CN112004176A - 一种实现水下宽带准直的水声换能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实现水下宽带准直的水声换能装置，包括实心结构的圆柱形基座，所述基座连接相应的发射换能器，所述圆柱形基座的上端面以其圆心向径向环形阵列设置若干环换能阵列；所述换能阵列和所述圆柱形基座由超材料制成，每一环所述换能阵列包括若干换能机构，同一环的换能机构的结构相同；所述换能机构为实心的圆锥结构，所述换能机构的底圆面的半径由所述圆柱形基座的上端面以其圆心向径向逐渐增大，所有的所述圈换能机构的高度相同；定义第i环所述换能阵列的所述换能机构的数量为Ni，Ni＝i*x，x为5‑7其中任意一个自然数。

Description

一种实现水下宽带准直的水声换能装置
技术领域
本发明涉及水声换能领域，具体指有一种实现水下宽带准直的水声换能装置。
背景技术
水声换能器在水下目标探测，水下通信等领域有着广泛应用，但实际应用的水声换能器却有着以下几方面的缺点：(1)传统水声换能器为了匹配压电材料与工作介质水之间的阻抗，通常采用四分之一波长匹配层，从而导致了窄带效应。并且由于单层匹配层材料的声阻抗的不连续性和单一性，往往并不能实现声波的全透射，仍然有一部分的声能量被反射而导致透射声波的声强衰减。(2)声波在水中的传播会因为衍射极限而导致波束角扩展，导致能量扩散。而在水下声学测试中，往往需要具有宽带性能，以及能够发射准直声束的水声探测设备。
针对上述的现有技术存在的问题设计一种实现水下宽带准直的水声换能装置是本发明研究的目的。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种实现水下宽带准直的水声换能装置，能够有效解决上述现有技术存在的问题。
本发明的技术方案是：
一种实现水下宽带准直的水声换能装置，包括实心结构的圆柱形基座，所述基座连接相应的发射换能器，
所述圆柱形基座的上端面以其圆心向径向环形阵列设置若干环换能阵列；
所述换能阵列和所述圆柱形基座由超材料制成，每一环所述换能阵列包括若干换能机构，同一环的换能机构的结构相同；
所述换能机构为实心的圆锥结构，所述换能机构的底圆面的半径由所述圆柱形基座的上端面以其圆心向径向逐渐增大，所有的所述圈换能机构的高度相同；
定义第i环所述换能阵列的所述换能机构的数量为Ni，Ni＝i*x，x为5-7其中任意一个自然数。
具体地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述换能阵列的晶格常数a＝0.1λ-0.11λ。
具体地，定义所述发射换能器的辐射面半径为R，定义所述换能阵列的环数为m，
Figure BDA0002640631200000021
向上取整。
具体地，定义第i环所述换能阵列对应的半径为ri，定义第i环换能阵列对应的换能机构的等效折射率为ni，
Figure BDA0002640631200000022
所述圆柱形基座的半径大于所述发射换能器的辐射面半径8-12mm。
具体地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述圆柱形基座的高度为1/10λ-1/8λ。
具体地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，定义所述换能机构的高度为h，h＝0.5λ。
所述换能阵列和所述圆柱形基座由光敏树脂材料制成。
具体地，定义水中的声速为c，定义所述发射换能器的发射频率为f，定义所述换能阵列的环间距为y，y＝0.09λ-0.11λ。
因此，本发明提供以下的效果和/或优点：
本发明通过基座，以及在基座上设置若干环换能阵列，通过换能阵列的环数、环间距，以及换能机构的高度、数量、晶格常数a等具体特征，换能阵列在轴向和径向的非均匀分布使得换能器的波束角变小，形成准直声束，而圆锥阵列使得匹配层的声阻抗在轴向有梯度渐变的宽带特性。
应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图2的A部分放大图。
图4为实施例一对应的声波束角调控性能的有限元计算结果的示意图。
图5为实施例一的本发明的宽带声束宽度的模拟计算结果。
图6为实施例一的水下指向性测量的实验示意图。
图7为实施例一的水下指向性测量的实验结果图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：
参考图1-3，一种实现水下宽带准直的水声换能装置，包括实心结构的圆柱形基座，所述基座连接相应的发射换能器，
所述圆柱形基座的上端面以其圆心向径向环形阵列设置若干环换能阵列；
所述换能阵列和所述圆柱形基座由超材料制成，每一环所述换能阵列包括若干换能机构，同一环的换能机构的结构相同；
所述换能机构为实心的圆锥结构，所述换能机构的底圆面的半径由所述圆柱形基座的上端面以其圆心向径向逐渐增大，所有的所述圈换能机构的高度相同；
定义第i环所述换能阵列的所述换能机构的数量为Ni，Ni＝i*x，x为5-7其中任意一个自然数。
具体地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述换能阵列的晶格常数a＝0.1λ-0.11λ。
具体地，定义所述发射换能器的辐射面半径为R，定义所述换能阵列的环数为m，
Figure BDA0002640631200000031
向上取整。
具体地，定义第i环所述换能阵列对应的半径为ri，定义第i环换能阵列对应的换能机构的等效折射率为ni，
Figure BDA0002640631200000032
所述圆柱形基座的半径大于所述发射换能器的辐射面半径8-12mm。
具体地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述圆柱形基座的高度为1/10λ-1/8λ。
具体地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，定义所述换能机构的高度为h，h＝0.5λ。
所述换能阵列和所述圆柱形基座由光敏树脂材料制成。
具体地，定义水中的声速为c，定义所述发射换能器的发射频率为f，定义所述换能阵列的环间距为y，y＝0.09λ-0.11λ。
实施例一
本实施例中，采用Echosounder水下发射换能器，发射换能器的中心发射频率f为38kHz，发射换能器的辐射面半径R为130mm，发射换能器的辐射声波在水里的波长λ为0.039m、声速c为1483m/s。
一种实现水下宽带准直的水声换能装置，包括实心结构的圆柱形基座，所述基座连接相应的发射换能器，
所述圆柱形基座的上端面以其圆心向径向环形阵列设置若干环换能阵列；并且本实施例通过光敏树脂材料ABS利用3D打印一体成型的基座和换能阵列。
具体地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述圆柱形基座的高度为5mm，所述圆柱形基座的半径大于所述发射换能器的辐射面半径10mm，圆柱形基座的半径为140mm。
每一环所述换能阵列包括若干换能机构，同一环的换能机构的结构相同；
具体地，所述换能阵列的晶格常数a＝4mm。所述换能阵列的环数
Figure BDA0002640631200000041
向上取整，本实施例中，环数m为33环。所述换能阵列的环间距y＝0.09λ-0.11λ，本实施例中y＝4mm。
所述换能机构为实心的圆锥结构，所述换能机构的底圆面的半径由所述圆柱形基座的上端面以其圆心向径向逐渐增大，所有的所述圈换能机构的高度相同；
具体地，定义第i环所述换能阵列对应的半径为ri，通过上述环间距y＝4mm可知，第i环的半径ri＝i*4mm。
定义第i环所述换能阵列对应的半径为ri，定义第i环换能阵列对应的换能机构的等效折射率为ni，
Figure BDA0002640631200000042
换能机构的高度h＝20mm。并且，通过等效折射率ni可计算得到每一环换能机构的底面的半径，具体为，由第1层至第33层的每一层的换能机构的底圆面的半径分别是0.0005mm,0.0041mm,0.0140mm,0.0332mm,0.0648mm,0.1118mm,0.1768mm,0.2621mm,0.3682mm,0.4940mm,0.6351mm,0.7843mm,0.9322mm,1.0694mm,1.1892mm,1.2885mm,1.3675mm,1.4285mm,1.4748mm,1.5095mm,1.5355mm,1.5550mm,1.5696mm,1.5807mm,1.5891mm,1.5955mm,1.6005mm,1.6044mm,1.6074mm,1.6098mm,1.6117mm,1.6132mm。
定义第i环所述换能阵列的所述换能机构的数量为Ni，Ni＝i*x，x＝6。具体为第1环数量为6，第2环数量为12，第3环数量为18…依次类推。
进一步地，本实施例中在基座的底部设置有用于将基座内嵌的圆环，圆环套接于基座的底部。
实验结果
根据实施例一制作的水声换能装置，建立实施例一的模型复合梯度阻抗匹配器的二维截面有限元模型，如图4所示。根据计算得到，在30k-100k频段下，平面波能够形成指向性的准直声束。图中给出的是38kHz下的声强场图。可以看出，平面波经过设计的水下的宽带声准直的超材料匹配层，能够形成声准直，声波束角宽度大幅减小。
参考图5，在30-100kHz的频段范围内，计算得到的声束宽度在14°以内。
把Echosounder看作是一个平面声源，由发射换能器发射低频声波，经过单层的薄圆柱支撑结构后，通过设计的圆锥阵列改变声波的相位分布，进行声波束调控，由水听器接收声信号。通过移动接收换能器的角度，根据移动不同的方位角得到相应的幅值，得到发射换能器经过本结构后的指向性。参考图6，在距离发射频率为38kHz的Echosounder换能器发射面中心1m处进行测量，测量角度范围是0°-180°。参考图7，针对本结构测量的声压幅度进行归一化作图。在38kHz声波激励下，实验结果显示，Echosounder加上本结构的波束宽度大约为8°，比Echosounder自身波束宽度10°小。另外，传统号角型匹配层的波束宽度约为13°，证明本发明确实能够对换能器的波束宽度进行有效减小，从而能够保证水声探测器能够降低水面和水底的反射波干扰，实现更长距离的水下声学检测和探测功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种实现水下宽带准直的水声换能装置，包括实心结构的圆柱形基座，所述基座连接相应的发射换能器，其特征在于：
所述圆柱形基座的上端面以其圆心向径向环形阵列设置若干环换能阵列；
所述换能阵列和所述圆柱形基座由超材料制成，每一环所述换能阵列包括若干换能机构，同一环的换能机构的结构相同；
所述换能机构为实心的圆锥结构，所述换能机构的底圆面的半径由所述圆柱形基座的上端面以其圆心向径向逐渐增大，所有的所述圈换能机构的高度相同；
定义第i环所述换能阵列的所述换能机构的数量为Ni，Ni＝i*x，x为5-7其中任意一个自然数。
2.根据权利要求1所述的一种实现水下宽带准直的水声换能装置，其特征在于：定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述换能阵列的晶格常数a＝0.1λ-0.11λ。
3.根据权利要求2所述的一种实现水下宽带准直的水声换能装置，其特征在于：定义所述发射换能器的辐射面半径为R，定义所述换能阵列的环数为m，
Figure FDA0002640631190000011
向上取整。
4.根据权利要求1所述的一种实现水下宽带准直的水声换能装置，其特征在于：定义第i环所述换能阵列对应的半径为ri，定义第i环换能阵列对应的换能机构的等效折射率为ni，
Figure FDA0002640631190000012
5.根据权利要求1所述的一种实现水下宽带准直的水声换能装置，其特征在于：x为6。
6.根据权利要求1所述的一种实现水下宽带准直的水声换能装置，其特征在于：所述圆柱形基座的半径大于所述发射换能器的辐射面半径8-12mm。
7.根据权利要求1所述的一种实现水下宽带准直的水声换能装置，其特征在于：定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述圆柱形基座的高度为1/10λ-1/8λ。
8.根据权利要求1所述的一种实现水下宽带准直的水声换能装置，其特征在于：定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，定义所述换能机构的高度为h，h＝0.5λ-0.6λ。
9.根据权利要求1所述的一种实现水下宽带准直的水声换能装置，其特征在于：所述换能阵列和所述圆柱形基座由光敏树脂材料制成。
10.根据权利要求1所述的一种实现水下宽带准直的水声换能装置，其特征在于：定义水中的声速为c，定义所述发射换能器的发射频率为f，定义所述换能阵列的环间距为y，y＝0.09λ-0.11λ。
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