CN108333574A - 一种特殊空间覆盖的水声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种特殊空间覆盖的水声换能器，采用换能器一体化组合设计，可在三维方向形成不同形式的波束覆盖，即在顶端或尾端实现圆锥形波束，在水平方向形成特定波束宽度的8字形覆盖。各组件进行外形匹配设计，组装在同一套水密壳体中；换能器之间的电气连接在水密壳体内部进行，整体通过一个水密接插件引出，有效减少了外部电缆数量；通过中心轴实现各组件间的机械承力，有效减少了声基阵的尺寸和重量，提高了适装性；在整个换能器阵的上下端布设有反声障板，以实现声隔离。与传统的多换能器独立封装，再通过基阵架承力组装，通过电缆及接线盒转接的方案相比，其适装性和可靠性均大大提升。

Description

一种特殊空间覆盖的水声换能器
技术领域
本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种特殊空间覆盖的水声换能器。
背景技术
海洋探测、通信系统中，对于中低频段(10kHz附近)具有广泛的需求，因其在探测距离和探测精度方面达到了一定的平衡。根据换能器类型不同，其声波能量空间覆盖形状差别较大，如纵振式换能器一般为圆锥形波束，圆柱型换能器一般为垂直方向8字形波束等。
实际应用中根据总体需求，往往在三维空间有不同的指向性覆盖需求，单一类型的换能器难以满足，传统的解决方案是需要多个不同类型的换能器分别实现。多台水声换能器安装在同一平台，一方面增加了湿端与干端电子仓之间连接电缆的数量，相对降低了系统可靠性；另一反面相互之间存在声干扰，要求尽量采取适当的声隔离措施；而且多个独立封装的换能器及固定装置也大大增加了整个水下声基阵的体积和重量。迫切需要一种可根据实际需要形成特定方向空间覆盖的组合式换能器设计方法。
传统方式为满足三维方向不同形式的波束覆盖，多采用数个独立封装的换能器组阵设计。以某型通信系统所需求的指标为例，该型设备需要1#换能器具有水平方向8字形指向性(圆周无指向性、垂直方向波束宽度约±30°)覆盖，2#换能器具有竖直向下圆锥形指向性(波束宽度开角约70°)，两种换能器之间、以及声基阵与上方母船之间相互声隔离达-14dB以上，工作频段覆盖7.5kHz～15kHz。为满足该要求，常规设计中两者由相互独立的换能器(阵)实现，一般需制作基阵架实现两种换能器的挂载，且在两者之间安装反声障板，其中1#换能器因垂直指向性要求，需4只换能器间隔1/4波长布阵设计，每只独立封装后再经过接线盒转接输出，共需实现两种共5只换能器的电缆转接，整个系统组成复杂，体积重量大，电缆转接多，如附图2所示，主要包括圆环换能器、纵弯换能器、上障板11、下障板12和支撑杆13。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种特殊空间覆盖的水声换能器，满足特定三维空间覆盖要求的水声换能器。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种特殊空间覆盖的水声换能器，主要包括密封筒和水密外壳，由密封筒、中心轴及端盖构成承力结构，整个换能器自下而上分别排布有纵弯换能器和多个圆环换能器，其中纵弯换能器与圆环换能器隔离，纵弯换能器的辐射面外侧设有硫化水密层，纵弯换能器与圆环换能器的引出导线均通过最上端的水密插件引出；在三维方向形成不同形式的波束覆盖，即在顶端或尾端实现圆锥形波束，在水平方向形成特定波束宽度的8字形覆盖。
在圆环换能器与水密外壳之间充有硅油以实现透声及深水工作，圆环换能器之间的间距根据波束宽度的需求设定。
在圆环换能器上设有支撑垫圈A和支撑垫圈B。
本发明的有益效果为：公开了一体化设计的，具有中低频、宽带性能的组合换能器(阵)，解决传统方法带来的体积大、线缆多、重量重等问题。根据实际需要可形成在三维方向不同的波束覆盖，如在顶端或尾端实现圆锥形波束，在水平方向形成一定波束宽度的8字形覆盖。
附图说明
图1是本发明换能器结构组成；
图2是传统解决方案示意图；
图3是1#换能器垂直指向性及水平指向性；
图4是2#换能器指向性。
附图标记说明：纵弯换能器1，圆环换能器2，支撑垫圈A3，支撑垫圈B4，硫化水密层5，水密外壳6，水密插件7，密封筒8，中心轴9，端盖10，上障板11，下障板12，支撑杆13。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
如图所示，这种特殊空间覆盖的水声换能器，主要包括密封筒8和水密外壳6，由密封筒8、中心轴9及端盖10构成承力结构，整个换能器自下而上分别排布有1只纵弯换能器1(由前后盖板、陶瓷元件、预应力螺杆等组成)和4只圆环换能器2，其中纵弯换能器1与圆环换能器2隔离，在圆环换能器2上设有支撑垫圈A3和支撑垫圈B4。纵弯换能器1的辐射面外侧外侧进行硫化橡胶水密形成硫化水密层5，在圆环换能器2与水密外壳6之间充有硅油以实现透声及深水工作，圆环换能器2之间的间距根据波束宽度的需求设定。纵弯换能器1与圆环换能器2的引出导线均通过最上端的6芯水密插件7引出；在三维方向形成不同形式的波束覆盖，即在顶端或尾端实现圆锥形波束，在水平方向形成特定波束宽度的8字形覆盖，在整个换能器阵的上下端布设有反声障板，以实现声隔离。
本发明采用了换能器一体化组合设计的思路，可在三维方向形成不同形式的波束覆盖，即在顶端或尾端实现圆锥形波束，在水平方向形成特定波束宽度的8字形覆盖；各组件采用共水密壳体一体化组合设计，整体通过一个水密接插件引出。圆锥形波束由纵振换能器实现，水平方向8字形波束由数个圆环换能器实现，根据指标需求确定换能器的类型和数量，并进行换能器外形匹配设计，以便可组装在同一套水密壳体中；换能器之间的电气连接在水密壳体内部进行，整体通过一个水密接插件引出，有效减少了外部电缆数量；通过中心轴实现各组件间的机械承力，有效减少了声基阵的尺寸和重量，提高了适装性；在整个换能器阵的上下端布设有反声障板，以实现声隔离。
而采用本发明所提出的一体化组合设计方法，各组件共水密外壳设计，承力件及电缆走线均在内部完成，尺寸较传统设计减少近一倍，重量也大大减轻，整个换能器阵仅有一根电缆引出，极大地提升了产品的适装性和可靠性。具体实现指标如下：
1#换能器：
工作频率：7.5kHz～12.5kHz；
发射声源级：185dB；
接收灵敏度：-185dB；
波束宽度(水平)：全向；
波束宽度(垂直(-3dB))：30°±10°；
上下方向灵敏度抑制：≤-14dB(与最大点相比)；
2#换能器：
工作频率：7.5kHz～12.5kHz；
发射声源级：193dB；
接收灵敏度：-185dB；
波束宽度(-3dB)：70°±10°；
背向灵敏度：≤-14dB(与最大点相比)；
实测1#换能器垂直指向性及水平指向性见附图3，2#换能器指向性见附图4。
具体实现过程：
1、根据技术指标进行分解，确定换能器类型。1#换能器的指向性要求为典型的圆柱阵特征，按照波长计算公式可确定4只圆环的布阵间距，根据所需的中心频率确定圆环的尺寸、陶瓷条个数，可使用有限元软件ANSYS对充油圆环的尺寸开展优化设计，确保圆环的径向谐振和液腔谐振耦合，从而获得较平坦的发送电压响应和接收灵敏度，使换能器可以宽频带工作。
2、根据技术指标进行分解，确定换能器类型。2#换能器的指向性要求为典型的纵向换能器特征，根据实际需求的工作频段、阻抗、响应等要求，可使用有限元软件ANSYS对换能器各结构件的尺寸开展优化设计，确定前盖板、陶瓷晶堆和后盖板的具体尺寸，确保换能器的纵振峰和前盖板弯曲振动峰可以相耦合，从而获得较平坦的发送电压响应和接收灵敏度，使换能器可以宽频带工作。
3、根据设计好的换能器尺寸，以及具体耐静水压的要求，计算圆柱型耐压外壳的直径、壁厚等参数，并结合总重量等参数设计中间承力轴，水密外壳分为3段式设计，最下方圆柱筒封装纵弯换能器，中间圆柱薄壳内封装圆环换能器，最上方空腔负责导线引出并转接水密接插件。
4、首先完成单个换能器的组装，安装时首先将纵弯换能器封装入耐压外壳并在辐射面硫化橡胶层以提高水密性能，导线通过承力轴中间圆孔引出；然后将4只圆环换能器自下而上安装固定在承力轴上，相互之间通过去耦垫圈隔离、定位，导线通过端盖引出；随后安装O型密封圈并固定水密外壳，内部进行充油处理；最后在上方完成换能器导线与水密接插件的连接，并固定端盖。
5、最终在整个圆柱体的上下端面安装反声障板，实现声隔离。
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 (3)

1.一种特殊空间覆盖的水声换能器，其特征在于：主要包括密封筒(8)和水密外壳(6)，由密封筒(8)、中心轴(9)及端盖(10)构成承力结构，整个换能器自下而上分别排布有纵弯换能器(1)和多个圆环换能器(2)，其中纵弯换能器(1)与圆环换能器(2)隔离，纵弯换能器(1)的辐射面外侧设有硫化水密层(5)，纵弯换能器(1)与圆环换能器(2)的引出导线均通过最上端的水密插件(7)引出；在三维方向形成不同形式的波束覆盖，即在顶端或尾端实现圆锥形波束，在水平方向形成特定波束宽度的8字形覆盖。
2.根据权利要求1所述的特殊空间覆盖的水声换能器，其特征在于：在圆环换能器(2)与水密外壳(6)之间充有硅油以实现透声及深水工作，圆环换能器(2)之间的间距根据波束宽度的需求设定。
3.根据权利要求1所述的特殊空间覆盖的水声换能器，其特征在于：在圆环换能器(2)上设有支撑垫圈A(3)和支撑垫圈B(4)。
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