CN111935594A - 一种基于弯曲圆盘换能器的低频宽带高效成阵结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于弯曲圆盘换能器的低频宽带高效成阵结构，主要包括发射阵，所述的发射阵包括多组换能器单元，发射阵是由多组相同的换能器单元在水平方向按等间距排列组成，换能器单元在发射阵中的姿态一致；换能器单元之间的声中心距离不大于其在谐振频率点的半波长，使得各组换能器单元受到的近场互辐射影响保持一致；所述的换能器单元是指由1个或多个弯曲圆盘换能器在轴向排列而成。本发明通过对弯曲圆盘换能器按特定成阵方式进行布阵可以改变弯曲圆盘换能器的辐射阻抗，从而降低发射阵的谐振频率、拓展工作带宽、提高电声效率，使其适应未来机动式探测系统的发展需要。
Description
技术领域
本发明涉及弯曲圆盘换能器领域，主要是一种基于弯曲圆盘换能器的低频宽带高效成阵结构。
背景技术
随着海洋强国战略的不断实施，水声技术得到不断提高，声纳设备平台呈现多元化发展。其中以拖曳式探测声纳、机载探测声纳和UUV/AUV等机动布放式水声探测系统发展最为迅猛。机动布放式水声探测系统因为灵活便捷、响应快速和远离平台振动等优点而备受关注，未来发展前景和需求极为可观。
机动布放式水声探测系统的安装平台空间较小、载荷较轻，对发射换能器或基阵的尺寸和重量提出了更高的要求。弯曲圆盘换能器具有尺寸小、频率低、外形规则易成阵等特点，非常适合用于各种类型的机动式水声探测系统。
因为处于弯曲振动模态，弯曲圆盘换能器及其常规布阵方法(半波长线列阵)存在以下缺点：在谐振点的电声效率较高，但是工作带宽一般比较窄，且在谐振点附近电声效率下降明显，因此宽频带内功率密度偏低。随着水声探测技术向着低频率、宽频带和大功率的方向发展，弯曲圆盘换能器及其常规布阵方法难以满足低频段水声远程探测与通信技术的发展需要。因为工作在一阶弯曲振动模态，弯曲圆盘换能器及其常规布阵方式的工作带宽较窄、在宽频带内平均电声转换效率较低，且其谐振频率由材料和结构设计决定，无法利用互辐射效应降低谐振频率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于弯曲圆盘换能器的低频宽带高效成阵结构，在空间范围内对弯曲圆盘换能器进行紧密排列，通过近场声压强烈的互耦合作用降低换能器及基阵的谐振频率、拓展工作带宽、提高宽频带内的电声转换效率。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种基于弯曲圆盘换能器的低频宽带高效成阵结构，主要包括发射阵，所述的发射阵包括多组换能器单元，发射阵是由多组相同的换能器单元在水平方向按等间距排列组成，换能器单元在发射阵中的姿态一致；换能器单元之间的声中心距离不大于其在谐振频率点的半波长，使得各组换能器单元受到的近场互辐射影响保持一致；所述的换能器单元是指由1个或多个弯曲圆盘换能器在轴向排列而成。通过对弯曲圆盘换能器按特定成阵方式进行布阵可以改变弯曲圆盘换能器的辐射阻抗，从而降低发射阵的谐振频率、拓展工作带宽、提高电声效率，使其适应未来机动式探测系统的发展需要。
所述的换能器单元中各弯曲圆盘换能器的声中心距离为等间距或非等间距。
所述的弯曲圆盘换能器是以带空气腔的金属板为基础，在金属板上下两面的中心固定一定尺寸的有源材料，并通过透声材料进行水密组成的换能器。
多组换能器单元在水平方向保持同一姿态，并按声中心距离d两两等间距排列，声中心距离d应不小于弯曲圆盘换能器的直径，并不大于换能器单元在谐振频率点的半波长长度。
本发明的有益效果为：
1)、通过对换能器单元进行紧密排列，利用换能器单元间强烈的互辐射作用降低了发射阵的谐振频率，拓展了发射阵的工作带宽；
2)、利用弯曲圆盘换能器的机械阻抗低、有效辐射面积大等优点，通过密排成阵增加了弯曲圆盘换能器的辐射阻，提高了发射阵的电声转换效率；
3)、通过水平方向等间距布阵，各组换能器单元受到的近场互辐射影响保持一致，避免了密排阵常规布阵方法近场声压的非均匀分布现象，整阵大功率可靠性与换能器单元保持一致。
4)、该成阵方式可根据设计需要选择合适的弯曲圆盘换能器单元，以满足不同的技术指标要求。
附图说明
图1为本发明的弯曲圆盘换能器单元成阵示意图。
图2为换能器单元示意图。
图3-4为弯曲圆盘换能器样机A和发射阵3-A水下电声特性对比示意图。
图5-6为换能器单元B和发射阵3-B水下电声特性对比示意图。
图7-8为换能器单元C和发射阵3-C水下电声特性对比示意图。
附图标记说明：换能器单元1，弯曲圆盘换能器2。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
本发明着眼于解决弯曲圆盘换能器及其线列阵的谐振频率偏高、工作带宽偏窄、电声效率偏低等问题，从弯曲圆盘换能器密排阵互辐射工作机理出发，结合实际应用需求，提出一种可以有效降低发射阵谐振频率、拓展弯曲圆盘换能器工作带宽，并提高电声效率的成阵设计方法。
所述的发射阵包括：多组换能器单元1；
所述的的发射阵是由多组相同的换能器单元1在水平方向按等间距排列组成；换能器单元在发射阵中的姿态一致；换能器单元之间的声中心距离不大于其在谐振频率点的半波长。
如上所述换能器单元包括：1个或多个弯曲圆盘换能器2；
所述的换能器单元是指由1个或多个弯曲圆盘换能器2在轴向排列而成；单元中各弯曲圆盘换能器的声中心距离可以等间距，也可以非等间距，可以紧密排列，也可以稀疏排列。
如上所述的弯曲圆盘换能器包括：有源材料、金属材料和透声材料等；
所述的弯曲圆盘换能器是以带空气腔的金属板为基础，在金属板上下两面的中心固定一定尺寸的有源材料，并通过透声材料进行水密组成的换能器。
通过理论计算和仿真分析，选择合适的技术方案，并按以下步骤具体实施：
1)根据技术指标要求设计合适的弯曲圆盘换能器，该换能器的半径为r；
2)利用1个或多个弯曲圆盘换能器在轴向组成换能器单元，换能器单元高度为h，h可根据技术指标要求由弯曲圆盘换能器数量和间距确定；
3)由多组换能器单元在水平方向保持同一姿态，并按声中心距离d两两等间距排列，声中心距离d应不小于弯曲圆盘换能器的直径，并不大于换能器单元在谐振频率点的半波长长度。
根据技术设计试制了多个弯曲圆盘换能器样机A，通过在轴向方向调整布阵方式实现两种换能器单元B和C，最后对各单元按本技术方案在水平方向进行等间距排列，组成发射阵3-A、3-B、3-C。其中，弯曲圆盘换能器样机尺寸为φ105mm×18mm，发射阵3-A中换能器单元A的声中心间距d为138.55mm；发射阵3-B中换能器单元B的声中心间距d为138.55mm，换能器单元B由8(N＝8)只换能器在轴向方向按70mm等间距排列(h＝508mm)；发射阵3-C中换能器单元C的声中心间距d为105mm，换能器单元C由8(N＝8)只换能器在轴向方向按18mm等间距排列(h＝144mm)。
分别对弯曲圆盘换能器样机A和发射阵3-A、换能器单元B和发射阵3-B、换能器单元C和发射阵3-C的水下电声特性进行测试和对比，结果如图3-8所示。
从测试结果可以看出：
1)多组换能器单元成阵后比换能器单元的谐振频率偏低；
2)成阵后发射阵工作带宽明显拓宽；
3)成阵后发射阵电声效率(对应图中发送功率响应)明显提高。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于弯曲圆盘换能器的低频宽带高效成阵结构，主要包括发射阵，其特征在于：所述的发射阵包括多组换能器单元，发射阵是由多组相同的换能器单元(1)在水平方向按等间距排列组成，换能器单元(1)在发射阵中的姿态一致；换能器单元(1)之间的声中心距离不大于其在谐振频率点的半波长，使得各组换能器单元受到的近场互辐射影响保持一致；所述的换能器单元是指由1个或多个弯曲圆盘换能器(2)在轴向排列而成。
2.根据权利要求1所述的基于弯曲圆盘换能器的低频宽带高效成阵结构，其特征在于：所述的换能器单元(1)中各弯曲圆盘换能器(2)的声中心距离为等间距或非等间距。
3.根据权利要求1或2所述的基于弯曲圆盘换能器的低频宽带高效成阵结构，其特征在于：所述的弯曲圆盘换能器(2)是以带空气腔的金属板为基础，在金属板上下两面的中心固定一定尺寸的有源材料，并通过透声材料进行水密组成的换能器。
4.根据权利要求1所述的基于弯曲圆盘换能器的低频宽带高效成阵结构，其特征在于：多组换能器单元(1)在水平方向保持同一姿态，并按声中心距离d两两等间距排列，声中心距离d应不小于弯曲圆盘换能器的直径，并不大于换能器单元在谐振频率点的半波长长度。
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