CN112964897B - 一种非对称结构多普勒换能器基阵 - Google Patents

一种非对称结构多普勒换能器基阵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非对称结构多普勒换能器基阵，包括壳体、若干换能器阵元、若干透声窗和若干压力平衡模块，换能器阵元不均匀分布在壳体内；壳体内设有若干不同方向的柱形腔，柱形腔沿其轴线依次包括相通的充油腔和阵元安装腔，若干换能器阵元分别安装在阵元安装腔内；壳体上设有充油孔，充油孔与充油腔相通；壳体的正面设置若干第一安装槽，若干第一安装槽分别与若干充油腔相通；透声窗通过密封圈密封设置在第一安装槽内，并且其边缘位置通过压环压紧；压环和透声窗与壳体的正面共形；外壳的背面设有若干第二安装槽，若干第二安装槽分别与若干充油腔相通；若干压力平衡模块分别安装在所述第二安装槽内。

Description

一种非对称结构多普勒换能器基阵
技术领域
本发明涉及换能器基阵，特别涉及一种非对称结构多普勒换能器基阵。
背景技术
声学多普勒换能器是多普勒计程仪以及多普勒剖面流速仪器的重要组成部分。多普勒流速剖面仪测量的海流速度信息在很多海洋应用领域中不可或缺，在深海领域，油气矿产开发、生物环境观察、洋流科学考察与水下潜艇作战都离不开海流速度信息的支持；在近海领域，波浪长期观测、渔业养殖管理、海上交通安全、水底管道铺设、海岸工程建设与近海环境监测同样需要以海流的速度作为参考信息。
现有非相控多普勒换能器基阵均为Janus结构配置，换能器基阵为对称圆形结构，辐射面为非共形面，对于安装空间要求较高，且辐射面位置处需要增加导流设备，安装难度较大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种非对称结构多普勒换能器基阵，包括壳体、若干换能器阵元、若干透声窗和若干压力平衡模块，若干所述换能器阵元不均匀分布在所述壳体内；
所述壳体内设有若干不同方向的柱形腔，所述柱形腔沿其轴线依次包括相通的充油腔和阵元安装腔，若干所述换能器阵元分别安装在所述阵元安装腔内；所述壳体上设有充油孔，所述充油孔与所述充油腔相通；
所述壳体的正面设置若干第一安装槽，若干所述第一安装槽分别与若干所述充油腔相通；所述透声窗通过密封圈密封设置在所述第一安装槽内，并且其边缘位置通过压环压紧；所述压环和所述透声窗与所述壳体的正面共形；
所述外壳的背面设有若干第二安装槽，若干所述第二安装槽分别与若干所述充油腔相通；若干所述压力平衡模块分别安装在若干所述第二安装槽内。
较佳地，所述压力平衡模块包括压力平衡膜和压盖，所述压力平衡膜设置在所述第二安装槽内，并通过所述压盖压紧，所述压盖上设置有若干通孔，使其内侧与外侧相通。
较佳地，若干所述柱形腔的轴线分别与所述壳体的中轴线之间的夹角相等。
较佳地，若干所述柱形腔的轴线分别与所述壳体的中轴线之间的夹角范围为20°～30°。
较佳地，若干所述柱形腔的轴线分别与所述壳体的中轴线之间的夹角为20°。
较佳地，相邻的两所述柱形腔的轴线异面。
较佳地，若干所述换能器阵元的波束相对于所述壳体的中轴线呈一定角度发散。
较佳地，所述充油腔内充的油为硅油或蓖麻油。
较佳地，所述壳体的背面设有水密连接器，所述水密连接器与若干所述换能器阵元通过电缆连接。
较佳地，所述壳体的正面为与船体下底面共形的平面或曲面。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
1、本发明通过提出非对称布局阵元结构，将现有的对称Janus四阵元结构改进，在确保波束空间不交叉的同时有效的改进换能器基阵结构，设计出适合安装在在狭小、非对称结构中的多普勒换能器基阵。
2、本发明引入共型透声窗结构，通过换能器内置压力平衡模块，实现充油腔内外压力平衡，透声窗内外压力一致，最大程度提高透声窗的透声系数，并且提高了设备整体的耐压能力。
3、在使用透声窗的同时，使换能器辐射面与载体共形，降低流噪声的同时去除了海水声速对系统测速的影响，提高了系统测速精度。
4、通过采用压力平衡模块可独立设计透声窗的厚度，不受外界压力影响。可用作深海工作。独立设计的透声窗具有较高的透声系数且换能器基阵中充油，可使多普勒系统的测速精度不受海水盐度等外界条件影响。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1为本发明的优选实施例提供的一种非对称结构多普勒换能器基阵的结构示意图；
图2为本发明的优选实施例提供的非对称换能器基阵波束示意图；
图3为本发明的优选实施例提供的非对称换能器阵元的分布图；
图4至图6为本发明的优选实施例提供的其他可替代的非对称换能器阵元的分布图；
图7为本发明的优选实施例提供的非对称换能器基阵阵元发送电压响应曲线；
图8为本发明的优选实施例提供的非对称换能器基阵阵元指向性。
具体实施方式
以下将结合图1至图8对本发明提供的一种非对称结构多普勒换能器基阵进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
请参考图1至图3，一种非对称结构多普勒换能器基阵，包括壳体6、若干换能器阵元3、若干透声窗5和若干压力平衡模块2，所述壳体6的背面设有水密连接器1，所述水密连接器1与若干所述换能器阵元3通过电缆连接，用于接收并传输声音信号。
若干所述换能器阵元3不均匀分布在所述壳体6内，请参考图3，这几个换能器阵元3相对于所述壳体6的中轴线不在中心对称的位置。在本实施例中，若干所述换能器阵元3的波束相对于所述壳体6的中轴线呈一定角度发散。
若干所述换能器阵元3分别相对于所述壳体6的中轴线呈一定角度安装在所述壳体6内，具体的，所述壳体6内设置若干不同方向的柱形腔，所述柱形腔沿其轴线依次包括相通的充油腔8和阵元安装腔，若干所述换能器阵元3分别安装在所述阵元安装腔内；所述壳体6上设有充油孔4，所述充油孔4与所述充油腔8相通；在本实施例中，每个换能器阵元3的发射方向都不同，因此，就可以避免波束之间相互干涉。
本发明通过非对称布局换能器阵元3，将现有的对称Janus阵元结构改进，在确保波束空间不交叉的同时有效地改进了换能器基阵结构。
所述壳体6的正面设置若干第一安装槽，若干所述第一安装槽分别与若干所述充油腔8相通；所述透声窗5设置在所述第一安装槽内并通过O型密封圈密封，并且其边缘位置通过压环7压紧；所述压环7和所述透声窗5与所述壳体6的正面共形；
所述外壳的背面设有若干第二安装槽，若干所述第二安装槽分别与若干所述充油腔8相通；若干所述压力平衡模块2分别安装在若干所述第二安装槽内。
在本领域中，如果换能器阵元3的辐射面一侧有凸出于壳体6的结构或者凸出于船体下表面(安装面)，船航行时，会在凸出位置附近产生气泡，影响设备的性能，本申请的透声窗5结构与壳体6共形，在安装时，壳体6与船体外壳下表面共形，因此不需要外加导流设备。作为一种实施例，所述壳体6的正面为平面，所述压环7和所述透声窗5与所述壳体6的正面共形；作为另外一种实施例，所述壳体的正面为与船体下底面共形的平面或曲面。
本发明引入共形透声窗5结构，通过换能器内置压力平衡模块2，实现充油腔8内外压力平衡，透声窗5内外压力一致，最大程度提高透声窗5的透声系数。
在本实施例中，所述压力平衡模块2包括压力平衡膜22和压盖21，所述压力平衡膜22设置在所述第二安装槽内，并通过所述压盖21压紧，所述压盖21上设置有若干通孔，使其内侧与外侧相通。
本发明在换能器阵元3的辐射面与透声窗5之间的腔体内充油，可使设备性能更加优异。
本发明对柱形腔的形状不做具体限制，可以是圆柱形，也可以是其他形状，本实施例优选圆柱形腔，并以四个换能器阵元3为例，加以详细描述。
在本实施例中，这四个圆柱形腔不均匀设置在所述壳体6内，并且这四个柱形腔的轴线分别与所述壳体6的中轴线之间的夹角相等。
请参考图2，由于换能器阵元3是安装在倾斜设置的圆柱形腔内，因此，这四个换能器阵元3的四个波束(a，b，c，d)的轴线相互异面，并且其中两相邻波束(a，b，c，d)的轴线与各自尾孔轴线所确定的面相互垂直。
优选的，这四个换能器阵元3的轴线分别与所述壳体6的中轴线之间的夹角范围为20°～30°，如图3所示，这四个换能器阵元3的波束(a,b,c,d)轴线分别与所述壳体6的中轴线之间的夹角θ1＝θ2＝θ3＝θ4为20度，换能器阵元3安装在有不同方向的圆柱形腔体的基阵壳体6内，通过物理斜面角度形成自然波束，这四个波束在空间中两两互不干扰，这是非对称结构换能器基阵的基本原则。此类非对称结构换能器基阵结构还可采用图4至图6所示的类似结构，这样大大地改进了多普勒换能器基阵的适装性能，对于换能器阵元3的分布由最初的圆形，演变为弧形(如图3所示)、椭圆形(如图4所示)、线形(如图5所示)、以及V字形(如图6所示)等。在有限的空间以及异形空间中可以发挥较大的作用。
在材料选取方面，充油腔8所充的油一般采用硅油或蓖麻油，但并不局限于这两种油，还可以是其他材质的油。多普勒换能器基阵通过压力平衡模块2，使外界压力与充油腔8内压力平衡。也即使透声窗5内外压力平衡，即无需承受单面的水压，对于透声窗5的透声系数优化具有显著的提高。这是由于在一定厚度范围内，材料厚度越小，透声系数越高。本发明中的结构可提高多普勒测速的整机性能。在换能器基阵的充油腔8中充油，可以降低多普勒换能器基阵表面的流噪声以及去除换能器在海水中盐度对于声速的影响，从而提高多普勒系统的测速精度。这种结构也对设备整体耐压能力有较大提高。
非对称结构多普勒换能器基阵的测量是按照GB/T 7965-2002《声学水声换能器测量》在消声水池内进行的，测试内容包括换能器的阻抗、发送电压响应、指向性等。测量结果显示换能器基阵谐振频率300kHz，发射电压响应如图7所示。换能器阵元3的发送电压响应为184dB，换能器基阵阵元波束位置为20度，波束开角为2.8°(如图8所示)，这与仿真设计相符合。

Claims (10)

1.一种非对称结构多普勒换能器基阵，其特征在于，包括壳体、若干换能器阵元、若干透声窗和若干压力平衡模块，若干所述换能器阵元不均匀分布在所述壳体内，且若干所述换能器阵元生成的波束的轴线相互异面；
所述壳体内设有若干不同方向的柱形腔，所述柱形腔沿其轴线依次包括相通的充油腔和阵元安装腔，若干所述换能器阵元分别安装在所述阵元安装腔内；所述壳体上设有充油孔，所述充油孔与所述充油腔相通；
所述壳体的正面设置若干第一安装槽，若干所述第一安装槽分别与若干所述充油腔相通；所述透声窗通过密封圈密封设置在所述第一安装槽内，并且其边缘位置通过压环压紧；所述压环和所述透声窗与所述壳体的正面共形；
所述壳体的背面设有若干第二安装槽，若干所述第二安装槽分别与若干所述充油腔相通；若干所述压力平衡模块分别安装在若干所述第二安装槽内。
2.如权利要求1所述的一种非对称结构多普勒换能器基阵，其特征在于，所述压力平衡模块包括压力平衡膜和压盖，所述压力平衡膜设置在所述第二安装槽内，并通过所述压盖压紧，所述压盖上设置有若干通孔，使其内侧与外侧相通。
3.如权利要求2所述的一种非对称结构多普勒换能器基阵，其特征在于，若干所述柱形腔的轴线分别与所述壳体的中轴线之间的夹角相等。
4.如权利要求3所述的一种非对称结构多普勒换能器基阵，其特征在于，若干所述柱形腔的轴线分别与所述壳体的中轴线之间的夹角范围为20°～30°。
5.如权利要求4所述的一种非对称结构多普勒换能器基阵，其特征在于，若干所述柱形腔的轴线分别与所述壳体的中轴线之间的夹角为20°。
6.如权利要求1所述的一种非对称结构多普勒换能器基阵，其特征在于，相邻的两所述柱形腔的轴线异面。
7.如权利要求1所述的一种非对称结构多普勒换能器基阵，其特征在于，若干所述换能器阵元的波束相对于所述壳体的中轴线呈一定角度发散。
8.如权利要求1所述的一种非对称结构多普勒换能器基阵，其特征在于，所述充油腔内充的油为硅油或蓖麻油。
9.如权利要求1所述的一种非对称结构多普勒换能器基阵，其特征在于，所述壳体的背面设有水密连接器，所述水密连接器与若干所述换能器阵元通过电缆连接。
10.如权利要求1所述的一种非对称结构多普勒换能器基阵，其特征在于，所述壳体的正面为与船体下底面共形的平面或曲面。
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