定，用来定位陶瓷颗粒，硬质泡沫条用来使陶瓷颗粒与后挡去耦；

步骤五：按步骤三、四计算的尺寸加工一个支撑骨架，再加工一个带有销钉孔的U型铁心，套合在支撑骨架内部，用于多个U型铁心的定位；

步骤六：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；

步骤七：盖上上盖板，浇注匹配层，并把匹配层打磨到相应的厚度和高度；

步骤八：重复步骤五至步骤七，这样可以得到多个匹配层U型换能器。

步骤九：用销钉把多个匹配层U型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U型换能器之间插入一层去耦软木橡皮。

步骤十：在装配好的匹配层U型换能器外部灌注聚胺脂水密层，其厚度不小于3mm。

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。

本发明有益的效果是：

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U型辐射面，以实现边缘波束比中心波束高12～15dB；最后还利用了多个匹配层U型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是本发明一个较佳实施例的结构分解图。

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、8-硬质泡沫。

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：

参见图1，为采用本发明实现的一种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法中的单个换能器，其采用ABS塑料作为支撑骨架，45#钢作为定位铁环4，环氧板作为盖板。图中：

本实施例中单个匹配层圆环换能器采用128个锆钛酸铅(PZT-4)压电陶瓷颗粒，每个陶瓷颗粒5尺寸为5mm×5mm×8mm。支撑骨架底盘1厚0.7mm，支撑骨架横挡2厚0.6mm，支撑骨架后挡3形状参数A为16。盖板6厚0.7mm。匹配层7高度为9.5mm，径向厚度为3mm。单个换能器的内部结构如图1所示。本实施例共采用32个换能器组成一个U型阵。

本发明所述的这种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法，包括如下步骤：

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：根据所需的指向性设计U型阵的阵形，这里选用悬链线阵型y(x)＝(cosh(Ax)-1)/A，以实现边缘波束比中心波束高12～15dB；其中x表示阵形的横坐标，y表示阵形的纵坐标，A为阵形参数，决定了阵形的纵横比例关系；

步骤四：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，后挡的形状由步骤三中公式所确定，用来定位陶瓷颗粒，硬质泡沫条(硬质泡沫8)用来使陶瓷颗粒与后挡去耦；

步骤五：按步骤三、四计算的尺寸加工一个支撑骨架，再加工一个带有销钉孔的U型铁心，套合在支撑骨架内部，用于多个U型铁心的定位；

步骤六：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；

步骤七：盖上上盖板，浇注匹配层，并把匹配层打磨到相应的厚度和高度；

步骤八：重复步骤五至步骤七，这样可以得到多个匹配层U型换能器。

步骤九：用销钉把多个匹配层U型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U型换能器之间插入一层去耦软木橡皮。

步骤十：在装配好的匹配层U型换能器外部灌注聚胺脂水密层，其厚度不小于3mm。

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。

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。

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 (3)

1.一种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法，其特征是：包括如下步骤：

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：根据所需的指向性设计U型阵的阵形，选用悬链线阵型y(x)＝(cosh(Ax)-1)/A，以实现边缘波束比中心波束高12～15dB；其中x表示阵形的横坐标，y表示阵形的纵坐标，A为阵形参数，决定了阵形的纵横比例关系；

步骤四：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，后挡的形状由步骤三中公式所确定，用来定位陶瓷颗粒，硬质泡沫条用来使陶瓷颗粒与后挡去耦；

步骤五：按步骤三、四计算的尺寸加工一个支撑骨架，再加工一个带有销钉孔的U型铁心，套合在支撑骨架内部，用于多个U型铁心的定位；

步骤六：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；

步骤七：盖上上盖板，浇注匹配层，并把匹配层打磨到相应的厚度和高度；

步骤八：重复步骤五至步骤七，这样得到多个匹配层U型换能器；

步骤九：用销钉把多个匹配层U型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U型换能器之间插入一层去耦软木橡皮；

步骤十：在装配好的匹配层U型换能器外部灌注聚胺脂水密层，其厚度不小于3mm。

2.根据权利要求1所述的浅水多波束声纳U型发射阵实现方法，其特征是：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所述的浅水多波束声纳U型发射阵实现方法，其特征是：百分比带宽为30％时，取γ＝0.7，百分比带宽达到60％时取γ＝0.5。

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