CN111516799A - 一种用于船载高频声呐的新型透声窗 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及舰船水下探测设备技术领域，尤其是一种用于船载高频声呐的新型透声窗，包括透声窗壳板，透声窗壳板镶嵌在水舱壳板中且二者密封配合，高频声呐固定在水舱内部，透声窗壳板划分为若干非透声抑振降噪区和若干透声区，透声区和高频声呐中的声呐阵面相对间距布置，本发明的高频声呐固定在水舱内部，水舱本身可以通过水密舱盖密封，也可通过排水泵抽排水，水舱既能保护高频声呐，当需要维护和检修高频声呐时，将水舱内部的水排出，人便能进入水舱内部维修高频声呐，较为方便高频声呐中的声呐阵面面向透声窗壳板的透声区，为声呐使用时提供低透声损失和高强度的透声窗，满足高性能探测的应用需求。

Description

一种用于船载高频声呐的新型透声窗
技术领域
本发明涉及舰船水下探测设备技术领域，尤其是一种用于船载高频声呐的新型透声窗。
背景技术
为调查海洋环境，探测船体附近地貌和物体，通常在海洋探测船的舷侧或底部吊放高频成像声呐或蛙人、鱼类探测声呐阵，这些声呐阵的探测频率基本在30kHz～1000kHz之间，探测时主要为单频或窄带扫频探测。高频成像声呐吊放在舷侧或底部，必将导致探测船只能低速航行，受流激影响声呐阵及其连接吊杆在航行中存在抖动等问题，影响探测精度和探测效率。并且，探测船航行到探测区域，当高频成像声呐阵存在问题时，舷侧或底部吊放模式难以进行水下维修和检测，导致探测航次浪费，造成较大的人力和财力损失。将声呐安装在探测船舱室内，具有不受流激和航速影响、方便检修的优势，但由于钢板船体对声波的透声损失大，使声呐阵难以开展声波探测工作。为降低航行流激对声呐阵探测的影响，目前舰船中低频声呐阵(几百赫兹到1万赫兹频段左右)安装在舰船艏部舱室内，采用玻璃钢壳板为透声窗，为满足航行强度要求，玻璃钢壳板厚度约10mm～24mm左右，支撑强度肋骨为钢骨架。但根据声学规律可知，这种适用中低频的玻璃钢壳板及钢骨架支撑肋骨，难以满足几万赫兹以上，甚至百万赫兹频率的探测，难以兼顾高频成像声呐需要的高透声和航行强度的双重要求。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种用于船载高频声呐的新型透声窗，即保护高频声呐，利于声呐在水下维护和检修，又为声呐使用时提供低透声损失和高强度的透声窗，满足高性能探测的应用需求。
本发明所采用的技术方案如下：一种用于船载高频声呐的新型透声窗，包括透声窗壳板，透声窗壳板镶嵌在水舱壳板中且二者密封配合，高频声呐固定在水舱内部，透声窗壳板划分为若干非透声抑振降噪区和若干透声区，透声区和高频声呐中的声呐阵面相对间距布置。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述高频声呐为船侧探测，高频声呐通过安装支架固定在水舱的船底壳板上，高频声呐中的声呐阵面朝向水舱的船侧壳板的板面，透声窗壳板镶嵌在船侧壳板中。
所述高频声呐为船底探测，高频声呐通过安装支架固定在船侧壳板上，高频声呐中的声呐阵面朝向船底壳板的板面，透声窗壳板镶嵌在船底壳板中。
所述高频声呐为多频段组合声呐阵，高频声呐的声呐阵面包括第一声呐发射阵面、第一声呐接收阵面、第二声呐接收阵面和第二声呐发射阵面，透声窗壳板上划分有和第一声呐发射阵面对应的第一透声区、和第一声呐接收阵面对应的第二透声区、和第二声呐接收阵面对应的第三透声区、和第二声呐发射阵面对应的第四透声区，透声窗壳板上划分有四个非透声抑振降噪区，四个非透声抑振降噪区布置在四边形的四个拐角处，第一透声区、第二透声区、第三透声区和第四透声区依次并排布置在四个非透声抑振降噪区围合成的四边形内，第一透声区、第二透声区、第三透声区、第四透声区和非透声抑振降噪区两两之间通过加强筋隔开形成独立区域，透声窗壳板在非透声抑振降噪区贴附第一阻尼材料，加强筋固定在透声窗壳板上。
所述高频声呐为单组频段收发分置声呐阵，高频声呐的声呐阵面包括第一声呐发射阵面、第一声呐接收阵面，透声窗壳板上划分有和第一声呐发射阵面对应的第一透声区、和第一声呐接收阵面对应的第二透声区，透声窗壳板上划分有两个非透声抑振降噪区，第一透声区布置在两个非透声抑振降噪区之间，第一透声区和第二透声区临近布置，第一透声区、第二透声区和非透声抑振降噪区两两之间通过加强筋隔开形成独立区域，透声窗壳板在非透声抑振降噪区贴附第一阻尼材料，加强筋固定在透声窗壳板上。
所述高频声呐为单组频段收发合置声呐阵，高频声呐包括1个发射和接收合用的声呐阵面，透声窗壳板上划分有和合用声呐阵面对应的第一透声区，透声窗壳板上划分有六个非透声抑振降噪区，六个非透声抑振降噪区包围在第一透声区的四周，六个非透声抑振降噪区和第一透声区两两之间通过加强筋隔开形成独立区域，透声窗壳板在非透声抑振降噪区贴附第一阻尼材料，加强筋固定在透声窗壳板上。
所述透声窗壳板由高强度碳纤维复合材料制成，透声窗壳板的内表面和外表面均敷设高强芳纶纤维或高聚乙烯纤维，透声窗壳板和加强筋的材质相同，透声窗壳板和加强筋一体成型。
所述加强筋由四边形筋板围合而成，四边形筋板的内部设置用来隔成独立区域的隔断板，透声窗壳板的四周开设安装孔，四边形筋板的外周套设法兰，法兰和透声窗壳板的内板面之间设有密封垫片，透声窗壳板的外板面四周用压板压制，压板、透声窗壳板、密封垫片和法兰通过螺栓固定在水舱外表面，四边形筋板嵌入水舱壳板开设的安装用通孔中。
所述透声窗壳板外表面涂刷防污漆，位于四边形筋板四周的水舱内表面上布置吸声尖劈和第二阻尼材料。
本发明的有益效果如下：本发明的高频声呐固定在水舱内部，水舱本身可以通过水密舱盖密封，也可通过排水泵抽排水，水舱既能保护高频声呐，当需要维护和检修高频声呐时，将水舱内部的水排出，人便能进入水舱内部维修高频声呐，较为方便。具体安装时，选择高频声呐阵的安装水舱应远离主机舱、螺旋桨等部位，防止船体高振动噪声对声呐探测的影响，建议选在船体中部、艏部的水下舱室。如果船体振动较大，应对水舱附近舱室采取抑振措施。高频声呐中的声呐阵面面向透声窗壳板的透声区，为声呐使用时提供低透声损失和高强度的透声窗，满足高性能探测的应用需求。
附图说明
图1是本发明的高频声呐船侧探测时水舱的布局结构图。
图2是本发明的高频声呐船底探测时水舱的布局结构图。
图3是本发明当高频声呐为多频段组合声呐阵时新型透声窗的结构图。
图4是本发明当高频声呐为单组频段收发分置声呐阵时新型透声窗的结构图。
图5是本发明当高频声呐为单组频段收发合置声呐阵时新型透声窗的结构图。
图6是图3的A-A剖视图。
图7是图3的B-B剖视图。
图8是本发明透声区厚度与透声损失、频率的关系曲线图。
图9是本发明透声区半波长设计示例图。
其中：1、高频声呐；11、第一声呐发射阵面；12、第一声呐接收阵面；13、第二声呐接收阵面；14、第二声呐发射阵面；2、安装支架；31、船侧壳板；32、船底壳板；33、法兰；4、密封垫片；51、透声窗壳板；52、安装孔；54、非透声抑振降噪区；55、第一透声区；56、第二透声区；57、第三透声区；58、第四透声区；59、加强筋；591、四边形筋板；592、隔断板；6、压板；7、螺栓；8、吸声尖劈；9、第二阻尼材料。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
本实施例的用于船载高频声呐的新型透声窗，包括透声窗壳板51，透声窗壳板51镶嵌在水舱壳板中且二者密封配合，高频声呐1固定在水舱内部，透声窗壳板51划分为若干非透声抑振降噪区54和若干透声区，透声区和高频声呐1中的声呐阵面相对间距布置。本发明的高频声呐1固定在水舱内部，水舱本身可以通过水密舱盖密封，也可通过排水泵抽排水，水舱既能保护高频声呐1，当需要维护和检修高频声呐1时，将水舱内部的水排出，人便能进入水舱内部维修高频声呐1，较为方便。具体安装时，选择高频声呐阵1的安装水舱应远离主机舱、螺旋桨等部位，防止船体高振动噪声对声呐探测的影响，建议选在船体中部、艏部的水下舱室。如果船体振动较大，应对水舱附近舱室采取抑振措施。高频声呐1中的声呐阵面面向透声窗壳板51的透声区，为声呐使用时提供低透声损失和高强度的透声窗，满足高性能探测的应用需求。
高频声呐1为船侧探测时，本发明在水舱内的整体布局见图1所示，高频声呐1通过安装支架2固定在水舱的船底壳板32上，高频声呐1中的声呐阵面朝向水舱的船侧壳板31的板面，透声窗壳板51镶嵌在船侧壳板31中。为减小侧面结构对探测角度的影响，声呐阵面与船侧的透声窗壳板51内表面间距最好小于5cm，但不限于该尺寸，也可根据声呐探测角度确定。
高频声呐1为船底探测，本发明在水舱内的整体布局见图2所示，高频声呐1通过安装支架2固定在船侧壳板31上，高频声呐1中的声呐阵面朝向船底壳板32的板面，透声窗壳板51镶嵌在船底壳板32中。为减小底部结构对探测角度的影响，声呐阵面与船底的透声窗壳板51内表面间距最好小于5cm，但不限于该尺寸，也可根据声呐探测角度确定。
高频声呐1为多频段组合声呐阵时，结合图3，高频声呐1的声呐阵面包括第一声呐发射阵面11、第一声呐接收阵面12、第二声呐接收阵面13和第二声呐发射阵面14，透声窗壳板51上划分有和第一声呐发射阵面11对应的第一透声区55、和第一声呐接收阵面12对应的第二透声区56、和第二声呐接收阵面13对应的第三透声区57、和第二声呐发射阵面14对应的第四透声区58，透声窗壳板51上划分有四个非透声抑振降噪区54，四个非透声抑振降噪区54布置在四边形的四个拐角处，第一透声区55、第二透声区56、第三透声区57和第四透声区58依次并排布置在四个非透声抑振降噪区54围合成的四边形内，第一透声区55、第二透声区56、第三透声区57、第四透声区58和非透声抑振降噪区54两两之间通过加强筋59隔开形成独立区域，透声窗壳板51在非透声抑振降噪区54贴附第一阻尼材料，加强筋59固定在透声窗壳板51上。加强筋59起到加强结构、划分区域的效果。加强筋59高度可在3-8cm左右，厚度可在10cm左右，也可按照强度校核确定。各透声功能区的布置可根据声呐结构进行调整。
高频声呐1为单组频段收发分置声呐阵时，结合图4，高频声呐1的声呐阵面包括第一声呐发射阵面11、第一声呐接收阵面12，透声窗壳板51上划分有和第一声呐发射阵面11对应的第一透声区55、和第一声呐接收阵面12对应的第二透声区56，透声窗壳板51上划分有两个非透声抑振降噪区54，第一透声区55布置在两个非透声抑振降噪区54之间，第一透声区55和第二透声区56临近布置，第一透声区55、第二透声区56和非透声抑振降噪区54两两之间通过加强筋59隔开形成独立区域，透声窗壳板51在非透声抑振降噪区54贴附第一阻尼材料，加强筋59固定在透声窗壳板51上。
高频声呐1为单组频段收发合置声呐阵时，结合图5，高频声呐1包括1个发射和接收合用的声呐阵面，透声窗壳板51上划分有和合用声呐阵面对应的第一透声区55，透声窗壳板51上划分有六个非透声抑振降噪区54，六个非透声抑振降噪区54包围在第一透声区55的四周，六个非透声抑振降噪区54和第一透声区55两两之间通过加强筋59隔开形成独立区域，透声窗壳板51在非透声抑振降噪区54贴附第一阻尼材料，加强筋59固定在透声窗壳板51上。第一阻尼材料的厚度可根据阻尼性能选定，或为非透声抑振降噪区54壳板厚度的1-2倍。
透声窗壳板51由高强度碳纤维复合材料制成，透声窗壳板51的内表面和外表面均敷设高强芳纶纤维或高聚乙烯纤维，透声窗壳板51和加强筋59的材质相同，透声窗壳板51和加强筋59一体成型。为提高强度，防止壳板区域产生气泡，整个透声窗的成型工艺建议为热压罐高温挤压成型。考虑到海洋探测的海洋腐蚀和碳纤维材质的电位腐蚀，应在透声窗壳板51的内表面和外表面敷设高强芳纶纤维或高聚乙烯纤维，建议厚度约0.5mm左右。芳纶纤维或高聚乙烯纤维的密度和水接近，对透声性能影响较小。也可在内、外表面敷设玻璃纤维，但玻璃纤维厚度对高频透声有显著影响，应对玻璃纤维的厚度考虑透声损失。
加强筋59由四边形筋板591围合而成，四边形筋板591的内部设置用来隔成独立区域的隔断板592，透声窗壳板51的四周开设安装孔52，四边形筋板591的外周套设法兰33，法兰33和透声窗壳板51的内板面之间设有密封垫片4，透声窗壳板51的外板面四周用压板6压制，压板6、透声窗壳板51、密封垫片4和法兰33通过螺栓7固定在水舱外表面，四边形筋板591嵌入水舱壳板开设的安装用通孔中。透声窗壳板51的密封安装形式不局限于此。
透声窗壳板51外表面涂刷防污漆，位于四边形筋板591四周的水舱内表面上布置吸声尖劈8和第二阻尼材料9。吸声尖劈8根据探测的最低频率选用，厚度5cm的吸声尖劈就可满足30kHz以上频率的吸声要求，布置在四周的宽度建议为50cm左右。也可根据探测频率确定尖劈布置范围，一般应大于探测频率的10～20倍波长。
为实现透声窗的高强度和透声综合要求，透声窗壳板51的厚度采取分区设计，参见图6和图7。非透声抑振降噪区54的壳板厚度较厚，具体厚度可采用强度校核方法确定，达到15m水压的强度时就能满足各种海洋探测船的使用要求。各个透声区的厚度由各透声区的探测频率确定，强度由功能区分加强筋59补强。当透声区的探测频率在100kHz内时，透声区壳板厚度可采用分层等效原理计算设计，也可参见图8。图8为厚度1mm、2mm、3mm的碳纤维壳板在不同频率的透声损失，当探测频率为80kHz时，选用厚度2mm内的碳纤维壳板，其透声损失在1dB内，对高频声呐探测具有优良的透声性。当探测频率在几百k赫兹时，应采用半波长进行透声区厚度设计，可参见图9。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (9)

1.一种用于船载高频声呐的新型透声窗，其特征在于：包括透声窗壳板(51)，透声窗壳板(51)镶嵌在水舱壳板中且二者密封配合，高频声呐(1)固定在水舱内部，透声窗壳板(51)划分为若干非透声抑振降噪区(54)和若干透声区，透声区和高频声呐(1)中的声呐阵面相对间距布置。
2.如权利要求1所述的用于船载高频声呐的新型透声窗，其特征在于：所述高频声呐(1)为船侧探测，高频声呐(1)通过安装支架(2)固定在水舱的船底壳板(32)上，高频声呐(1)中的声呐阵面朝向水舱的船侧壳板(31)的板面，透声窗壳板(51)镶嵌在船侧壳板(31)中。
3.如权利要求1所述的用于船载高频声呐的新型透声窗，其特征在于：所述高频声呐(1)为船底探测，高频声呐(1)通过安装支架(2)固定在船侧壳板(31)上，高频声呐(1)中的声呐阵面朝向船底壳板(32)的板面，透声窗壳板(51)镶嵌在船底壳板(32)中。
4.如权利要求1所述的用于船载高频声呐的新型透声窗，其特征在于：所述高频声呐(1)为多频段组合声呐阵，高频声呐(1)的声呐阵面包括第一声呐发射阵面(11)、第一声呐接收阵面(12)、第二声呐接收阵面(13)和第二声呐发射阵面(14)，透声窗壳板(51)上划分有和第一声呐发射阵面(11)对应的第一透声区(55)、和第一声呐接收阵面(12)对应的第二透声区(56)、和第二声呐接收阵面(13)对应的第三透声区(57)、和第二声呐发射阵面(14)对应的第四透声区(58)，透声窗壳板(51)上划分有四个非透声抑振降噪区(54)，四个非透声抑振降噪区(54)布置在四边形的四个拐角处，第一透声区(55)、第二透声区(56)、第三透声区(57)和第四透声区(58)依次并排布置在四个非透声抑振降噪区(54)围合成的四边形内，第一透声区(55)、第二透声区(56)、第三透声区(57)、第四透声区(58)和非透声抑振降噪区(54)两两之间通过加强筋(59)隔开形成独立区域，透声窗壳板(51)在非透声抑振降噪区(54)贴附第一阻尼材料，加强筋(59)固定在透声窗壳板(51)上。
5.如权利要求1所述的用于船载高频声呐的新型透声窗，其特征在于：所述高频声呐(1)为单组频段收发分置声呐阵，高频声呐(1)的声呐阵面包括第一声呐发射阵面(11)、第一声呐接收阵面(12)，透声窗壳板(51)上划分有和第一声呐发射阵面(11)对应的第一透声区(55)、和第一声呐接收阵面(12)对应的第二透声区(56)，透声窗壳板(51)上划分有两个非透声抑振降噪区(54)，第一透声区(55)布置在两个非透声抑振降噪区(54)之间，第一透声区(55)和第二透声区(56)临近布置，第一透声区(55)、第二透声区(56)和非透声抑振降噪区(54)两两之间通过加强筋(59)隔开形成独立区域，透声窗壳板(51)在非透声抑振降噪区(54)贴附第一阻尼材料，加强筋(59)固定在透声窗壳板(51)上。
6.如权利要求1所述的用于船载高频声呐的新型透声窗，其特征在于：所述高频声呐(1)为单组频段收发合置声呐阵，高频声呐(1)包括1个发射和接收合用的声呐阵面，透声窗壳板(51)上划分有和合用声呐阵面对应的第一透声区(55)，透声窗壳板(51)上划分有六个非透声抑振降噪区(54)，六个非透声抑振降噪区(54)包围在第一透声区(55)的四周，六个非透声抑振降噪区(54)和第一透声区(55)两两之间通过加强筋(59)隔开形成独立区域，透声窗壳板(51)在非透声抑振降噪区(54)贴附第一阻尼材料，加强筋(59)固定在透声窗壳板(51)上。
7.如权利要求1所述的用于船载高频声呐的新型透声窗，其特征在于：所述透声窗壳板(51)由高强度碳纤维复合材料制成，透声窗壳板(51)的内表面和外表面均敷设高强芳纶纤维或高聚乙烯纤维，透声窗壳板(51)和加强筋(59)的材质相同，透声窗壳板(51)和加强筋(59)一体成型。
8.如权利要求4-6任意项所述的用于船载高频声呐的新型透声窗，其特征在于：所述加强筋(59)由四边形筋板(591)围合而成，四边形筋板(591)的内部设置用来隔成独立区域的隔断板(592)，透声窗壳板(51)的四周开设安装孔(52)，四边形筋板(591)的外周套设法兰(33)，法兰(33)和透声窗壳板(51)的内板面之间设有密封垫片(4)，透声窗壳板(51)的外板面四周用压板(6)压制，压板(6)、透声窗壳板(51)、密封垫片(4)和法兰(33)通过螺栓(7)固定在水舱外表面，四边形筋板(591)嵌入水舱壳板开设的安装用通孔中。
9.如权利要求1所述的用于船载高频声呐的新型透声窗，其特征在于：所述透声窗壳板(51)外表面涂刷防污漆，位于四边形筋板(591)四周的水舱内表面上布置吸声尖劈(8)和第二阻尼材料(9)。
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