CN111220970B

CN111220970B - 一种弱振动与低噪声的多波束声呐校准装置

Info

Publication number: CN111220970B
Application number: CN201911255545.6A
Authority: CN
Inventors: 刘永伟; 裴杰; 曲俊超; 费诗婷; 刘丛宇; 周文林; 王璐; 冯宝铭
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2039-12-10
Also published as: CN111220970A

Abstract

本发明提供一种弱振动与低噪声的多波束声呐校准装置，包括浮体、第一圆管群、自吸泵群、第二圆管群、吸流管群、喷流管群、强磁体、气囊、控制电路，浮体为半圆柱型，在浮体的前端有第一圆管群，在浮体的尾端有第二圆管群，吸流管群分别连接第一圆管群和自吸泵群，喷流管群分别连接自吸泵群和第二圆管群，强磁体安装于浮体底部，气囊紧贴强磁体，控制电路连接自吸泵群的电源开关；该校准装置以浮体的前段吸流和尾端喷流作为运行机构，不产生低频线谱振动，运行噪声很低；以强磁体和气囊组成一种在水下使用的磁悬浮结构，很好地隔离了浮体运动过程中的振动及噪声；为多波束声呐在实验室中的准确计量校准提供了弱振动与低噪声的运行平台。

Description

一种弱振动与低噪声的多波束声呐校准装置

技术领域

本发明涉及一种弱振动与低噪声的多波束声呐校准装置，属于声学测量领域。

背景技术

多波束声呐是结合现代电子技术而发展起来的可实时扫描海底地形、地貌，并能够测量出水深等高线的设备。为计量多波束声呐的测深和分辨率性能，国际海道组织发布了相应的标准(IHO S-44)，我国的交通运输部也发布了相应的中文标准(JT/T790-2010)。在这些标准中，只规定了多波束声呐必须达到的最小测深要求和目标识别能力要求。但是在安装和使用多波束声呐的过程中，须考虑因船舶振动噪声所导致的校准精度影响。

随着国家重点研发计划(2016YFF0200900)项目的立项，该项目的课题之一就是解决如何在实验室内计量校准多波束声呐的性能。其中，如何减少外部安装机构的振动与噪声干扰，是研究过程中的关键问题之一。因为多波束声呐是收发并置的工作方式，即一边发射声波，一边接收反射的声波，进而完成对深度和分辨率的绘制工作。当多波束声呐受到振动与噪声的干扰时，可使得发射声波的波束发生偏转，因为接收声波的换能器不具备自适应能力，这就造成了在测试过程中的海底地形地貌断层、虚峰等现象。

对于航行中的船舶来说，受到行波阻力和螺旋桨推进设备所产生激励的影响，船舶会产生低频大幅度的振动。因此，当将多波束声呐安装至船舶后，多波束声呐必定会受到这些振动及噪声的影响。

“多波束声呐探头船首安装位置与方法”(CN201610229482.7)公开了一种多波束声呐探头船首安装位置与方法，采用可调节换能器入水深度的设计，保证了多波束探测仪器采集数据的精度和仪器安全。但该发明尚未涉及到多波束声呐安装和使用过程中的减振和降噪问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种弱振动与低噪声的多波束声呐校准装置。

本发明的目的是这样实现的：包括浮体、对称设置在浮体底部两侧的的强磁铁、位于强磁铁外部的气囊，所述浮体的一端设置有第一圆管群、另一端设置有第二圆管群，在浮体内部设置有自吸泵群，自吸泵群与对应的第一圆管群之间设置有吸流管群，自吸泵群与对应的第二圆管群设置有喷流管群，第一圆管群和第二圆管群的圆管数量、自吸泵群的蠕动泵的数量、喷流管群的喷流管的数量、吸流管群的吸流管的数量相等，自吸泵群由控制电路控制，在气囊下方设置有声纳。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.由浮体圆心往径向变化时，第一圆管群和第二管群的直径逐渐变小。

2.第一圆管群和第二圆管群的圆管数量、自吸泵群的蠕动泵的数量、喷流管群的喷流管的数量、吸流管群的吸流管的数量大于等于3。

3.第一圆管群和第二圆管群的圆管数量、自吸泵群的蠕动泵的数量、喷流管群的喷流管的数量、吸流管群的吸流管的数量均为5个。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)首先，浮体的前部有第一圆管群组成的吸流机构，可很好地吸收掉浮体运动过程中产生的涌浪效应，减少了浮体前进过程中的行波阻力；其次，浮体的尾部有第二圆管群组成的喷流机构，能够很好地推动浮体前进，由于喷流噪声是一种宽带噪声，不存在线谱，因此，喷流激励浮体不会产生强烈的单频振动；再次，多波束声呐的发射和接收换能器一般由压电陶瓷制成，而压电陶瓷属于容性元件，受到强磁场影响时，其压电系数几乎不被改变，因此，强磁体不会改变多波束声呐的声学性能；除此之外，强磁体在吸附多波束声呐设备框架的过程中，受到气囊的阻隔，使得多波束声呐与浮体不接触，也即浮体的振动不会传递至多波束声呐，尽最大的可能地减少了浮体振动对多波束声呐探测性能的影响；最后，气囊与强磁体的吸附力组成了一个隔振系统，气囊提供弹力支撑，强磁体的吸附力提供拉力，属于一个平衡系统，即当强磁体与多波束声呐的框架之间的距离减小时，拉力增强，气囊因压缩，弹力亦增强，反之亦然；由于气囊的隔振频率均可低至1Hz，极限时可低至0.1Hz，因此，本发明的“强磁体气囊隔振结构”是一个力平衡的系统，其共振的频率远低于0.1Hz。

(2)首先，通过开启第一圆管群的数目和第二圆管群的数目，就可实现浮体的直线运动，而且加上喷水推进的速度稳定，使得能够根据设定速度测定多波束声呐的性能，故整个测试系统组成简单，可操作性强；其次，采用气囊与强磁体组成磁悬浮系统，实现多波束声呐与浮体之间的隔振，这为水下磁悬浮的实现提供了一种新的方法；再次，本发明采用前端吸水、尾端喷水的结构，由于喷水推进产生的噪声(四极子声源)辐射效率远小于流激噪声(偶极子声源)的辐射效率，因此，该设计浮体的噪声水平很低；最后，采用强磁体吸附水下由压电陶瓷制成的声学换能器，避免了声学换能器的刚性连接，这为此类水下换能器的弹性固定提供了一种新的思路。

附图说明

图1是一种弱振动与低噪声的多波束声呐校准装置的剖面图；

图2是第一圆管群示意图；

图3是第二圆管群示意图；

其中，1为浮体、2为第一圆管群、3为自吸泵群、4为第二圆管群、5为吸流管群、6为喷流管群、7为强磁体、8为气囊、10为多波束声呐、9为控制电路；第一圆管群2由第一圆管21、第一圆管22、第一圆管23、第一圆管24、第一圆管25组成；自吸泵群3由自吸泵31、自吸泵32、自吸泵33、自吸泵34、自吸泵35组成；第二圆管群4由第二圆管41、第二圆管42、第二圆管43、第二圆管44、第二圆管45组成；吸流管群5由吸流管51、吸流管52、吸流管53、吸流管54、吸流管55组成；喷流管群6由喷流管61、喷流管62、喷流管63、喷流管64、喷流管65组成。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图3，本发明的一种弱振动与低噪声的多波束声呐校准装置，包括浮体1、第一圆管群、自吸泵群、第二圆管群、吸流管群、喷流管群、强磁体7、气囊8、控制电路9、多波束声呐10；浮体为半圆柱型，在浮体的前端有第一圆管群，在浮体的尾端有第二圆管群，吸流管群分别连接第一圆管群和自吸泵群，喷流管群分别连接自吸泵群和第二圆管群，强磁体安装于浮体底部，气囊紧贴强磁体，控制电路连接自吸泵群的电源开关；由浮体圆心往径向变化时，第一圆管群的直径逐渐变小；由浮体圆心往径向变化时，第二圆管群的直径逐渐变小；第一圆管群开启的数目与第二圆管群的数目相同，第一圆管群开启的数目关于浮体轴线左右对称，第二圆管群开启的数目关于浮体轴线左右对称

浮体1是半圆柱壳型，由不锈钢材制成；浮体1的底部进行局部加厚，以使浮体1的重心偏下，不易发生侧翻；

第一圆管群2是由直径不等的不锈钢钢管制成，焊接在浮体1的前部，其排布方式是由浮体1的圆心向外，不锈钢钢管的直径逐渐变小；第一圆管群2由第一圆管21、第一圆管22、第一圆管23、第一圆管24、第一圆管25组成；

自吸泵群3是蠕动泵，用于对第一圆管群2的流体进行抽吸，同时，将抽吸的流体经第二圆管群4进行排出，实现浮体1的直线运动；自吸泵群3由自吸泵31、自吸泵32、自吸泵33、自吸泵34、自吸泵35组成；

第二圆管群4是由直径不等的不锈钢钢管制成，焊接在浮体1的后部，其排布方式是由浮体1的圆心向外，不锈钢钢管的直径逐渐变小；第二圆管群4由第二圆管41、第二圆管42、第二圆管43、第二圆管44、第二圆管45组成；

吸流管群5是硅胶管，用于连接第一圆管群2和自吸泵群3的进流端；吸流管群5由吸流管51、吸流管52、吸流管53、吸流管54、吸流管55组成；第一圆管21连接吸流管51，第一圆管22连接吸流管52，第一圆管23连接吸流管53，第一圆管24连接吸流管54，第一圆管25连接吸流管55；

喷流管群6是硅胶管，用于连接自吸泵群3的出流端和第二圆管群4；喷流管群6由喷流管61、喷流管62、喷流管63、喷流管64、喷流管65组成；喷流管61连接第二圆管41，喷流管62连接第二圆管42，喷流管63连接第二圆管43，喷流管64连接第二圆管44，喷流管65连接第二圆管45；

强磁体7是由汝铁硼材料制成的，在浮体1底部的内外两侧均放置强磁体7，以形成强磁场；

气囊8是由PE+PA制成的气柱卷，放置在强磁体7的外部，对强磁体7吸附多波束声呐10的吸附力进行平衡，达到减振的目的；

浮体1、强磁体7和气囊8均紧密贴合；

控制电路9是控制自吸泵群3的电源开关的通断，以实现自吸泵群3的不同组合工作，保证浮体1实现不同的运动速度；

多波束声呐10是MS200多波束测深仪，工作频率为200kHz，测深范围为0.5-500m，深度分辨率为0.75cm；

经试验测试，本实施例中的浮体1最大运动速度为0.9m/s，总辐射噪声级为74dB。

在本发明的实施过程中，可以按照图2和图3的示意图，根据具体需求适当增加吸流管群和喷流管群中喷管的数量。

综上，本发明是一种弱振动与低噪声的多波束声呐校准装置，包括浮体、第一圆管群、自吸泵群、第二圆管群、吸流管群、喷流管群、强磁体、气囊、控制电路，浮体为半圆柱型，在浮体的前端有第一圆管群，在浮体的尾端有第二圆管群，吸流管群分别连接第一圆管群和自吸泵群，喷流管群分别连接自吸泵群和第二圆管群，强磁体安装于浮体底部，气囊紧贴强磁体，控制电路连接自吸泵群的电源开关；该校准装置以浮体的前段吸流和尾端喷流作为运行机构，不产生低频线谱振动，运行噪声很低；以强磁体和气囊组成一种在水下使用的磁悬浮结构，很好地隔离了浮体运动过程中的振动及噪声；为多波束声呐在实验室中的准确计量校准提供了弱振动与低噪声的运行平台。

Claims

1.一种弱振动与低噪声的多波束声呐校准装置，其特征在于：包括浮体、对称设置在浮体底部两侧的强磁铁、位于强磁铁外部的气囊，浮体的前部有第一圆管群组成的吸流机构，吸收掉浮体运动过程中产生的涌浪效应，减少浮体前进过程中的行波阻力；浮体的尾部有第二圆管群组成的喷流机构，推动浮体前进，在浮体内部设置有自吸泵群，自吸泵群与对应的第一圆管群之间设置有吸流管群，自吸泵群与对应的第二圆管群设置有喷流管群，第一圆管群和第二圆管群的圆管数量、自吸泵群的蠕动泵的数量、喷流管群的喷流管的数量、吸流管群的吸流管的数量相等，自吸泵群由控制电路控制，在气囊下方设置有声纳，在气囊下方强磁体吸附多波束声呐设备框架，气囊与强磁体的吸附力组成了一个隔振系统，气囊提供弹力支撑，强磁体的吸附力提供拉力。

2.根据权利要求1所述的一种弱振动与低噪声的多波束声呐校准装置，其特征在于：由浮体圆心往径向变化时，第一圆管群和第二管群的直径逐渐变小。

3.根据权利要求1或2所述的一种弱振动与低噪声的多波束声呐校准装置，其特征在于：第一圆管群和第二圆管群的圆管数量、自吸泵群的蠕动泵的数量、喷流管群的喷流管的数量、吸流管群的吸流管的数量大于等于3。

4.根据权利要求3所述的一种弱振动与低噪声的多波束声呐校准装置，其特征在于：第一圆管群和第二圆管群的圆管数量、自吸泵群的蠕动泵的数量、喷流管群的喷流管的数量、吸流管群的吸流管的数量均为5个。