CN108766412A - 一种耐压型水声圆柱换能器基阵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐压型水声圆柱换能器基阵，包括上盖壳体、圆柱部件和下盖壳体，所述上盖壳体和下盖壳体分别固定连接在所述圆柱部件的上下端；所述圆柱部件包括铝内筒、基阵架、橡胶外壁和若干换能器阵元，所述基阵架为环形圆柱体，所述基阵架上设置若干与所述换能器阵元适配的安装孔，若干所述换能器阵元分别设置在一所述安装孔内；所述基阵架密封设置在所述铝内筒与所述橡胶外壁之间。本技术方案将若干换能器阵元组成一个圆柱换能器基阵，此圆柱换能器基阵具有高耐压能力、水平波束内声压起伏较小的功效，解决了因现有的圆柱阵换能器因抗压能力差、水平波束指向性的起伏较大进而影响了圆柱型声纳的探测效果的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及水声换能器基阵，特别涉及一种耐压型水声圆柱换能器基阵。
背景技术
声呐探测是利用水中声波对水下目标进行探测，广泛用于鱼雷制导、水雷引信以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等。声呐由发射机、换能器、接收机、显示器、定时器、控制器等主要部件构成，发射机制造电信号经过换能器把电信号变成声音信号向水中发射，声信号在水中传递时如果遇到潜艇、水雷、鱼群等目标就会被反射回来，反射回来的声波被换能器接收，又变成电信号，经放大处理后在荧光屏上显示或在耳机中变成声音，根据信号往返时间可以确定目标的距离，根据声调的高低等情况可以判断目标的性质。
水下蛙人探测已成为安全保障的重要研究领域，是当前国内外小目标探测声呐发展的关键，对海边防、港口、大型舰船和海上石油钻井平台等重点水域安保和防御具有重要意义。在重要水域布放水生探测系统，将水声作为信息的载体，对入侵目标进行探测、定位和识别是目前对抗来自水下蛙人、运载器、水下机器人等威胁的最主要手段。目前，各国投入大量的力量研究对蛙人、水下机器人等小目标探测专用的声呐技术。
蛙人探测声呐是以小目标为探测对象的高分辨率图像声呐，工作频率越高，系统方位分辨率越高，对目标的描述就越细致，越有利于对小目标的探测和识别。
在现在各种水声探测手段中，圆柱阵换能器以其水平无指向性的显著优点广泛应用于目标探测、目标识别技术中。圆柱阵换能器基阵是圆柱型声纳的重要部件，但现有的圆柱阵换能器抗压能力差，且水平波束指向性的起伏较大，进而影响了圆柱型声纳应用范围及其探测效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐压型水声圆柱换能器基阵，以解决因现有的圆柱阵换能器因抗压能力差、水平波束指向性的起伏较大进而影响了圆柱型声纳应用范围及其探测效果的技术问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种耐压型水声圆柱换能器基阵，包括上盖壳体、圆柱部件和下盖壳体，所述上盖壳体和下盖壳体分别固定连接在所述圆柱部件的上下端；
所述圆柱部件包括铝内筒、基阵架、橡胶外壁和若干换能器阵元，所述基阵架为环形圆柱体，所述基阵架上设置若干与所述换能器阵元适配的安装孔，若干所述换能器阵元分别设置在一所述安装孔内；所述基阵架密封设置在所述铝内筒与所述橡胶外壁之间。
较佳地，所述铝内筒为环形圆柱体，所述环形圆柱体的外周设有可嵌入所述基阵架的腰槽。
较佳地，所述上盖壳体的中部设有电缆接头，若干所述换能器阵元的线路分别通过双绞屏蔽线连接至所述电缆接头。
较佳地，所述铝内筒的上端面和下端面分别通过螺纹紧固件与所述上盖壳体和下盖壳体紧固连接，并且，所述铝内筒的上端面和下端面分别与所述上盖壳体和下盖壳体之间通过环氧树脂材料填充。
较佳地，所述橡胶外壁设置在所述铝内筒的外周并将所述基阵架密封在所述腰槽内。
较佳地，所述基阵架是由若干扇形柱体组成的环形圆柱体，所述扇形柱体上开设若干安装孔，所述安装孔连通所述扇形柱体的内圆弧面和外圆弧面。
较佳地，所述基阵架为高耐压的聚氨酯泡沫基阵架。
较佳地，所述橡胶外壁为氯化丁基橡胶外壁。
较佳地，所述换能器阵元为复合棒换能器，所述复合棒换能器包括前盖板、压电陶瓷堆、后盖板和预应力螺杆，所述螺杆从后向前依次穿过所述后盖板、压电陶瓷堆并连接至所述前盖板内，所述前盖板为T型结构。
较佳地，所述橡胶外壁密封在所述换能器阵元的前盖板外侧。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
本发明提供一种耐压型水声圆柱换能器基阵，首先，将若干换能器阵元组成一个圆柱换能器基阵，此圆柱换能器基阵具有高耐压能力、水平波束内声压起伏较小的功效。与传统的圆柱阵换能器相比，此圆柱阵换能器具有制作工艺简单，一致性好，阻抗单峰性好，换能器阵元的耐压特性好，波束内起伏小的优点，且适合大批量制作。
其次，复合棒换能器阵元单独设计其前盖板，通过换能器阵元的前盖板进行支撑，从而实现换能器的去耦以及换能器的耐压问题。常规复合棒换能器采用锥形的前盖板，通过后盖板进行支撑换能器阵元。当换能器基阵处于一定压力条件下，换能器阵元的陶瓷将受到压力从而影响阵元，使阵元在不受压与受压下阻抗会有变化。然而本发明中，由于阵元受压后通过前盖板将压力传递到壳体上，无需通过压电陶瓷传递压力。因此，本发明的换能器阵元在受压与不受压条件下，阵元的阻抗特性不会发生改变，从根本上改进了换能器阵元的特性。
第三，圆柱阵换能器的稀疏布阵方式，有效的利用换能器阵元位置的排布，在不影响声性能的前提下，最大的降低阵元个数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1是本发明一种耐压型水声圆柱换能器基阵的结构示意图；
图2是本发明一种耐压型水声圆柱换能器基阵的稀疏布阵示意图；
图3是本发明复合棒换能器结构示意图；
图4是本发明一种耐压型水声圆柱换能器基阵中单个换能器阵元发送电压响应频响曲线；
图5是本发明一种耐压型水声圆柱换能器基阵水平指向性线性图；
图6是本发明一种耐压型水声圆柱换能器基阵垂直指向性线性图。
具体实施方式
以下将结合图1至图6对本发明提供的一种耐压型水声圆柱换能器基阵进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
请参考图1和图2，本发明提供一种耐压型水声圆柱换能器基阵，包括上盖壳体2、圆柱部件和下盖壳体7，所述上盖壳体2和下盖壳体7分别固定连接在所述圆柱部件的上下端；
所述圆柱部件包括铝内筒3、基阵架6、橡胶外壁4和若干换能器阵元5，所述基阵架6为环形圆柱体，所述基阵架6上设置若干与所述换能器阵元5适配的安装孔，若干所述换能器阵元5分别设置在一所述安装孔61内；所述基阵架6密封设置在所述铝内筒3与所述橡胶外壁4之间。
进一步的，所述铝内筒3为环形圆柱体，所述环形圆柱体的外周设有可嵌入所述基阵架6的腰槽。较佳地，基阵架6通过螺钉固定在铝内筒3的腰槽中，铝内筒3起到了支撑的作用。
在本实施例中，铝内筒3的上端面和下端面分别通过螺纹紧固件(如螺钉、螺栓等，本发明对此不做限制)与所述上盖壳体2和下盖壳体7紧固连接，并且，所述铝内筒3的上端面和下端面分别与所述上盖壳体2和下盖壳体7之间通过环氧树脂材料填充。
进一步的，所述上盖壳体2的中部设有电缆接头，若干所述换能器阵元5的线路分别通过双绞屏蔽线连接至所述电缆接头1。
进一步的，所述橡胶外壁4设置在所述铝内筒3的外周并将所述基阵架6密封在所述腰槽内。
进一步，所述基阵架6是由若干扇形柱体62组成的环形圆柱体，所述扇形柱体62上开设若干安装孔61，所述安装孔61连通所述扇形柱体62的内圆弧面和外圆弧面。在本实施例中，所述基阵架6为高耐压的聚氨酯泡沫基阵架6；
在图1中可以看出，上盖壳体2与下盖壳体7之间通过铝内桶连接而外部则通过橡胶外壁4连接成为一体，橡胶外壁4是由氯化丁基橡胶制成的，其具有良好的绝缘特性以及防水特性，可长时间处于水下。进一步的，可将氯化丁基橡胶进行硫化，通过将氯化丁基橡胶硫化置基阵架6的外表面，实现了换能器阵元5与水介质的良好过度，即实现透声性能以及防水绝缘特性。
在本实施例中，所述换能器基阵的辐射面(即橡胶外壁)为氯化丁基橡胶。本实施例通过特定的工装夹具制作换能器阵元5，使得圆柱换能器基阵中的各个换能器阵元5具有较高的一致性，将换能器阵元5安装在具有高强度聚氨酯泡沫材料基阵架6中，通过机械加工的方式，在基阵架6中开孔，确定换能器阵元5的安装位置，同时将聚氨酯泡沫材料圆周方向划分为多块，这样不经有利于加工，通过可以通过定位孔控制聚氨酯泡沫材料的定位精度，从而将圆柱阵划分成多个长条的圆弧阵，从而大大降低了制作成本和周期。基阵架6的耐压强度大于6Mpa，同时基阵架6起到了隔振去耦的作用。
换能器阵元5的布阵采用稀疏的圆周布阵方式，即可以节约换能器阵元5的个数，同时不影响圆柱换能器基阵的声学波束的水平指向性与垂直指向性。请参考图2，通过换能器阵元5的稀疏排列在远场中可以等效为换能器的密排效果，在一定程度上降低了换能器阵元5的个数有利于换能器基阵的简化及安装。
请参考图3，本实施例中的换能器阵元5优选复合棒换能器，所述复合棒换能器包括前盖板51、压电陶瓷堆52、后盖板54和预应力螺杆53，所述螺杆53从后向前依次穿过所述后盖板54、压电陶瓷堆52并连接至所述前盖板51内，橡胶外壁4密封在所述换能器阵元5的前盖板51外侧，换能器阵元5采用T型前盖板51的耐压结构形式，通过前盖板51作为支撑结构，可以有效的保护压电陶瓷在压力条件下阻抗特性的一致性。
优选的，前盖板51一般选取的是质量较轻的铝材料作为前盖板51，后盖板54一般选取的黄铜或者不锈钢材料。这样结构的换能器阵元由于其前后质量比较大，从而可以获取更高的振速比，实现换能器阵元较高的电声转换效率。其中前盖板51设计为T型结构，实现了前盖板51直接支撑于高强度聚氨酯泡沫材料上，从而实现了在不同压力条件下换能器阵元的阻抗特性不变的优点，进而改善换能器基阵的耐压特性。
换能器的测量是按照GB/T7965-2002《声学水声换能器测量》在消声水池内进行的，测试内容包括换能器的阻抗、发送电压响应、指向性等。测量结果显示换能器基阵谐振频率25kHz，发射电压响应如表1和图4所示。
表1发射电压响应的数值列表
| f(kHz) | Sv(dB) | f(kHz) | Sv(dB) | f(kHz) | Sv(dB) |
| 20.00 | 140.2 | 24.00 | 149.3 | 28.00 | 152.1 |
| 21.00 | 142.9 | 25.00 | 150.8 | 29.00 | 151.6 |
| 22.00 | 145.7 | 26.00 | 151.6 | 30.00 | 151.2 |
| 23.00 | 147.7 | 27.00 | 152.1 |
换能器阵元的发送电压响应大于149dB，换能器基阵水平指向性起伏低于2dB(如图5所示)，换能器基阵垂直开角为11.5°(如图6所示)。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。
Claims (10)
1.一种耐压型水声圆柱换能器基阵，其特征在于，包括上盖壳体、圆柱部件和下盖壳体，所述上盖壳体和下盖壳体分别固定连接在所述圆柱部件的上下端；
所述圆柱部件包括铝内筒、基阵架、橡胶外壁和若干换能器阵元，所述基阵架为环形圆柱体，所述基阵架上设置若干与所述换能器阵元适配的安装孔，若干所述换能器阵元分别设置在一所述安装孔内；所述基阵架密封设置在所述铝内筒与所述橡胶外壁之间。
2.如权利要求1所述的一种耐压型水声圆柱换能器基阵，其特征在于，所述铝内筒为环形圆柱体，所述环形圆柱体的外周设有可嵌入所述基阵架的腰槽。
3.如权利要求1或2所述的一种耐压型水声圆柱换能器基阵，其特征在于，所述上盖壳体的中部设有电缆接头，若干所述换能器阵元的线路分别通过双绞屏蔽线连接至所述电缆接头。
4.如权利要求2所述的一种耐压型水声圆柱换能器基阵，其特征在于，所述铝内筒的上端面和下端面分别通过螺纹紧固件与所述上盖壳体和下盖壳体紧固连接，并且，所述铝内筒的上端面和下端面分别与所述上盖壳体和下盖壳体之间通过环氧树脂材料填充。
5.如权利要求2所述的一种耐压型水声圆柱换能器基阵，其特征在于，所述橡胶外壁设置在所述铝内筒的外周并将所述基阵架密封在所述腰槽内。
6.如权利要求1或2所述的一种耐压型水声圆柱换能器基阵，其特征在于，所述基阵架是由若干扇形柱体组成的环形圆柱体，所述扇形柱体上开设若干安装孔，所述安装孔连通所述扇形柱体的内圆弧面和外圆弧面。
7.如权利要求1所述的一种耐压型水声圆柱换能器基阵，其特征在于，所述基阵架为高耐压的聚氨酯泡沫基阵架。
8.如权利要求1所述的一种耐压型水声圆柱换能器基阵，其特征在于，所述橡胶外壁为氯化丁基橡胶外壁。
9.如权利要求1所述的一种耐压型水声圆柱换能器基阵，其特征在于，所述换能器阵元为复合棒换能器，所述复合棒换能器包括前盖板、压电陶瓷堆、后盖板和预应力螺杆，所述螺杆从后向前依次穿过所述后盖板、压电陶瓷堆并连接至所述前盖板内，所述前盖板为T型结构。
10.如权利要求9所述的一种耐压型水声圆柱换能器基阵，其特征在于，所述橡胶外壁密封在所述换能器阵元的前盖板外侧。
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