CN105759257A - 一种深海侧扫声呐基阵及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海侧扫声呐基阵及制备方法，包括侧扫声基阵振子、防水透声层、去耦层、金属外壳、发射电缆和接收电缆，所述的侧扫声基阵振子被包裹于去耦层内，且侧扫声基阵振子的上端灌注有防水透声层，该组合成的装置外层包裹有一层金属外壳；所述的发射电缆和接收电缆位于金属外壳的侧面，贯穿于金属外壳侧面且直至嵌入于去耦层内。制备方法：将压电陶瓷颗粒布成线阵，然后在压电陶瓷颗粒阵的上方灌注硅微粉复合材料作为匹配层；在各单元之间和单元背后放置耐15MPa静水压的采用玻璃微珠复合材料的去耦层。本发明具有工艺简单可靠、耐1000m深水压、温度稳定性好、压力稳定性好、灵敏度高的优点。

Description

一种深海侧扫声呐基阵及制备方法

技术领域

本发明属于水声换能器基阵技术领域，尤其涉及一种深海侧扫声呐基阵及制备方法。

背景技术

人类为了获得丰富的海洋资源，首先必须了解海底地形和地貌，由此促进了侧扫声呐的问世。侧扫声呐有三个突出的特点：一是分辨率高，二是能得到连续的二维海底图像，三是价格较低。基于这些优势，侧扫声呐出现以后很快得到广泛应用，现在已成为水下探测的主要设备之一，主要用来实现水底地貌成像。目前，侧扫声呐通过增加接收阵的方法使其具有测深功能的测深侧扫声呐，从而获得更为可靠的测深数据。

侧扫声呐应用广泛，主要应用于如下领域：(1)海洋测绘：侧扫声呐可以显示微地貌形态和分布，可以得到连续的有一定宽度的二维海底声图，而且还可以做到全覆盖不漏测；(2)海洋地质调查：侧扫声呐的海底声图可以显示出地质形态构造和底质的大概分类；(3)海洋工程勘探：广泛应用于海洋工程勘探，如海底电缆、海底输油管线的路由器调查等；(4)寻找水下沉船沉物和探测水雷：侧扫声呐的分辨力高，可以发现水雷等小目标，可以发现沉船，并能显示沉船的坐卧海底姿态和破损情况；(5)侧扫声呐还广泛应用于其他方面，如渔业研究、水下考古等等。

由于侧扫声呐工作频率较高，高频声波在海水中衰减较快，为了获得深海地形地貌及海底沉积物的信息，就需要采用拖曳方式或安装在AUV平台上来缩短侧扫声呐的工作距离。因此，开发研制应用于深海环境的耐高静水压、温度稳定性好、压力稳定性好的声基阵是深海工作的侧扫声呐应用提出的必然要求，是亟待解决的科学技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种具有工艺简单可靠、耐1000m深水压、温度稳定性好、压力稳定性好的深海侧扫声呐基阵及制备方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，这种深海侧扫声呐基阵，包括侧扫声基阵振子、防水透声层、去耦层、金属外壳、发射电缆和接收电缆，所述的侧扫声基阵振子被包裹于去耦层内，且侧扫声基阵振子的上端灌注有防水透声层，该组合成的装置外层包裹有一层金属外壳；所述的发射电缆和接收电缆位于金属外壳的侧面，贯穿于金属外壳侧面且直至嵌入于去耦层内。所述的侧扫声基阵振子由发射阵哑元、发射线阵单元、发射线阵之间去耦单元、接收线阵单元、接收线阵之间去耦单元、接收阵哑元和侧扫声基阵振子去耦单元组成；并由一条发射阵哑元、两条电并联的发射线阵单元、两条发射线阵之间去耦单元、八条独立工作的接收线阵单元、九条接收线阵之间去耦单元、一条接收阵哑元依次相间排列；该侧扫声基阵振子背面及周围灌注玻璃微珠复合材料，构成侧扫声基阵振子去耦单元和去耦层。

作为优选，所述的发射线阵单元和接收线阵单元构成侧扫声基阵振子的主体，发射阵哑元和接收阵哑元构成侧扫声基阵振子的哑元结构，发射线阵之间去耦单元、接收线阵之间去耦单元和侧扫声基阵振子去耦单元是侧扫声基阵振子的去耦结构；其中发射阵哑元和接收阵哑元位于侧扫声基阵振子的边缘处，发射线阵单元与发射阵哑元相邻，发射线阵之间去耦单元位于发射线阵单元与发射阵哑元之间，接收线阵单元与发射线阵单元、接收阵哑元相邻，接收线阵之间去耦单元位于接收线阵单元与接收阵哑元之间。

作为优选，所述的发射阵哑元和发射线阵单元采用PZT4压电陶瓷作为驱动单元，硅微粉复合材料作为发射匹配层。

作为优选，所述的接收线阵单元和接收阵哑元采用采用PZT5压电陶瓷作为敏感单元，硅微粉复合材料作为接收匹配层。

一种深海侧扫声呐基阵的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

1)、将压电陶瓷颗粒布成线阵，然后在压电陶瓷颗粒阵的上方灌注硅微粉复合材料作为匹配层；

2)、在各单元之间和单元背后放置耐15MPa静水压的采用玻璃微珠复合材料的去耦层；

3)、利用120度橡胶硫化机分别硫化发射电缆和接收电缆，将侧扫声基阵振子安装在金属外壳内，并将侧扫发射接收声线阵基元导线分别与发射接收电缆对接，最后灌注聚氨酯防水透声层。

本发明的有益效果为：具有工艺简单可靠、耐1000m深水压、温度稳定性好、压力稳定性好、灵敏度高的优点；发射接收的工作带宽均接近1个倍频程。

附图说明

图1是本发明的侧扫声基阵振子的结构示意图。

图2是本发明的侧扫发射声线阵和发射哑元的结构示意图。

图3是本发明的侧扫接收声线阵和接收哑元的结构示意图。

图4是本发明的深海侧扫声纳基阵的结构示意图。

图5是本发明的110kHz处发射基元航行维指向性曲线。

图6是本发明的发射基元发送电压响应曲线。

图7是本发明的110kHz处接收基元航行维指向性曲线。

图8是本发明的接收基元接收灵敏度曲线。

附图中的标号分别为：1、发射阵哑元；2、发射线阵单元；3、发射线阵之间去耦单元；4、接收线阵单元；5、接收线阵之间去耦单元；6、接收阵哑元；7、侧扫声基阵振子去耦单元；8、驱动单元；9、发射匹配层；10、敏感单元；11、接收匹配层；12、防水透声层；13、侧扫声基阵振子；14、去耦层；15、金属外壳；16、发射电缆；17、接收电缆。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：如附图4所示，本发明包括侧扫声基阵振子13、防水透声层12、去耦层14、金属外壳15、发射电缆16和接收电缆17，所述的侧扫声基阵振子13被包裹于去耦层14内，且侧扫声基阵振子13的上端灌注有防水透声层12，该组合成的装置外层包裹有一层金属外壳15；所述的发射电缆16和接收电缆17位于金属外壳15的侧面，贯穿于金属外壳15侧面且直至嵌入于去耦层14内。

上述技术方案中，防水透声层12采用聚氨酯橡胶。防水透声层12的主要作用是防水、透声，避免侧扫声基阵振子13内部由于进水、短路而导致侧扫声基阵振子13的损坏。同时防水透声层12的特性阻抗需与水匹配，声衰减系数低，并且保证侧扫声基阵振子13与水介质之间具有良好的声能传递。

上述技术方案中，去耦层14采用玻璃微珠复合材料，最大可以耐15MPa的静水压力，与相邻两边介质(例如：压电陶瓷、匹配层、金属等)的特性阻抗失配，它的衰减系数较大，起到了隔声作用，插入损失很大，声波不会通过。这样保证了声波只能从上表面辐射到水介质中。

上述技术方案中，金属外壳15采用超硬铝材料，设计结构可以耐15MPa压力，金属外壳15表面采用阳极氧化处理来防止海水腐蚀。

上述技术方案中，发射电缆16为2芯发射电缆，接收电缆17为18芯接收电缆，采用橡胶硫化方式实现水密，上述结构均能耐15MPa的静水压力。

如附图1所示，所述的侧扫声基阵振子13由发射阵哑元1、发射线阵单元2、发射线阵之间去耦单元3、接收线阵单元4、接收线阵之间去耦单元5、接收阵哑元6和侧扫声基阵振子去耦单元7组成；并由一条发射阵哑元1、两条电并联的发射线阵单元2、两条发射线阵之间去耦单元3、八条独立工作的接收线阵单元4、九条接收线阵之间去耦单元5、一条接收阵哑元6依次相间排列；该侧扫声基阵振子13背面及周围灌注玻璃微珠复合材料，构成侧扫声基阵振子去耦单元7和去耦层14。

所述的发射线阵单元2和接收线阵单元4构成侧扫声基阵振子13的主体，发射阵哑元1和接收阵哑元6构成侧扫声基阵振子13的哑元结构，发射线阵之间去耦单元3、接收线阵之间去耦单元5和侧扫声基阵振子去耦单元7是侧扫声基阵振子13的去耦结构；其中发射阵哑元1和接收阵哑元6位于侧扫声基阵振子13的边缘处，发射线阵单元2与发射阵哑元1相邻，发射线阵之间去耦单元3位于发射线阵单元2与发射阵哑元1之间，接收线阵单元4与发射线阵单元2、接收阵哑元6相邻，接收线阵之间去耦单元5位于接收线阵单元4与接收阵哑元6之间。

上述技术方案中，发射阵哑元1在侧扫发射声基阵振子13的边缘处，不参与声发射工作，目的是为了保证发射声基阵指向性的一致性，结构如图2所示，由80个PZT4压电陶瓷颗粒作为驱动单元8和硅微粉复合材料作为发射匹配层9构成。

上述技术方案中，发射声基阵由两条发射线阵单元2电并联而成，发射线阵单元2为侧扫发射声线阵结构，与发射阵哑元1相邻，结构如图2所示，由80个PZT4压电陶瓷颗粒作为驱动单元8和硅微粉复合材料作为发射匹配层9构成。

上述技术方案中，发射线阵之间去耦单元3采用玻璃微珠复合材料，在发射线阵单元2与发射阵哑元1之间，与相邻两边介质(例如：驱动单元8、发射匹配层9等)的特性阻抗失配，它的衰减系数较大，起到了隔振作用。这样保证了声波只能从上表面辐射到水介质中。

上述技术方案中，接收声基阵由8条独立工作的接收线阵单元4组成，接收线阵单元4为侧扫接收声线阵结构，与发射线阵单元2和接收阵哑元6相邻，结构如图3所示，由80个PZT5压电陶瓷颗粒作为敏感单元10和硅微粉复合材料作为接收匹配层11构成。

上述技术方案中，接收线阵之间去耦单元5采用玻璃微珠复合材料，在接收线阵单元4与接收阵哑元6之间，与相邻两边介质(例如：敏感单元10、接收匹配层11等)的特性阻抗失配，它的衰减系数较大，起到了隔振作用。这样保证了声波只能从上表面辐射到水介质中。

上述技术方案中，接收阵哑元6在接收线阵单元4的边缘处，不参与声接收工作，可以保证接收声基阵指向性的一致性，结构如图3所示，由80个PZT5压电陶瓷颗粒作为敏感单元10和硅微粉复合材料作为接收匹配层11构成。

上述技术方案中，侧扫声基阵振子去耦单元7与金属外壳的特性阻抗失配，它的衰减系数较大，起到了隔声作用。这样保证了声波只能从上表面辐射到水介质中。如图1所示。

参见图2，为采用本发明实现的深海侧扫声呐基阵中的单个侧扫发射声线阵基元和单个发射哑元，其采用PZT4压电陶瓷作为驱动单元8，硅微粉复合材料作为发射匹配层9。本实施例中单个侧扫发射声线阵基元采用80个PZT-4压电陶瓷颗粒组成线阵上灌注匹配层，每颗陶瓷颗粒的长宽高尺寸为6.4mm×5.6mm×12.2mm，匹配层长宽高尺寸为580mm×5.6mm×5.6mm，单个侧扫发射声线阵基元的内部结构如图2所示。

参见图3，为采用本发明实现的深海侧扫声呐基阵中的单个侧扫接收声线阵基元和单个接收哑元，其采用PZT5压电陶瓷作为敏感单元10，硅微粉复合材料作为接收匹配层11。本实施例中单个侧扫接收声线阵基元采用80个PZT-5压电陶瓷颗粒组成线阵上灌注匹配层，每颗陶瓷颗粒的长宽高尺寸为5mm×4.5mm×16.0mm，匹配层长宽高尺寸为580mm×4.5mm×4.9mm，单个侧扫接收声线阵基元的内部结构如图3所示。

参见图4，为采用本发明实现的深海侧扫声纳基阵，其采用聚氨酯橡胶作为防水透声层、图1所示结构作为侧扫声基阵振子13、玻璃微珠复合材料作为去耦层14、表面采用阳极氧化处理的超硬铝作为金属外壳15、耐15MPa压力的2芯发射电缆和耐15MPa压力的18芯接收电缆。本实施例中利用120度橡胶硫化机分别硫化2芯发射电缆和18芯接收电缆，将侧扫声基阵振子13安装在金属外壳15内，并将侧扫发射接收声线阵基元导线分别与发射接收电缆对接，最后灌注聚氨酯防水透声层，侧扫声纳基阵的结构如图4所示。

图5为该实施例实测的发射基元航行维指向性曲线。从图中可以看出110kHz处-3dB波束宽度为1.2度。

图6为该实施例实测的发射单元发送电压响应曲线。从图中可以看出-3dB频带宽度从80kHz—150kHz，通带内发射电压响应最大值为170dB。

图7为该实施例实测的接收基元航行维指向性曲线。从图中可以看出110kHz处-3dB波束宽度为1.2度。

图8为该实施例实测的接收基元接收灵敏度曲线。从图中可以看出-3dB频带宽度从75kHz—135kHz，通带内接收灵敏度响应最大值为-175dB。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种深海侧扫声呐基阵，其特征在于：包括侧扫声基阵振子(13)、防水透声层(12)、去耦层(14)、金属外壳(15)、发射电缆(16)和接收电缆(17)，所述的侧扫声基阵振子(13)被包裹于去耦层(14)内，且侧扫声基阵振子(13)的上端灌注有防水透声层(12)，该组合成的装置外层包裹有一层金属外壳(15)；所述的发射电缆(16)和接收电缆(17)位于金属外壳(15)的侧面，贯穿于金属外壳(15)侧面且直至嵌入于去耦层(14)内；所述的侧扫声基阵振子(13)由发射阵哑元(1)、发射线阵单元(2)、发射线阵之间去耦单元(3)、接收线阵单元(4)、接收线阵之间去耦单元(5)、接收阵哑元(6)和侧扫声基阵振子去耦单元(7)组成；并由一条发射阵哑元(1)、两条电并联的发射线阵单元(2)、两条发射线阵之间去耦单元(3)、八条独立工作的接收线阵单元(4)、九条接收线阵之间去耦单元(5)、一条接收阵哑元(6)依次相间排列；该侧扫声基阵振子(13)背面及周围灌注玻璃微珠复合材料，构成侧扫声基阵振子去耦单元(7)和去耦层(14)。

2.根据权利要求1所述的深海侧扫声呐基阵，其特征在于：所述的发射线阵单元(2)和接收线阵单元(4)构成侧扫声基阵振子(13)的主体，发射阵哑元(1)和接收阵哑元(6)构成侧扫声基阵振子(13)的哑元结构，发射线阵之间去耦单元(3)、接收线阵之间去耦单元(5)和侧扫声基阵振子去耦单元(7)是侧扫声基阵振子(13)的去耦结构；其中发射阵哑元(1)和接收阵哑元(6)位于侧扫声基阵振子(13)的边缘处，发射线阵单元(2)与发射阵哑元(1)相邻，发射线阵之间去耦单元(3)位于发射线阵单元(2)与发射阵哑元(1)之间，接收线阵单元(4)与发射线阵单元(2)、接收阵哑元(6)相邻，接收线阵之间去耦单元(5)位于接收线阵单元(4)与接收阵哑元(6)之间。

3.根据权利要求1所述的深海侧扫声呐基阵，其特征在于：所述的发射阵哑元(1)和发射线阵单元(2)采用PZT4压电陶瓷作为驱动单元(8)，硅微粉复合材料作为发射匹配层(9)。

4.根据权利要求1所述的深海侧扫声呐基阵，其特征在于：所述的接收线阵单元(4)和接收阵哑元(6)采用PZT5压电陶瓷作为敏感单元(10)，硅微粉复合材料作为接收匹配层(11)。

5.一种制备如权利要求1所述的深海侧扫声呐基阵的方法，其特征在于：该制备方法包括如下步骤：

1)、将压电陶瓷颗粒布成线阵，然后在压电陶瓷颗粒阵的上方灌注硅微粉复合材料作为匹配层；

2)、在各单元之间和单元背后放置耐15MPa静水压的采用玻璃微珠复合材料的去耦层(14)；

3)、利用120度橡胶硫化机分别硫化发射电缆(16)和接收电缆(17)，将侧扫声基阵振子安装在金属外壳(15)内，并将侧扫发射接收声线阵基元导线分别与发射接收电缆对接，最后灌注聚氨酯防水透声层(12)。