CN114760561A - 低频换能器指向性调节系统和方法 - Google Patents

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CN114760561A CN202210373173.2A CN202210373173A CN114760561A CN 114760561 A CN114760561 A CN 114760561A CN 202210373173 A CN202210373173 A CN 202210373173A CN 114760561 A CN114760561 A CN 114760561A
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杨斌颖
王艳
张睿
付昌
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Shanghai Institute Of Ship Electronic Equipment 726 Institute Of China Ship Heavy Industry Corp
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Abstract

本发明提供了一种低频换能器指向性调节系统和方法，包括：两台低频换能器和可调节间距的吊装支架，通过抱箍分别将两台低频换能器固定在吊装支架两侧；两台低频换能器的声中心连线与工作平面平行；根据不同的工作频率，调节两台低频换能器声中心的间距。本发明可以根据使用频率调节换能器的安装间距，使得换能器始终实现较为理想的指向性，且不受发射频率限制。

Description

低频换能器指向性调节系统和方法
技术领域
本发明涉及水声工程技术领域，具体地，涉及一种低频换能器指向性调节系统和方法。
背景技术
低频声波的定向发射技术在军事和民用等领域有着广阔的应用前景，但是低频发射换能器实现指向性是目前水声换能器设计领域的一个技术难题。如用于浅海环境的主动探测和水声通信中，利用其指向性可以抑制多途干扰和提高信噪比；用于收发合置的水声设备中，可以提高声隔离度，降低本地干扰；用于石油测井中，可以提高勘探分辨率。
在均匀媒质中，换能器的指向性由其辐射面面积、辐射面振幅分布和辐射声波频率这三个因素确定。在同一频率下，换能器的辐射面积越大，其波束宽度越窄，指向性越强。低频声波由于其波长很长，衍射效应明显，当换能器的尺寸满足ka＜1时，通常在空间上不呈现指向性。
专利文献CN112584271A(申请号：CN202011322408.2)公开了一种换能器的电激励方法，尤其是低频圆环换能器指向性波束的电激励方法，利用低频圆环换能器的四个辐射头所发声波幅值和相位的干涉，使低频圆环换能器一侧的声压发生明显的抑制，而相对的另一侧声压发生叠加，使低频圆环换能器产生指向性波束。
目前，能够在低频形成指向性的声源有溢流圆环换能器、双端开口的Helmholtz换能器等。这两类换能器都是在其两个辐射口满足一定间距/波长比的情况下，利用其辐射声波在远场叠加形成“∞”字形指向性。其缺点在于换能器两个辐射口的间距是固定值，当频率变化时，间距/波长将无法满足特定条件，因而换能器无法形成理想的指向性，因此，该类型换能器只能在特定的频率附近使用。然而现代水声装备通常需要根据不用的使用目的更换不同的频率，若使用上述低频指向性换能器结构，则需要根据不同频率研制多个不同间距/波长的低频换能器，这不仅给使用者带来极大不便，也使得制作成本大大提高。由此可见，为了适应现代水声装备对低频指向性声源的需求，需要对低频声源的指向性调节方法进行深入研究。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种低频换能器指向性调节系统和方法。
根据本发明提供的低频换能器指向性调节系统，包括：两台低频换能器和可调节间距的吊装支架，通过抱箍分别将两台低频换能器固定在吊装支架两侧；
两台低频换能器的声中心连线与工作平面平行；
根据不同的工作频率，调节两台低频换能器声中心的间距。
优选的，单台低频换能器的最大尺寸/波长小于1/8，单台低频换能器的指向性起伏应小于2dB。
优选的，根据目标指向性和频率调整两台低频换能器的安装间距，对于∞字形指向性，两台低频换能器的安装间距L满足：
Figure BDA0003589596300000021
λ为声波波长。
优选的，根据目标指向性和频率调整两台低频换能器的安装间距，对于心形指向性，两台低频换能器的安装间距L满足：
Figure BDA0003589596300000022
λ为声波波长。
优选的，对两台换能器的发送电压响应Sva、Svb进行校准，保持两台低频换能器的发射声源级一致，输入电压va、vb满足：
Figure BDA0003589596300000023
根据本发明提供的低频换能器指向性调节方法，包括：
步骤1：通过抱箍分别将两台低频换能器固定在吊装支架两侧；
步骤2：将两台低频换能器的声中心连线设置与工作平面平行；
步骤3：根据不同的工作频率，调节两台低频换能器声中心的间距。
优选的，单台低频换能器的最大尺寸/波长小于1/8，单台低频换能器的指向性起伏应小于2dB。
优选的，根据目标指向性和频率调整两台低频换能器的安装间距，对于∞字形指向性，两台低频换能器的安装间距L满足：
Figure BDA0003589596300000024
λ为声波波长。
优选的，根据目标指向性和频率调整两台低频换能器的安装间距，对于心形指向性，两台低频换能器的安装间距L满足：
Figure BDA0003589596300000025
λ为声波波长。
优选的，对两台换能器的发送电压响应Sva、Svb进行校准，保持两台低频换能器的发射声源级一致，输入电压va、vb满足：
Figure BDA0003589596300000031
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明所述的一种可调节低频换能器指向性的方法，可以根据使用频率调节换能器的安装间距，使得换能器始终实现较为理想的指向性，相比现有技术，不受发射频率限制；
(2)通过调节换能器输入信号的幅值和相位，不仅能实现“∞”字形指向性，还能实现“心形”指向性，且可以根据需要调整极大值方向，相比现有技术只能在特定频点实现“∞”字形或“心形”指向性，本发明所述装置具有明显优势；
(3)本发明未改变已有换能器的结构，可以将任意工作频率的两台换能器组合，工程应用性显著增强。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是低频换能器及支架的整体示意图；
图2是“∞”字形指向性仿真结果；
图3是“∞”字形指向性测试结果；
图4是“心形”指向性仿真结果；
其中：1-低频换能器；2-吊装支架。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
本发明的目的在于不改变低频换能器原有的结构，通过将两台或者两组低频发射换能器按一定的间距安装固定，根据使用频率的不同，选择不同的安装间距，使得间距/波长始终满足特定条件，同时调节发射信号的幅度和相位，使组合后的换能器形成指向性。
本发明提供了一种可调节低频换能器指向性的方法，包括两台低频换能器1，可调节间距的吊装支架2。
单台低频换能器1的最大尺寸/波长应小于1/8；单台低频换能器1的指向性起伏应小于2dB；将两台低频换能器1分别用抱箍固定在吊装支架2两侧；需保证两台低频换能器1的声中心连线与工作平面平行；根据不同的工作频率，调节两台低频换能器1声中心的间距。
如图1是低频换能器及支架的整体示意图，其中本发明的一种可调节低频换能器指向性的方法包含两台低频换能器1，将两台换能器安装固定在可调节吊装支架2，并保证两台换能器声中心的连线与工作平面平行(两台换能器垂直高度一致)。根据目标指向性和频率调整两台换能器的安装间距，以下按不同的目标指向性分别阐述：
(1)“∞”字形指向性
两台换能器的安装间距L需要满足
Figure BDA0003589596300000041
考虑到单台换能器的指向性并非完美的无指向性，为了使单台换能器的指向性差异≤2dB时仍能满足设计要求，布放间距应满足
Figure BDA0003589596300000042
进一步，校准两台换能器的发送电压响应，设两台换能器的发送电压响应分别为Sva、Svb，输入电压分别为va、vb。为了使两台换能器的发射声源级一致，输入电压va、vb需满足以下关系式：
Figure BDA0003589596300000043
进一步，调节输入信号相位，使得两台换能器发射声波的相位差为180度。布放间距为
Figure BDA0003589596300000044
时，仿真得到换能器的指向性如图2所示，最大值差异0dB，凹点深度23dB；测量得到的指向性如图3所示，最大值差异0.7dB，凹点深度20.8dB。测试结果与仿真结果一致性较好。
(2)“心形”指向性
两台换能器的安装间距L需要满足
Figure BDA0003589596300000045
进一步，校准两台换能器的发送电压响应，设两台换能器的发送电压响应分别为Sva、Svb，输入电压分别为va、vb。为了使两台换能器的发射声源级一致，输入电压va、vb需满足以下关系式：
Figure BDA0003589596300000051
进一步，调节输入信号相位，使得两台换能器发射声波的相位差为90度。图4为布放间距为
Figure BDA0003589596300000052
仿真得到换能器的指向性图，凹点深度21.8dB。
本发明提供了一种可调节低频换能器指向性的方法，在不改变原有换能器结构的基础上，通过调节换能器的安装间距/波长和输入信号的幅值、相位，可以形成“∞”和“心形”指向性。相比现有技术，可以根据不同使用频率选择布放间距，不受工作频率限制。该技术可以用任意频率的两台全向换能器组合，工程应用性强，实验过程证明该方法是可行的。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种低频换能器指向性调节系统，其特征在于，包括：两台低频换能器和可调节间距的吊装支架，通过抱箍分别将两台低频换能器固定在吊装支架两侧；
两台低频换能器的声中心连线与工作平面平行；
根据不同的工作频率，调节两台低频换能器声中心的间距。
2.根据权利要求1所述的低频换能器指向性调节系统，其特征在于，单台低频换能器的最大尺寸/波长小于1/8，单台低频换能器的指向性起伏应小于2dB。
3.根据权利要求1所述的低频换能器指向性调节系统，其特征在于，根据目标指向性和频率调整两台低频换能器的安装间距，对于∞字形指向性，两台低频换能器的安装间距L满足：
Figure FDA0003589596290000011
λ为声波波长。
4.根据权利要求1所述的低频换能器指向性调节系统，其特征在于，根据目标指向性和频率调整两台低频换能器的安装间距，对于心形指向性，两台低频换能器的安装间距L满足：
Figure FDA0003589596290000012
λ为声波波长。
5.根据权利要求1所述的低频换能器指向性调节系统，其特征在于，对两台换能器的发送电压响应Sva、Svb进行校准，保持两台低频换能器的发射声源级一致，输入电压va、vb满足：
Figure FDA0003589596290000013
6.一种低频换能器指向性调节方法，其特征在于，包括：
步骤1：通过抱箍分别将两台低频换能器固定在吊装支架两侧；
步骤2：将两台低频换能器的声中心连线设置与工作平面平行；
步骤3：根据不同的工作频率，调节两台低频换能器声中心的间距。
7.根据权利要求6所述的低频换能器指向性调节方法，其特征在于，单台低频换能器的最大尺寸/波长小于1/8，单台低频换能器的指向性起伏应小于2dB。
8.根据权利要求6所述的低频换能器指向性调节方法，其特征在于，根据目标指向性和频率调整两台低频换能器的安装间距，对于∞字形指向性，两台低频换能器的安装间距L满足：
Figure FDA0003589596290000014
λ为声波波长。
9.根据权利要求6所述的低频换能器指向性调节方法，其特征在于，根据目标指向性和频率调整两台低频换能器的安装间距，对于心形指向性，两台低频换能器的安装间距L满足：
Figure FDA0003589596290000021
λ为声波波长。
10.根据权利要求6所述的低频换能器指向性调节方法，其特征在于，对两台换能器的发送电压响应Sva、Svb进行校准，保持两台低频换能器的发射声源级一致，输入电压va、vb满足：
Figure FDA0003589596290000022
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Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨斌颖等: "一款低频偶极子声源设计", 《声学与电子工程》, no. 141, 15 March 2021 (2021-03-15) *

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