CN112317286B - 一种基于仿生原理的水下声波辐射器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于仿生原理的水下声波辐射器，由环形气腔、刚性结构以及环形声源阵列构成；所述刚性结构位于环形气腔内部，所述环形声源阵列均匀分布于环形气腔和刚性结构所围成的区域内；所述刚性结构由上下两个锥体以及底部为呈工字形布置的三个圆柱体组成，所述环型声源阵列的声源单体之间按环形等间距紧密排布。本发明的声波辐射器能够将环形声源阵列的辐射波束转换为主瓣能量高、旁瓣能量弱的定向性辐射波束，并且结构简单，易于制备，可通过改变结构尺寸使其适用于不同频率范围的声波辐射，在低频水声领域以及高频超声医学领域均具有重要应用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明属于声辐射器件领域，尤其是涉及一种水下声波辐射器。
背景技术
无论是光波还是无线电波，它们在海水中的衰减都非常大，这使得它们在海水中的传播距离十分有限，远远不能满足人们对水下目标探测、通讯和导航等方面的需求。相比之下，声波在水下的传播效果要好得多。例如，利用深海声道效应，人们可以在5000 公里以外，清晰地接收到几磅TNT炸药爆炸时所辐射的声信号。因此，声波作为水下唯一可行的能量载体在人类的海洋活动中得到了广泛的应用。
声波辐射器是能够实现将交流电信号转化为声信号的一种能量转换器件，是水下发射声波的关键性器件，其性能好坏直接决定着探测结果。目前，声波辐射器的设计主要考虑其频带宽度、灵敏度和指向性等特性，需要其具有高输出功率和高能量转换效率。然而，传统的声波辐射器设计往往辐射声压不高，探测距离较短，工作频率受限，且为了获取高指向性发射声束往往需要大尺寸的单个声源或等效尺寸较大规模的声源阵列。
海豚作为一类海洋哺乳动物，经过长期的自然进化和优胜劣汰，发展出了一套强大的生物声呐系统。近年来，大量研究表明，海豚的气囊、额隆和头骨构成的特殊声学通道对其高指向性声束的产生具有关键性的作用，这为发展基于海豚仿生的声波辐射器提供了崭新的研究思路。
发明内容
针对现有技术中传统水声辐射器件声辐射效率较低、获取高指向性发射声束需要较大尺寸的单个声源或等效尺寸较大规模的声源阵列等实际问题，本发明依据海豚发声原理，提供了一种基于海豚仿生的水下声波辐射器件结构，该结构能够有效抑制环形声源阵列激励声束的旁瓣能量，从而产生主瓣能量高、旁瓣能量弱的辐射声束，具有指向性高，结构简单，易于加工等特点。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于仿生原理的水下声波辐射器，由环形气腔、刚性结构以及环形声源阵列构成；所述环形声源阵列均匀分布于环形气腔和刚性结构所围成的区域内。
优选的，所述声波辐射器的工作环境为水下。
优选的，所述声波辐射器的环形气腔表面由声阻抗与水接近的材料制作而成，如环氧树脂，其厚度远小于声波辐射波长，环形气腔内部充满空气。
优选的，所述声波辐射器的刚性结构由上下表面积不等的两个锥体以及按工字形排列的三个圆柱体组成，并由声阻抗与水相差很大的刚性材料制作而成，如钢、铝。
优选的，所述声波辐射器的环形声源阵列所采用的辐射器件可以是压电材料或其它电-力-声转换器件，如CMUT、PMUT，但并不局限于此。其中，声源单体之间按环形等间距紧密排布，声源阵列与环形气腔和刚性结构之间的距离并不固定，可根据实际辐射效果作出调整；每个声源单体为小圆柱体。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种基于仿生原理的水下声波辐射器，通过将声源阵列按环形均匀铺设于环形气腔和刚性结构所围成的区域内，能够将环形声源阵列的辐射波束转换为主瓣能量高、旁瓣能量弱的高指向性辐射波束，并且结构简单，易于制备。
附图说明
图1为本发明所述的水下声波辐射器，其中图1(a)为三维示意图，图1(b)为中心截面示意图。
图2为实施例1的声压级分布图，其中图2(a)为环形声源阵列辐射声波的声压级分布，图2(b)为水下声波辐射器辐射声波的声压级分布。
附图标记如下：1-环形气腔；2-刚性结构；3-环形声源阵列。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
如图1(a)所示，一种基于仿生原理的水下声波辐射器，由环形 气腔1、刚性结构2以及环形声源阵列3构成；所述环形声源阵列3均匀铺设于环形气腔1和刚性结构2 所围成的区域内。
如图1(b)所示，所述水下声波辐射器的中心截面示意图，其中：环形气腔1的中心截面由两个对称的L形组成，两个对称的L形的底部之间的距离为2b，每个L形由竖直方向和水平方向的矩形组成，竖直方向的矩形长和宽分别为h和l，水平放置的矩形长和宽分别为a-b和d2。
刚性结构2的中心截面由上下两个等腰梯形以及底部按工字形 排列的三个矩形组成，所述底部按工字形 排列的三个矩形自上而下分别为第一矩形、第二矩形、第三矩形，所述第一矩形位于环形 气腔底部的上面，所述第二矩形与两个对称的L形的底部矩形紧密衔接并且平齐，所述第三矩形位于环形气腔底部的下面，上部的等腰梯形上底、下底和高分别为2r3、2r2和h2，下部的等腰梯形上底、下底和高分别为2r2、2r1和h1，底部工字形 排列的三个矩形的长和宽由上往下依次为2a和d1、2b和d2以及L和d3。其中，a为环形 气腔的内半径，b为L形底部边缘距离刚性结构竖直中心线的距离，并b<a。
结构参数的选取如下：h1＝28cm，h2＝5cm，r1＝12cm，r2＝r3＝2cm，L＝34cm， d1＝d2＝d3＝2cm，h＝27cm，l＝2cm，a＝15cm，b＝8cm。声源单体的半径和高均设置为1 cm，但并不局限于此。
为了计算所述水下声波辐射器激励声波的指向性，采用COMSOL Multiphysics软件建立该结构浸没在水中的二维轴对称有限元数值仿真模型。结构中的刚性结构采用的材料为铝，环形腔中填充的气体为空气，计算时所用材料的声学参数分别为：铝的密度为2700kg/m3，纵波声速为6260m/s，横波声速为3080m/s；空气的密度为1.21kg/m3，纵波声速为344m/s；水的密度为1000kg/m3，纵波声速为1500m/s。
图2(a)为环形阵列声源辐射20kHz的平面波产生的声压级分布，图2(b)为水下声波辐射器辐射声波的声压级分布。观察图2(a)可以发现，环形阵列声源辐射的声波除了存在主瓣波束外，还存在诸多能量较强的旁瓣。对比图2(a)和图2(b)可以发现，通过将环形声源阵列放置到本发明设计的海豚仿生声源辐射器的结构中，能够有效地抑制辐射声波的旁瓣能量，增强辐射声波的主瓣能量，且辐射声波能够呈现出很好的指向性。
本发明适用的频率并不仅限于实施例中的20kHz。对于不同频率的辐射需求，均可设计相应的结构，针对高频声波可缩小结构尺寸，针对低频声波可放大结构尺寸。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于仿生原理的水下声波辐射器，其特征在于，包括环形气腔(1)、刚性结构(2)以及环形声源阵列(3)；所述刚性结构(2)位于环形气腔(1)内部，所述环形声源阵列(3)均匀分布于环形气腔(1)和刚性结构(2)所围成的区域内；
所述环形气腔(1)的表面由声阻抗与水接近的材料制作而成，内部充满空气；
所述刚性结构(2)包括：上下两个表面积不等的锥体以及底部按“工”字形排列的三个圆柱体，其由钢或铝材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的水下声波辐射器，其特征在于，所述环形声源阵列(3)中的声源单体之间按环形等间距紧密排布；每个声源单体采用的辐射器件是压电材料或其它电-力-声转换器件。
3.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的水下声波辐射器，其特征在于，环形气腔(1)的中心截面由竖直方向和水平方向的矩形组成对称的L形状，两个对称的L形的底部之间的距离为2b，竖直方向的矩形长和宽分别为h和l，水平放置的矩形长和宽分别为a-b和d2，其中b<a。
4.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的水下声波辐射器，其特征在于，所述刚性结构(2)的中心截面由上下两个等腰梯形以及底部按工字形排列的三个矩形组成，上部的等腰梯形上底、下底和高分别为2r3、2r2和h2，下部的等腰梯形上底、下底和高分别为2r2、2r1和h1，工字形排列的三个矩形的长和宽由上往下依次为2a和d1、2b和d2以及L和d3。
5.根据权利要求4所述的一种基于仿生原理的水下声波辐射器，其特征在于，所述底部工字形排列的三个矩形自上而下分别为第一矩形、第二矩形、第三矩形，所述第一矩形位于环形气腔底部的上面，所述第二矩形与两个对称的L形的底部矩形紧密衔接并且平齐，所述第三矩形位于环形气腔底部的下面。
6.根据权利要求5所述的一种基于仿生原理的水下声波辐射器，其特征在于，具体结构尺寸为：在20kHz时，h1＝28cm，h2＝5cm，r1＝12cm，r2＝r3＝2cm，L＝34cm，d1＝d2＝d3＝2cm，h＝27cm，l＝2cm，a＝15cm，b＝8cm。
7.根据权利要求6所述的一种基于仿生原理的水下声波辐射器，其特征在于，在大于20kHz的高频声波可缩小结构尺寸，在小于20kHz的低频声波可放大结构尺寸。
8.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的水下声波辐射器，其特征在于，所述声波辐射器还能够应用于医学超声领域。
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