CN110733620A - 水下超音波装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下超音波装置，包含：弧形超音波换能器；以及多个直线形超音波换能器，相对该弧形超音波换能器设置，该多个直线形超音波换能器之间夹第一角度具有夹角，该弧形超音波换能器与该多个直线形超音波换能器的其中之一用以发射多个超音波讯号，该弧形超音波换能器与该多个直线形超音波换能器的其中另一用以接收该多个超音波讯号的多个反射讯号。本发明的水下超音波装置能够有效扩大量测范围，避免量测死角，提高量测结果的准确性。

Description

水下超音波装置

技术领域

本发明涉及超音波领域，尤其是涉及一种水下超音波装置。

背景技术

由于超音波具有不破坏材料结构以及不伤害生物体的特性，因而普遍地被应用于水下量测。现有用于广角量测范围(即，测量的角度范围较大)的水下超音波装置由多个超音波换能器组成，且每一个超音波换能器皆是独立发射与接收超音波。换言之，现有水下超音波装置以多个超音波换能器的量测范围组成广角量测范围。然而，当多个超音波换能器拼接在一起时，多个超音波换能器之间将产生大量的量测死角，使得量测结果的准确性受到影响。

发明内容

鉴于现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种水下超音波装置，能够有效扩大量测范围，避免量测死角，提高量测结果的准确性。

为了达到上述目的，本发明提出一种水下超音波装置，包含：弧形超音波换能器；以及多个直线形超音波换能器，相对该弧形超音波换能器设置，该多个直线形超音波换能器之间具有夹角，该弧形超音波换能器与该多个直线形超音波换能器的其中之一用以发射多个超音波讯号，该弧形超音波换能器与该多个直线形超音波换能器的其中另一用以接收该多个超音波讯号的多个反射讯号。

作为可选的方案，该多个直线形超音波换能器中的每一个直线形超音波换能器具有超音波涵盖角度。

作为可选的方案，该多个直线形超音波换能器依次头尾连接地设置于该弧形超音波换能器的同一侧。

作为可选的方案，该多个直线形超音波换能器沿该弧形超音波换能器的弧边依次头尾连接。

作为可选的方案，该多个直线形超音波换能器相互堆叠地设置于该弧形超音波换能器的同一侧。

作为可选的方案，该多个直线形超音波换能器设置于该弧形超音波换能器的相互背对的两侧。

作为可选的方案，该多个直线形超音波换能器包含：第一直线形超音波换能器；第二直线形超音波换能器，与该第一直线形超音波换能器相互堆叠地设置于该弧形超音波换能器的第一侧；第三直线形超音波换能器；以及第四直线形超音波换能器，与该第三直线形超音波换能器相互堆叠地设置于该弧形超音波换能器的第二侧，该第二侧与该第一侧相互背对。

作为可选的方案，该第一直线形超音波换能器与该第二直线形超音波换能器之间夹第一角度，且该第三直线形超音波换能器与该第四直线形超音波换能器之间夹该第一角度，该第一角度与该超音波涵盖角度为倍数关系。

作为可选的方案，该第一直线形超音波换能器与该第三直线形超音波换能器之间夹第二角度，该第一角度与该第二角度为倍数关系。

作为可选的方案，该第二直线形超音波换能器与该第一直线形超音波换能器相互堆叠成X字形，且该第四直线形超音波换能器与该第三直线形超音波换能器相互堆叠成X字形。

作为可选的方案，该弧形超音波换能器包含多个换能器层，且该多个换能器层沿短轴方向相互并排。

本发明还提供一种水下超音波装置，包含：超音波换能器，用以发射多个超音波讯号；第一直线形超音波换能器；以及第二直线形超音波换能器，与该第一直线形超音波换能器之间夹第一角度，该第二直线形超音波换能器与该第一直线形超音波换能器均设置于该超音波换能器的第一侧，该第一直线形超音波换能器与该第二直线形超音波换能器分别用以接收部分该多个超音波讯号的多个反射讯号。

作为可选的方案，该第一直线形超音波换能器与该第二直线形超音波换能器依次头尾连接地设置于该超音波换能器的同一侧。

作为可选的方案，该水下超音波装置还包含：第三直线形超音波换能器；以及第四直线形超音波换能器，该第一直线形超音波换能器、该第二直线形超音波换能器、该第三直线形超音波换能器与该第四直线形超音波换能器依次头尾连接地设置于该超音波换能器的同一侧，该第一直线形超音波换能器、该第二直线形超音波换能器、该第三直线形超音波换能器与该第四直线形超音波换能器的接收范围包含该多个超音波讯号的多个反射讯号的范围。

作为可选的方案，该第一直线形超音波换能器与该第二直线形超音波换能器相互堆叠，该水下超音波装置还包含：第三直线形超音波换能器；以及第四直线形超音波换能器，与该第三直线形超音波换能器相互堆叠地设置于该超音波换能器的第二侧，该第二侧与该第一侧相互背对。

作为可选的方案，该第三直线形超音波换能器与该第四直线形超音波换能器之间夹该第一角度。

作为可选的方案，该超音波换能器为扁平状且具有弧形前缘，该弧形前缘设置多个发射单元。

与现有技术相比，本发明的水下超音波装置可藉由使超音波换能器(例如，弧形超音波换能器)的量测范围(例如，发射范围或接收范围)与多个直线形超音波换能器的量测范围(例如，接收范围或发射范围)重叠或重合，而形成广角量测范围。此外，若目标物会移动，本发明可藉由改变超音波换能器之间的位移，使得量测范围随着目标物的移动而改变，进而达到追踪目标物的效果。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的水下超音波装置一实施例的立体图；

图2为图1中的水下超音波装置于另一视角的立体图；

图3为图1中的水下超音波装置形成广角量测范围的示意图；

图4为图2中的水下超音波装置形成广角量测范围的示意图；

图5为本发明的水下超音波装置另一实施例的立体图；

图6为图5中的水下超音波装置形成广角量测范围的示意图；

图7为本发明的弧形超音波换能器另一实施例的立体图；

图8为本发明的水下超音波装置另一实施例的立体图；

图9为图8中的水下超音波装置形成广角量测范围的示意图。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

请参阅图1至图4，图1为本发明的水下超音波装置1一实施例的立体图，图2为图1中的水下超音波装置1于另一视角的立体图，图3为图1中的水下超音波装置1形成广角量测范围的示意图，图4为图2中的水下超音波装置1形成广角量测范围的示意图。

如图1与图2所示，水下超音波装置1包含弧形超音波换能器10以及多个直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d，其中多个直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d相对弧形超音波换能器10设置(即，多个直线形超音波换能器设置在弧形超音波换能器10上)，且多个直线形超音波换能器之间12a、12b、12c、12d具有夹角。需说明的是，相位数组式(phasedarray)超音波换能器亦属于本发明所述的直线形超音波换能器。此外，弧形超音波换能器10亦可以用其它形状的超音波换能器替换，视实际应用而定。

于此实施例中，多个直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d可包含第一直线形超音波换能器12a、第二直线形超音波换能器12b、第三直线形超音波换能器12c以及第四直线形超音波换能器12d。第二直线形超音波换能器12b与第一直线形超音波换能器12a可相互堆叠地设置于弧形超音波换能器10的第一侧S1(即第一侧面)，且第四直线形超音波换能器12d与第三直线形超音波换能器12c可相互堆叠地设置于弧形超音波换能器10的第二侧S2(即第一侧面)，其中第二侧S2与第一侧S1相互背对。换言之，直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d可成对地设置于弧形超音波换能器10的相互背对的两侧，其中直线形超音波换能器12a、12b设置于弧形超音波换能器10的第一侧S1，直线形超音波换能器12c、12d设置于弧形超音波换能器10的第二侧S2，第一侧S1与第二侧S2均为侧面，在本实施例中，第一侧S1与第二侧S2平行。

如图1所示，第一直线形超音波换能器12a与第二直线形超音波换能器12b之间夹第一角度θ1，使得第二直线形超音波换能器12b与第一直线形超音波换能器12a相互堆叠成X字形。如图2所示，第三直线形超音波换能器12c与第四直线形超音波换能器12d之间亦夹第一角度θ1，使得第四直线形超音波换能器12d与第三直线形超音波换能器12c亦相互堆叠成X字形。

在本发明中，第一角度θ1为沿着固定方向(例如顺时针方向或逆时针方向)的夹角，于此实施例中，该固定方向为顺时针方向(如图1所示)，即，沿着顺时针方向从第一直线形超音波换能器12a到第二直线形超音波换能器12b的夹角为第一角度θ1，沿着顺时针方向从第三直线形超音波换能器12c到第四直线形超音波换能器12d的夹角为第一角度θ1。于此实施例中，弧形超音波换能器与多个直线形超音波换能器的其中之一可用以发射多个超音波讯号，且弧形超音波换能器与多个直线形超音波换能器的其中另一可用以接收多个超音波讯号的多个反射讯号。举例而言，于一实施例中，弧形超音波换能器10可用以发射多个超音波讯号，且每一个直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d可用以接收部分多个超音波讯号的多个反射讯号。因此，本发明可藉由使弧形超音波换能器10的发射范围与多个直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d的接收范围重叠或重合，而形成广角量测范围，在此实施例中每一个直线形超音波换能器的长度约与弧形超音波换能器10的半经相当，可以增加直线形超音波换能器对应的接收区域的分辨率，可以使解读出来的图案更清晰。于另一实施例中，每一个直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d可用以发射多个超音波讯号，且弧形超音波换能器10可用以接收多个超音波讯号的多个反射讯号。因此，本发明可藉由使弧形超音波换能器10的接收范围与多个直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d的发射范围重叠或重合，而形成广角量测范围。

如图3与图4所示，弧形超音波换能器10的量测范围R具有超音波涵盖角度α，第一直线形超音波换能器12a的量测范围R1具有超音波涵盖角度α1，第二直线形超音波换能器12b的量测范围R2具有超音波涵盖角度α2，第三直线形超音波换能器12c的量测范围R3具有超音波涵盖角度α3，且第四直线形超音波换能器12d的量测范围R4具有超音波涵盖角度α4。需说明的是，当量测范围R为发射范围时，量测范围R1、R2、R3、R4为接收范围；反之，当量测范围R为接收范围时，量测范围R1、R2、R3、R4为发射范围。举例而言，弧形超音波换能器10的超音波涵盖角度α可为120度，且每一个直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d的超音波涵盖角度α1、α2、α3、α4可分别为30度。此时，本发明可藉由使弧形超音波换能器10的量测范围R与多个直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d的量测范围R1、R2、R3、R4重合，而形成120度的广角量测范围。

于此实施例中，上述的第一角度θ1与超音波涵盖角度α1、α2、α3、α4为倍数关系。此外，第一直线形超音波换能器12a与第三直线形超音波换能器12c之间夹第二角度θ2，其中第一角度θ1与第二角度θ2亦为倍数关系。举例而言，每一个超音波涵盖角度α1、α2、α3、α4可为30度，第一角度θ1可为60度，且第二角度θ2可为30度，使得直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d的量测范围R1、R2、R3、R4呈现如图3与图4所示的交错排列，进而与弧形超音波换能器10的量测范围R配合形成120度的广角量测范围。

在本发明中，第二角度θ2为沿着固定方向(例如顺时针方向或逆时针方向)的夹角，于此实施例中，该固定方向为顺时针方向(如图1所示)，即，沿着顺时针方向从第一直线形超音波换能器12a到第三直线形超音波换能器12c的夹角为第二角度θ2。

于另一实施例中，本发明的水下超音波装置1还可包含位移机构(未绘示于图中)，位移机构耦接弧形超音波换能器10及/或直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d，并可调整弧形超音波换能器10及/或直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d的位置以使弧形超音波换能器10与直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d之间的位移改变。当位移改变时，弧形超音波换能器10的量测范围R与直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d的量测范围R1、R2、R3、R4间的重叠范围即会随之改变。因此，若目标物会移动，本发明可藉由改变弧形超音波换能器10与直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d之间的位移，使得量测范围随着目标物的移动而改变，进而达到追踪目标物的效果。需说明的是，上述的位移机构可为移动机构、转动机构或其组合，视实际应用而定。

于另一实施例中，本发明亦可将多个直线形超音波换能器相互堆叠地设置于弧形超音波换能器10的同一侧。举例而言，本发明可将直线形超音波换能器12a、12b相互堆叠地设置于弧形超音波换能器10的第一侧S1，且将直线形超音波换能器12c、12d自弧形超音波换能器10的第一侧S2移除，以满足不同量测范围的需求。

于另一实施例中，本发明亦可将直线形超音波换能器12a、12c设置于该弧形超音波换能器的相互背对的两侧，且将直线形超音波换能器12b、12d移除，以满足不同量测范围的需求。

请参阅图5以及图6，图5为本发明的水下超音波装置1另一实施例的立体图，图6为图5中的水下超音波装置1形成广角量测范围的示意图。于此实施例中，每一个超音波涵盖角度α1、α2、α3、α4可为30度，第一角度θ1可为30度，且第二角度θ2可为60度，如图5所示。因此，直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d的量测范围R1、R2、R3、R4可呈现如图6所示的依序排列，进而与弧形超音波换能器10的量测范围R配合形成120度的广角量测范围。

请参阅图7，图7为本发明的弧形超音波换能器10'另一实施例的立体图。弧形超音波换能器10'与上述的弧形超音波换能器10的主要不同之处在于，弧形超音波换能器10'包含多个换能器层100a、100b，且多个换能器层100a、100b沿短轴方向D相互并排(即，重叠设置)，如图7所示，在本实施例中，短轴方向D垂直弧形超音波换能器10'的第一侧S1。于此实施例中，弧形超音波换能器10可为扁平状且具有弧形前缘102，其中弧形前缘102可设置多个发射单元，以形成多个换能器层100a、100b。于实际应用中，发射单元可为压电单元(piezoelectric element)。多个换能器层100a、100b可增加超音波的发射强度，而不需以电路设计方式增大电压。

请参阅图8以及图9，图8为本发明的水下超音波装置1'另一实施例的立体图，图9为图8中的水下超音波装置1'形成广角量测范围的示意图。水下超音波装置1'与上述的水下超音波装置1的主要不同之处在于，水下超音波装置1'的多个直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d依次头尾连接地设置于弧形超音波换能器10的同一侧，如图8与图9所示。于此实施例中，第一直线形超音波换能器12a与第二直线形超音波换能器12b之间夹第一角度θ1，第二直线形超音波换能器12b与第三直线形超音波换能器12c之间夹第一角度θ1，且第三直线形超音波换能器12c与第四直线形超音波换能器12d之间夹第一角度θ1，多个直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d沿弧形超音波换能器10弧边面依次头尾连接，其中，弧边是水下超音波装置1'的第一侧S1与弧面的交接处，弧面位于第一侧S1与第二侧S2与之间，且水下超音波装置1'从弧面发射或接收超音波信号。于此实施例中，每一个超音波涵盖角度α1、α2、α3、α4可为30度，且第一角度θ1可为30度，如图8所示。因此，直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d的量测范围R1、R2、R3、R4可呈现如图9所示的依序排列，进而与弧形超音波换能器10的量测范围R配合形成120度的广角量测范围。当直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d用以接收多个超音波讯号的多个反射讯号时，直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d的接收范围包含多个超音波讯号的多个反射讯号的范围。

因此，根据上述的水下超音波装置1、1'，本发明可选择性地将直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d相互堆叠地设置于弧形超音波换能器10的相互背对的两侧，或将直线形超音波换能器12a、12b、12c、12d依次头尾连接地设置于弧形超音波换能器10的同一侧。

综上所述，本发明可藉由使超音波换能器(例如，弧形超音波换能器)的量测范围(例如，发射范围或接收范围)与多个直线形超音波换能器的量测范围(例如，接收范围或发射范围)重叠或重合，而形成广角量测范围。此外，若目标物会移动，本发明可藉由改变超音波换能器之间的位移，使得量测范围随着目标物的移动而改变，进而达到追踪目标物的效果。

藉由以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的保护范围加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求的保护范围内。因此，本发明的权利要求的保护范围应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (17)

1.一种水下超音波装置，其特征在于，包含：

弧形超音波换能器；以及

多个直线形超音波换能器，相对该弧形超音波换能器设置，该多个直线形超音波换能器之间具有夹角，该弧形超音波换能器与该多个直线形超音波换能器的其中之一用以发射多个超音波讯号，该弧形超音波换能器与该多个直线形超音波换能器的其中另一用以接收该多个超音波讯号的多个反射讯号。

2.如权利要求1所述的水下超音波装置，其特征在于，该多个直线形超音波换能器中的每一个直线形超音波换能器具有超音波涵盖角度。

3.如权利要求1所述的水下超音波装置，其特征在于，该多个直线形超音波换能器依次头尾连接地设置于该弧形超音波换能器的同一侧。

4.如权利要求3所述的水下超音波装置，其特征在于，该多个直线形超音波换能器沿该弧形超音波换能器的弧边依次头尾连接。

5.如权利要求1所述的水下超音波装置，其特征在于，该多个直线形超音波换能器相互堆叠地设置于该弧形超音波换能器的同一侧。

6.如权利要求1所述的水下超音波装置，其特征在于，该多个直线形超音波换能器设置于该弧形超音波换能器的相互背对的两侧。

7.如权利要求2所述的水下超音波装置，其特征在于，该多个直线形超音波换能器包含：

第一直线形超音波换能器；

第二直线形超音波换能器，与该第一直线形超音波换能器相互堆叠地设置于该弧形超音波换能器的第一侧；

第三直线形超音波换能器；以及

第四直线形超音波换能器，与该第三直线形超音波换能器相互堆叠地设置于该弧形超音波换能器的第二侧，该第二侧与该第一侧相互背对。

8.如权利要求7所述的水下超音波装置，其特征在于，该第一直线形超音波换能器与该第二直线形超音波换能器之间夹第一角度，且该第三直线形超音波换能器与该第四直线形超音波换能器之间夹该第一角度，该第一角度与该超音波涵盖角度为倍数关系。

9.如权利要求8所述的水下超音波装置，其特征在于，该第一直线形超音波换能器与该第三直线形超音波换能器之间夹第二角度，该第一角度与该第二角度为倍数关系。

10.如权利要求7所述的水下超音波装置，其特征在于，该第二直线形超音波换能器与该第一直线形超音波换能器相互堆叠成X字形，且该第四直线形超音波换能器与该第三直线形超音波换能器相互堆叠成X字形。

11.如权利要求1所述的水下超音波装置，其特征在于，该弧形超音波换能器包含多个换能器层，且该多个换能器层沿短轴方向相互并排。

12.一种水下超音波装置，其特征在于，包含：

超音波换能器，用以发射多个超音波讯号；

第一直线形超音波换能器；以及

第二直线形超音波换能器，与该第一直线形超音波换能器之间夹第一角度，该第二直线形超音波换能器与该第一直线形超音波换能器均设置于该超音波换能器的第一侧，该第一直线形超音波换能器与该第二直线形超音波换能器分别用以接收部分该多个超音波讯号的多个反射讯号。

13.如权利要求12所述的水下超音波装置，其特征在于，该第一直线形超音波换能器与该第二直线形超音波换能器依次头尾连接地设置于该超音波换能器的同一侧。

14.如权利要求13所述的水下超音波装置，其特征在于，该水下超音波装置还包含：

第三直线形超音波换能器；以及

第四直线形超音波换能器，该第一直线形超音波换能器、该第二直线形超音波换能器、该第三直线形超音波换能器与该第四直线形超音波换能器依次头尾连接地设置于该超音波换能器的同一侧，该第一直线形超音波换能器、该第二直线形超音波换能器、该第三直线形超音波换能器与该第四直线形超音波换能器的接收范围包含该多个超音波讯号的多个反射讯号的范围。

15.如权利要求12所述的水下超音波装置，其特征在于，该第一直线形超音波换能器与该第二直线形超音波换能器相互堆叠，该水下超音波装置还包含：

第三直线形超音波换能器；以及

第四直线形超音波换能器，与该第三直线形超音波换能器相互堆叠地设置于该超音波换能器的第二侧，该第二侧与该第一侧相互背对。

16.如权利要求15所述的水下超音波装置，其特征在于，该第三直线形超音波换能器与该第四直线形超音波换能器之间夹该第一角度。

17.如权利要求12所述的水下超音波装置，其特征在于，该超音波换能器为扁平状且具有弧形前缘，该弧形前缘设置多个发射单元。

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