CN104284272A - 一种深水复合结构声学基阵及基于该基阵的透声方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深水复合结构声学基阵及基于该基阵的透声方法，所述声学基阵包含：轴对称圆柱壳体，该轴对称壳体由上壳体6和下壳体5组成；隔震去耦层4，设置于轴对称圆柱壳体的内腔底面上；前辐射板2，位于隔震去耦层4的上层，且与基元1固定相连；其中，所述基元1的顶端与轴对称圆柱壳体的上表面相距一定距离；所述轴对称圆柱壳体的底面为金属表面。本发明优点在于，在保证声学基阵基本的性能前提下，可以大大提高声学基阵的可靠性和使用寿命，可以提高基阵的发射功率容量，可以提高基阵的耐静水压能力，使得基阵能工作在深水环境。本发明设计的声学基阵在工程实际中具有较大的应用价值。

Description

一种深水复合结构声学基阵及基于该基阵的透声方法

技术领域

本发明属于声学传感器领域，具体地说，本发明涉及一种深水复合结构声学基阵。

背景技术

自主水下航行器是世界各国大力发展的海洋运载器，在海洋保护、海洋资源开发等领域具有极大的应用价值。导航问题是水下航行器应用所面临的主要技术挑战之一，导航能力是水下航行器有效工作与安全回收的重要要求。

多普勒测速仪是利用多普勒效应测量水下航行器航速的一种导航设备，其基本原理是，以一定倾角向海底发射声波束，接收海底回波信号，测出发射信号和接收信号的频率偏移量，从而解算出水下航行器的航行速度。用这种方法，可以测得水下航行器相对于海底的绝对速度，测量精度较高。这对于航行器在海上航行中的计程及定位，对于大中小型船舶低速安全进港和靠岸，都有重要的作用。

水声换能器声学基阵是多普勒测速仪的核心部件，在工作时，声学基阵既做发射器同时也做接收器使用。影响多普勒测速仪测量精度的主要技术参数有工作频率、波束倾角及宽度、发射功率及波形等。工作频率与多普勒频移、波束开角和传播衰减有直接关系。在一定航速下，工作频率越高，多普勒频移越大，测速精度越高；工作频率高时，波束开角窄，测速精度高，也有利于减小换能器阵的尺寸；但是频率越高，声传播衰减越大，要求的发射功率就越大。波束开角宽度（-3dB）的选取也要综合考虑。开角小，多普勒频谱宽度减小，测速精度高；但开角过小，受航行器的摇摆影响大，难以接收到足够的回波信号，而且会加大换能器尺寸。航行器在浅水区时，可以发生连续波信号，测速精度比较高；在深水区时，宜采用脉冲波方式，以便减小平均功率。

可见，多普勒测速仪所使用的声学基阵，要求有较高的工作频率、较小的波束开角和较大的发射功率。另外，由于声学基阵一般固定安装在航行器的下部，造成了日常维修和防护等方面的困难，所以可靠性问题也是声学基阵的设计工作中要考虑的最重要的问题。

通常的声学基阵设计中，换能器阵由若干个基元按照一定的排列规律组成，阵元的辐射面包覆一层防水透声橡胶层，这样的结构设计简单、安装方便、透声性能较好。但缺点也同样明显，防水透声橡胶层的可靠性和防磕碰性能较差，声学基阵的耐静水压能力较差，一般仅能工作在几十米的浅水区。特别是当基阵的尺寸较大时，橡胶层的制作工艺比较困难，对硫化工艺的技术水平要求较高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种全新的、适合深水应用的多普勒测速仪的声学基阵结构。

为实现上述目的，本发明提供了一种深水复合结构声学基阵，所述声学基阵包含：轴对称圆柱壳体、隔震去耦层4、前辐射板2和基元1；所述轴对称圆柱壳体，该轴对称壳体由上壳体6和下壳体5组成；所述隔震去耦层4，设置于轴对称圆柱壳体的内腔底面上；所述前辐射板2，位于隔震去耦层4的上层，且与基元1固定相连；其中，所述基元1的顶端与轴对称圆柱壳体的上表面相距一定距离；所述轴对称圆柱壳体的底面为金属表面。

上述前辐射板2上设置一定深度的凹槽作为去耦槽，所述基元1位于若干去耦槽所形成的正方形块体上。

上述轴对称圆柱壳体的上表面设置一开口，该开口处利用弹性材料封堵最终形成耐静水压力的压力平衡窗8；

其中，所述压力平衡窗8的结构包含：向轴对称圆柱壳体外部凸出的半球形。

上述轴对称圆柱壳体中填满填充液7。

上述的前辐射板2上设置若干个螺纹孔，该螺纹孔用于与穿过基元1的预应力螺杆配合，进而将基元1紧固在前辐射板2上。

上述隔震去耦层4为“凹”字形结构，且该“凹”字形结构的陷进去的部分用于设置前辐射板2。

上述基元1为复合棒式换能器基元，该复合棒式换能器基元包含圆柱形压电陶瓷柱；其中，所述前辐射板2与所述圆柱形压电陶瓷柱采用环氧树脂相互粘连，实现基元1与前辐射板2的固定相连。

所述上壳体6和下壳体5采用钛合金或不锈钢制成；所述前辐射板2采用钛合金、钢、铜或硬铝制成；所述弹性材料和隔震去耦层采用聚氨酯或橡胶材料制成；所述填充液7选用硅油、蓖麻油或轻蜡油。

此外，本发明还提供一种基于上述声学基阵的透声方法，所述方法包含：

换能器基元1通电产生纵向振动；所述基元1带动前辐射板2振动，通过隔震去耦层4和下壳体5实现声学基阵的声辐射。

上述方法还包含：采用压力平衡窗8及轴对称圆柱壳体填充的填充液7，保证基阵壳体内外部的压力平衡。

综上所述，本发明的最大特色在于，前辐射板2、隔震去耦层4和下壳体5组合成为全新的透声窗结构，此种结构不但保证了声学基阵基本的透声效果，而且相当于在外表面加了一层金属罩壳，使得整个声学基阵具有耐腐蚀、耐冲击、防磕碰等优点。对于长期浸泡在海水中的声学基阵，能够提高电绝缘特性和屏蔽性能，能够大大提高声学基阵的使用寿命和可靠性。隔震去耦层4的加入，减少了外界环境对声学基阵的声干扰和振动干扰。本发明将多个复合棒式换能器基元1以复合的方式紧固在一块前辐射板2上，提高了换能器基元的发射功率容量，减少了基元安装的复杂性，可以保证换能器基元的一致性。压力平衡窗8的设计和填充液7的注入，使得基阵外部的水压通过压力平衡窗8的橡胶结构传递到内部的填充液7，利用填充液体7的不可压缩性，声学基阵内外的压力保持平衡，极大的提高了声学基阵的耐静水压能力，使得声学基阵工作在深水环境成为可能，拓展了基阵的工程应用范围。压力平衡窗8设计成凸半球形并具有一定的弹性，作用是使声学基阵能够自适应填充液随温度变化而产生的体积变化，保护基阵内部结构不受到压力破坏。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

本发明优点在于，有利于提高基元一致性、严格控制基元间距，提高基阵的发射功率容量，提高基阵的耐静水压能力及抗振动、冲击能力，大大提高声学基阵的可靠性和使用寿命。本发明设计的声学基阵在工程实际中具有较大的应用价值。本发明提供的全新结构设计思想也可以类推应用于其他相关换能器及基阵的设计当中。

附图说明

图1是本发明实施例提供的声学基阵结构示意图；

图2是本发明实施例提供的复合棒式换能器基元安装示意图。

图3是本发明实施例提供的圆柱形压电陶瓷基元粘接示意图。

附图标志：

1、基元   2、前辐射板   3、预应力螺钉

4、隔震去耦层   5、下壳体   6、上壳体

7、填充液   8、压力平衡窗   9、压电陶瓷

10、后质量块

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地描述。

本发明技术方案中的上壳体6及下壳体5名称中的“上”和“下”仅是为了描述方便进行的命名，并不实际限定两者的位置关系。

实施例1，

上壳体和下壳体组成轴对称圆柱壳体，该轴对称圆柱壳体内腔底面设置前辐射板2-隔震去耦层4-下壳体5三层复合结构体，该三层复合结构作为声学透声窗，再将基元1固定于声学透声窗的前辐射板2中进而实现不同于现有技术的透声策略。

实施例2，

采用压力平衡窗8和填充液7，使得基阵外部的水压通过压力平衡窗8的橡胶结构传递到内部的填充液，利用填充液7的不可压缩性，声学基阵内外的压力保持平衡，极大的提高了声学基阵的耐静水压能力，使得声学基阵工作在深水环境成为可能，拓展了基阵的工程应用范围，因此提供如下的实施例。

本发明提供一种深水复合结构声学基阵，该声学基阵包括下壳体5、上壳体6、隔震去耦层4、前辐射板2、基元1、预应力螺杆3、压力平衡窗8和填充液7，所述下壳体5具有薄壁的金属表面；所述前辐射板2与下壳体5之间填充有隔震去耦层4，组合成“前辐射板2-隔震去耦层4-下壳体5”三层复合结构体作为声学透声窗；所述前辐射板2上加工有一定深度的凹槽作为去耦槽，所有的基元1安装在凹槽所形成的正方形块体上并且共用同一个前辐射板2作为辐射面；所述的上壳体6上安装有压力平衡窗8；所述的下壳体5和上壳体6形成的空腔内填满填充液7。

作为本发明的一个改进，所述的压力平衡窗8可以制作成向外凸出的半球形。

上述技术方案，所述的前辐射板2上加工有若干个螺纹孔；所述的基元1采用复合棒式换能器结构，所有基元1通过预应力螺杆3紧固在前辐射板2上并提供预应力；所述的换能器基元1也可以将圆柱形压电陶瓷柱采用环氧树脂直接粘接到前辐射板2上。

上述技术方案，所述下壳体5采用耐海水腐蚀、高强度的金属材料制成，通常情况下选用钛合金或不锈钢等；所述上壳体6的材料通常与下壳体5的材料保持一致；所述前辐射板2采用高强度的金属材料制成，通常情况下选用钛合金、钢、铜和硬铝等；所述压力平衡窗8采用防水、耐海水腐蚀、弹性较好的非金属材料制成，通常情况下选用聚氨酯或橡胶材料等；所述隔震去耦层4采用透声性能好、弹性较好并具有粘接性能的非金属材料，通常情况下选用聚氨酯或橡胶材料等。所述填充液7一般包括硅油、蓖麻油、轻蜡油等。

上述技术方案，所述的下壳体5和上壳体6之间安装有水密O型圈，通过若干个紧固螺钉使接触面具有较强的水密性能。

实施例3

如图1所示，下壳体5和上壳体6由钛合金材料加工成轴对称圆柱壳，将两个圆柱壳开口端对接形成一容纳基元1的腔体，所述下壳体5的下表面（即轴对称圆柱壳体的内腔底面）要加工成较薄壁厚，例如5mm厚度；两壳体间安装有O型圈保证水密，由20个M10的钛合金螺钉进行轴向紧固，形成密闭内腔结构。前辐射板2用钛合金材料加工成10mm厚圆盘形状，上表面加工有2mm宽、3mm深的沟槽，沟槽间形成了96个正方形凸台，凸台中心加工有内螺纹孔。前辐射板2的具体厚度和直径、正方形凸台的尺寸和基元的数量均由声学基阵的技术参数所决定，包括频率、波束倾角等。隔震去耦层4由透声聚氨酯材料灌注而成，要保证聚氨酯与下壳体5和前辐射板2的两个接触面粘接牢固且不能存在气泡。基元1由预应力螺钉3穿心紧固在前辐射板2的正方形凸台上，并提供机械预应力。考虑到声学基阵要保持发射特性和接收特性的平衡，压电陶瓷9采用PZT5材料制成中空圆柱形。后质量块10由黄铜材料制成，径向尺寸与压电陶瓷9的尺寸保持一致。压力平衡窗8由橡胶材料模具硫化制成，安装在上壳体6中心开孔处，压力平衡窗8设计成向外凸出的半球形，安装时，要保证凸球形方向向外。图1中的压力平衡窗8可以直接固定于上壳体6的开口上。

声学基阵内部所有基元1的分组连线工作完成后，测量声学基阵各通道的电容值和绝缘特性。将硅油填充液7注入壳体内腔，通过抽真空方式去除硅油中的气泡。当声学基阵工作时，基元1通电后产生纵向振动，所有复合的基元1带动前辐射板2振动，通过隔震去耦层-下壳体的透声窗结构，实现了声学基阵的声辐射。通过控制基元1的排列分组方式和驱动相位的变化，可以实现预期的基阵波束形成。压力平衡窗8和填充液7的设计，保证了基阵壳体内外部的压力平衡，压力平衡窗8在结构上设计成凸半球形，解决了填充液7随温度变化产生的体积变化而带来的内部压力问题。

本发明为一种全新的辐射板-隔震去耦层-下壳体的透声窗一体结构和全新的基阵复合设计，通过以上的创新设计，解决了声学基阵的透声问题与基阵结构强度之间的矛盾，大大提高了声学基阵的可靠性和使用寿命，提高了声学基阵在水中的耐静水压能力，适合深水应用。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种深水复合结构声学基阵，其特征在于，所述声学基阵包含：

轴对称圆柱壳体，该轴对称壳体包含上壳体（6）和下壳体（5）；

隔震去耦层（4），设置于轴对称圆柱壳体的内腔底面上；

前辐射板（2），位于隔震去耦层（4）的上层，且与基元（1）固定相连；

其中，所述基元（1）的顶端与轴对称圆柱壳体的上表面相距一定距离；所述轴对称圆柱壳体的底面为金属表面。

2.根据权利要求1所述的深水复合结构声学基阵，其特征在于，所述的前辐射板（2）上设置一定深度的凹槽作为去耦槽，所述基元（1）位于若干去耦槽所形成的正方形块体上。

3.根据权利要求1所述的深水复合结构声学基阵，其特征在于，所述轴对称圆柱壳体的上表面设置一开口，该开口处利用弹性材料封堵最终形成耐静水压力的压力平衡窗（8）；

其中，所述压力平衡窗（8）为向轴对称圆柱壳体外部凸出的半球体，所述轴对称圆柱壳体中填满填充液（7）。

4.根据权利要求1所述的深水复合结构声学基阵，其特征在于，所述的前辐射板（2）上设置若干个螺纹孔，该螺纹孔用于与穿过基元（1）的预应力螺杆配合，进而将基元（1）紧固在前辐射板（2）上。

5.根据权利要求1所述的深水复合结构声学基阵，其特征在于，所述隔震去耦层（4）为“凹”字形结构，且该“凹”字形结构的陷进去的部分用于设置前辐射板（2）。

6.根据权利要求1所述的深水复合结构声学基阵，其特征在于，所述基元（1）为复合棒式换能器基元，该复合棒式换能器基元包含圆柱形压电陶瓷柱；

其中，所述前辐射板（2）与所述圆柱形压电陶瓷柱采用环氧树脂相互粘连，实现基元（1）与前辐射板（2）的固定相连。

7.根据权利要求1或3所述的深水复合结构声学基阵，其特征在于，

所述上壳体（6）和下壳体（5）采用钛合金或不锈钢制成；

所述前辐射板（2）采用钛合金、钢、铜或硬铝制成；

所述压力平衡窗（8）和隔震去耦层（4）采用聚氨酯或橡胶材料制成；

所述填充液（7）选用硅油、蓖麻油或轻蜡油。

8.一种基于权利要求1的声学基阵的透声方法，所述方法包含：

换能器基元（1）通电产生纵向振动；

所述基元（1）带动前辐射板（2）振动，通过隔震去耦层（4）和下壳体实现声学基阵的声辐射。

9.根据权利要求8所述的声学基阵的透声方法，其特征在于，所述方法还包含：

采用压力平衡窗（8）及轴对称圆柱壳体填充的填充液（7），保证基阵壳体内外部的压力平衡。