CN109633614B - 一种低后辐射高频换能器线阵 - Google Patents

Abstract

一种低后辐射高频换能器线阵，属于水声换能器技术领域。本发明其结构包括压电陶瓷条、背衬、硬质聚氨酯泡沫、聚氨酯橡胶，压电陶瓷条为高度方向极化，沿长度方向布阵，压电陶瓷条的背衬为混合高分子聚合物，混合高分子聚合物由环氧树脂和去耦颗粒物按一定比例组合形成，压电陶瓷条的辐射面高出背衬，背衬的背面粘接有锯齿状的硬质聚氨酯泡沫，低后辐射高频换能器线阵整体采用聚氨酯橡胶包覆。本发明可以降低高频换能器线阵的后辐射；可以增加高频换能器线阵的垂直指向性开角；可以增大高频换能器线阵的水下工作深度极限；结构简单、装配方便、简洁，易于制作。

Description

一种低后辐射高频换能器线阵

技术领域

本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种低后辐射高频换能器线阵。

背景技术

声波是水媒质中唯一能够远距离传输的能量形式，到目前为止，水声技术水下信息发送和获取的唯一有效手段。水声换能器作为水声装备与水中声场信息交互的“窗口”，是水声装备信息发送和信息感知的关键部件。水声换能器是声纳系统的核心部件，实现声纳电信号与水中声信号的单向或双向能量转换，对声纳性能起着决定性的作用。

高频换能器线阵是声纳系统中常用的一类换能器，电声转换元件为做厚度振动模式的压电陶瓷条，具有结构简单、水平指向性开角小的特点，其工作频率通常在一百kHz至几百kHz。高频换能器线阵广泛应用于多波束测深系统、多波束侧扫系统等领域。

高频换能器线阵的水平指向性开角是非常小的，应用在侧扫声纳系统中时，其开角甚至小于1°，较小的角度可以让侧扫声纳系统获得较高的目标分辨率。而垂直指向性的开角一般较大，可以让侧扫声纳系统获得较大的观察范围。一般而言，声纳系统的观察范围是由换能器阵的指向性开角决定。由于侧扫声纳通常都是直线形的，其横向尺寸是远远小于长度方向尺寸的，因此要求换能器阵的横向指向性开角旁瓣级要低，并且还要求换能器阵的后辐射要小，这样可以减少声波绕射，降低系统噪声，提高图像质量。

为了减少高频换能器线阵后辐射，有很多的学者在换能器阵的内部结构设计上进行了很多的研究，得出了一些有益的结果，如背衬采用隔声去耦的材料制作，但是隔声去耦材料一般不能承受较大的静压，从而限制了换能器阵的耐静水压能力，进而使得侧扫声纳不能在较深的海域工作。因此发明一种既能承受较高的耐静水压能力，又有非常低的后辐射换能器阵显得非常重要。

对于一种降低高频换能器阵后辐射的实现方法，目前没有发现与本发明相同类技术存在，也没有发现有同类方法在文件与文献中存在。

发明内容

为了降低高频换能器线阵后辐射，提高高频换能器线阵的耐静水压能力，增加侧扫声纳系统的工作水深，本发明提供了一种低后辐射高频换能器线阵。

本发明的目的是这样实现的：

一种低后辐射高频换能器线阵，其结构包括压电陶瓷条1、背衬2、硬质聚氨酯泡沫3、聚氨酯橡胶4，所述的压电陶瓷条1的背衬2为混合高分子聚合物，混合高分子聚合物由环氧树脂和去耦颗粒物形成，压电陶瓷条1的辐射面高出背衬2，背衬2的背面粘接有锯齿状的硬质聚氨酯泡沫3，低后辐射高频换能器线阵整体采用聚氨酯橡胶4包覆。

本发明还可以包括：

所述的压电陶瓷条1与背衬2的高度差为工作频率对应波长的四分之一。

所述的背衬2由环氧树脂和玻璃微珠按重量比例为1：0.05组合而成，。

所述硬质聚氨酯泡沫3的锯齿高度为工作频率对应波长的2倍至3倍。

所述的压电陶瓷条1为高度方向极化，沿长度方向布阵。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种低后辐射高频换能器线阵，克服了高频换能器线阵后辐射过高的问题；本发明采用有良好隔振去耦性能的锯齿状耐压硬质聚氨酯泡沫，锯齿状的结构可有效吸收压电陶瓷条背面辐射出的声能，根据高频换能器线阵的工作频率对应的波长设计锯齿形状的结构，使得声波在锯齿形状的吸声结构中被最大限度吸收，减少向外辐射的能力；本发明采用压电陶瓷条高出背衬一定高度的方式增加高频换能器线阵的垂直指向性开角，这是因为本发明采用的背衬是良好的声反射物；本发明换能器阵内部无空腔结构，所采用的的材料均具备较强的抗压能力，因此低后辐射高频换能器线阵的抗静压能力也较强；本发明制作方法简单、容易实现、效果明显。本发明相比现有技术的优点在于：可以降低高频换能器线阵的后辐射；可以增加高频换能器线阵的垂直指向性开角；可以增大高频换能器线阵的水下工作深度极限；结构简单、装配方便、简洁，易于制作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为常规的高频换能器线阵后辐射的400kHz垂直指向图。

图3为本发明实施例的高频换能器线阵的400kHz垂直指向性图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

一种低后辐射高频换能器线阵，其结构包括压电陶瓷条1、背衬2、硬质聚氨酯泡沫3、聚氨酯橡胶4，压电陶瓷条1为高度方向极化，沿长度方向布阵，压电陶瓷条1的背衬2为混合高分子聚合物，混合高分子聚合物由环氧树脂和去耦颗粒物按一定比例组合形成，压电陶瓷条1的辐射面高出背衬2，背衬2的背面粘接有锯齿状的硬质聚氨酯泡沫3，低后辐射高频换能器线阵整体采用聚氨酯橡胶4包覆。

所述的压电陶瓷条1与背衬2的高度差为工作频率对应波长的四分之一。

所述的背衬2由环氧树脂和玻璃微珠按一定比例组合而成，重量比例为1：0.05。

所述硬质聚氨酯泡沫3的锯齿高度为工作频率对应波长的2倍-3倍。

根据声纳系统需要的工作频率和垂直方向性开角，选定长条形压电陶瓷的材料和尺寸，然后向厂家购买压电陶瓷。设计、加工制作固定压电陶瓷条的模具，在压电陶瓷条上引出正负极信号线，然后在模具里浇筑环氧树脂和玻璃微珠的混合高分子聚合物。在混合高分子聚合物未固化之前，将锯齿状的硬质聚氨酯泡沫粘接在混合高分子聚合物面上，有锯齿一面朝向高频换能器线阵辐射面。将压电陶瓷条上引出的信号线焊接到电缆线上，作为高频换能器线阵的输出线。

将高频换能器线阵的电缆头密封硫化，硫化材料为橡胶。换能器阵内部结构配合之间的缝隙全部用环氧树脂胶水进行填充。换能器装配完之后进行聚氨酯整体包覆，水密封装。在水池中测试换能器阵的400kHz垂直指向性性能。同时作为对比还测试了未进行降低高频换能器线阵后辐射的结构设计的垂直指向图。对比图2和图3的指向图数据，可以发现经过后辐射结果设计后指向图在后辐射声能明显降低，降低到-30dB以下,效果明显。同时，指向性图中的旁瓣级明显降低，指向性开角增加。

实施例2

本发明涉及水声换能器技术领域，具体涉及一种低后辐射高频换能器线阵。

声波是水媒质中唯一能够远距离传输的能量形式，到目前为止，水声技术水下信息发送和获取的唯一有效手段。水声换能器作为水声装备与水中声场信息交互的“窗口”，是水声装备信息发送和信息感知的关键部件。水声换能器是声纳系统的核心部件，实现声纳电信号与水中声信号的单向或双向能量转换，对声纳性能起着决定性的作用。

高频换能器线阵是声纳系统中常用的一类换能器，电声转换元件为做厚度振动模式的压电陶瓷条，具有结构简单、水平指向性开角小的特点，其工作频率通常在一百kHz至几百kHz。高频换能器线阵广泛应用于多波束测深系统、多波束侧扫系统等领域。

高频换能器线阵的水平指向性开角是非常小的，应用在侧扫声纳系统中时，其开角甚至小于1°，较小的角度可以让侧扫声纳系统获得较高的目标分辨率。而垂直指向性的开角一般较大，可以让侧扫声纳系统获得较大的观察范围。一般而言，声纳系统的观察范围是由换能器阵的指向性开角决定。由于侧扫声纳通常都是直线形的，其横向尺寸是远远小于长度方向尺寸的，因此要求换能器阵的横向指向性开角旁瓣级要低，并且还要求换能器阵的后辐射要小，这样可以减少声波绕射，降低系统噪声，提高图像质量。

为了减少高频换能器线阵后辐射，有很多的学者在换能器阵的内部结构设计上进行了很多的研究，得出了一些有益的结果，如背衬采用隔声去耦的材料制作，但是隔声去耦材料一般不能承受较大的静压，从而限制了换能器阵的耐静水压能力，进而使得侧扫声纳不能在较深的海域工作。因此发明一种既能承受较高的耐静水压能力，又有非常低的后辐射换能器阵显得非常重要。

对于一种降低高频换能器阵后辐射的实现方法，目前没有发现与本发明相同类技术存在，也没有发现有同类方法在文件与文献中存在。

为了降低高频换能器线阵后辐射，以及提高高频换能器线阵的耐静水压能力，增加侧扫声纳系统的工作水深，通过在高频换能器线阵内部设置特殊的结构来满足。本发明的目的在于提供一种低后辐射高频换能器线阵，利用本发明的方法可降低高频换能器线阵后辐射和提高耐静水性能，方法简单、容易制作、效果明显。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：压电陶瓷条为高度方向极化，沿长度方向布阵；压电陶瓷条的背衬采用环氧树脂和去耦颗粒物按一定比列组合形成的混合高分子聚合物；压电陶瓷条的背面和大部分侧面被混合高分子聚合物包覆；压电陶瓷条的辐射面高出背衬一定高度；背衬的背面粘接有锯齿状的硬质聚氨酯泡沫；高频换能器线阵整体采用具有良好透声和水密性能的聚氨酯橡胶包覆。

作为优选，压电陶瓷条与背衬的高度差与高频换能器线阵的工作频率有关，一般为工作频率对应波长的四分之一。

作为优选，背衬一般由环氧树脂和玻璃微珠按一定比例组合而成，一般重量比例为1：0.2。

作为优选，锯齿状的硬质聚氨酯泡沫锯齿的高度与高频换能器线阵的工作频率有关，一般为工作频率对应波长的2-3倍。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明克服了高频换能器线阵后辐射过高的问题。本发明采用有良好隔振去耦性能的锯齿状耐压硬质聚氨酯泡沫，

锯齿状的结构可有效吸收压电陶瓷条背面辐射出的声能，根据高频换能器线阵的工作频率对应的波长设计锯齿形状的结构，使得声波在锯齿形状的吸声结构中被最大限度吸收，减少向外辐射的能力。本发明采用压电陶瓷条高出背衬一定高度的方式增加高频换能器线阵的垂直指向性开角，这是因为本发明采用的背衬是良好的声反射物。本发明换能器阵内部无空腔结构，所采用的的材料均具备较强的抗压能力，因此低后辐射高频换能器线阵的抗静压能力也较强。本发明制作方法简单、容易实现、效果明显。本发明相比现有技术的优点在于：(1)可以降低高频换能器线阵的后辐射；(2)可以增加高频换能器线阵的垂直指向性开角；(3)可以增大高频换能器线阵的水下工作深度极限；(4)结构简单、装配方便、简洁，易于制作。

下面结合附图说明本发明的优选实施例。

图1是本发明实施例的一种低后辐射高频换能器线阵结构设计示意图；如图1的实施例所示，该装置包括：长条形压电陶瓷(1)沿长度方向布阵；长条形压电陶瓷(1)的后背衬采用在环氧树脂中添加去耦颗粒物的组合高分子聚合物(2)，长条形压电陶瓷(1)的背面和大部分侧面被组合高分子聚合物(2)包覆；长条形压电陶瓷(1)的辐射面高出组合高分子聚合物(2)一定高度；组合高分子聚合物(2)的背面粘接有锯齿状的硬质聚氨酯泡沫(3)；高频换能器的整体采用具有良好透声和水密性能的聚氨酯橡胶(4)包覆。

根据声纳系统需要的工作频率和垂直方向性开角，选定长条形压电陶瓷的材料和尺寸，然后向厂家购买压电陶瓷。设计、加工制作固定压电陶瓷条的模具，在压电陶瓷条上引出正负极信号线，然后在模具里浇筑环氧树脂和玻璃微珠的混合高分子聚合物。在混合高分子聚合物未固化之前，将锯齿状的硬质聚氨酯泡沫粘接在混合高分子聚合物面上，有锯齿一面朝向高频换能器线阵辐射面。将压电陶瓷条上引出的信号线焊接到电缆线上，作为高频换能器线阵的输出线。

将高频换能器线阵的电缆头密封硫化，硫化材料为橡胶。换能器阵内部结构配合之间的缝隙全部用环氧树脂胶水进行填充。换能器装配完之后进行聚氨酯整体包覆，水密封装。在水池中测试换能器阵的400kHz垂直指向性性能。同时作为对比还测试了未进行降低高频换能器线阵后辐射的结构设计的垂直指向图。对比图2和图3的指向图数据，可以发现经过后辐射结果设计后指向图在后辐射声能明显降低，降低到-30dB以下,效果明显。同时，指向性图中的旁瓣级明显降低，指向性开角增加。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种低后辐射高频换能器线阵，其结构包括压电陶瓷条(1)、背衬(2)、硬质聚氨酯泡沫(3)、聚氨酯橡胶(4)，其特征在于：所述的压电陶瓷条(1)的背衬(2)为混合高分子聚合物，混合高分子聚合物由环氧树脂和去耦颗粒物形成，压电陶瓷条(1)的辐射面高出背衬(2)，背衬(2)的背面粘接有锯齿状的硬质聚氨酯泡沫(3)，低后辐射高频换能器线阵整体采用聚氨酯橡胶(4)包覆；所述的压电陶瓷条(1)与背衬(2)的高度差为工作频率对应波长的四分之一。

2.根据权利要求1所述的一种低后辐射高频换能器线阵，其特征在于：所述的背衬(2)由环氧树脂和玻璃微珠按重量比例为1：0.05组合而成。

3.根据权利要求1所述的一种低后辐射高频换能器线阵，其特征在于：所述硬质聚氨酯泡沫(3)的锯齿高度为工作频率对应波长的2倍至3倍。

4.根据权利要求1所述的一种低后辐射高频换能器线阵，其特征在于：所述的压电陶瓷条(1)为高度方向极化，沿长度方向布阵。