CN115166706A - 多波束梯形高频接收换能器阵及多波束测深仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多波束梯形高频接收换能器阵，包括接收阵元、背衬、聚氨酯橡胶、梯形金属壳体以及金属盖板；接收阵元紧固连接在背衬上，背衬紧固连接在梯形金属壳体的顶面和两个侧面上；接收阵元的布阵间距包括工作频率对应的半波长至两倍波长；梯形金属壳体内部设置有容物空间，用于安装电路；金属盖板用于密封容物空间；聚氨酯橡胶用于包覆密封。本发明提供了一种多波束测深仪，还包括具有弧形阵的发射换能器。本发明通过利用梯形阵的两个侧面的阵元形成的波束使接收阵增加为三个波束，能够匹配弧形发射阵的水平波束开角，有助于增加多波束接收阵的波束扫描范围，有助于增加多波束测深的观察范围，从而有助于提高探测效率。
Description
技术领域
本发明涉及水声换能器技术领域，具体地，涉及一种多波束梯形高频接收换能器阵及多波束测深仪。
背景技术
随着人类对海洋资源和环境的开发研究活动的不断加强，多波束测深声纳已成为国内外海洋科学研究、海底资源开发、海洋工程建设等海洋活动中最主要的海洋调查勘测仪器之一。因为它可在与航迹垂直的平面内一次能够给出几十个甚至上百个深度，获得一条一定宽度的全覆盖水深条带，所以它能够精确快速地测出沿航迹线一定宽度范围内水下目标的大小、形状和高低变化。
多波束接收换能器阵负责测深仪声纳水平方向的波束扫描，一般而言水平方向的开角较小，实现高精度的分辨力，便于清晰区分水下小目标或者水底特性。为增加多波束测深声纳探测海底的效率，一般将多波束声纳的探测范围设计的比较大，这就要求发射换能器阵具备大范围的波束发射能力，接收换能器阵具备大范围的接收波束扫描能力。所以发射换能器通常是弧形阵，接收换能器是直线阵时，要求接收阵的阵元的水平波束开角和弧形发射阵的水平波束开角相等，而这是很难实现的，因为弧形阵的开角可以达到160度，而一般的接收阵的阵元是不可能达到160度的波束开角，因此需要在接收阵的阵型设计上创新，才能满足要求。
现有公开号为CN106249224A的中国专利，其公开了一种多波束前视声呐系统。本发明中的多波束前视声呐系统，由水声换能阵、前置放大器、信号调理与A/D转换模块、发射机、主控芯片组成；其中，水声换能阵由发射换能器阵列与接收换能器阵列组成，发射换能器阵列用于产生一定波束角度的扇形声波波束，以照射测量船正前方的一条狭窄水域；接收换能器阵列则对回波信号进行待测方向的多波束形成、能量累积、幅度检测处理，当检测到响应角度的回波信号时记录其计数值，直至所有待测角度的回波都到达时完成一次测量。
发明人认为现有技术中的接收换能器阵扫描范围有限，无法匹配弧形发射阵的水平波束开角，需要设计一种新的备大范围的接收波束扫描能力的接收换能器阵。
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多波束梯形高频接收换能器阵及多波束测深仪。
根据本发明提供的一种多波束梯形高频接收换能器阵,包括：接收阵元、背衬、聚氨酯橡胶、梯形金属壳体以及金属盖板；所述接收阵元紧固连接在所述背衬上，所述背衬紧固连接在所述梯形金属壳体的顶面和两个侧面上；所述接收阵元的布阵间距包括工作频率对应的半波长至两倍波长；所述梯形金属壳体内部设置有容物空间，用于安装电路；所述金属盖板用于密封所述容物空间；所述聚氨酯橡胶用于包覆密封。
优选地，所述梯形金属壳体的顶面与任一侧面的夹角均大于100度且小于150度。
优选地，所述接收阵元包括多个长条形的压电陶瓷片。
优选地，所述接收阵元为高度方向极化，沿宽度方向布阵。
优选地，位于所述梯形金属壳体的顶面和两个侧面上的三个所述接收阵元的中心在一个平面上。
优选地，位于所述梯形金属壳体的顶面的所述接收阵元的单元数量为位于所述梯形金属壳体的任一侧面的所述接收阵元的单元数量的3倍。
优选地，所述背衬和所述梯形金属壳体上设置有相对应的通孔，所述通孔用于引出所述接收阵元的正负极信号导线。
优选地，所述背衬包括隔声去耦材料。
优选地，所述金属盖板上设置有用于传输信号的开孔。
据本发明提供的一种多波束测深仪，采用上述的多波束梯形高频接收换能器阵，还包括具有弧形阵的发射换能器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过利用梯形阵的两个侧面的阵元形成的波束使接收阵增加为三个波束，两个侧面的波束和一个顶面的波束，能够匹配弧形发射阵的水平波束开角，有助于增加多波束接收阵的波束扫描范围，有助于增加多波束测深的观察范围，从而有助于提高探测效率。
2、本发明通过将压电陶瓷片制成接收阵元，将接收阵元安装在背衬上，将背衬安装在梯形金属壳体上，通过简单的结构，有助于制作和装配简易化，有助于提升适用性。
3、本发明通过聚氨酯橡胶对接收换能器阵进行水密封装，有助于保证整体结构的密封性能，有助于扩大适用范围。
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为本发明主要体现多波束梯形高频接收换能器阵的整体结构示意图；
图2为本发明主要体现多波束梯形接收阵水平三个波束指向性图。
图中所示：
接收阵元1 背衬2 聚氨酯橡胶3
梯形金属壳体4 金属盖板5
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1
如图1所示，根据本发明提供的一种多波束梯形高频接收换能器阵，包括：接收阵元1、背衬2、聚氨酯橡胶3、梯形金属壳体4以及金属盖板5；接收阵元1紧固连接在背衬2上，背衬2紧固连接在梯形金属壳体4的顶面和两个侧面上；接收阵元1的布阵间距包括工作频率对应的半波长至两倍波长；梯形金属壳体4内部设置有容物空间，用于安装电路；金属盖板5用于密封容物空间；聚氨酯橡胶3用于包覆密封。
由于发射换能器通常是弧形阵，开角可以达到160度，本申请的接收换能器阵的外形为梯形，接收阵元1分布在梯形的顶面和两个侧面上，增加梯形阵的两个侧面阵来增加接收阵的波束扫描范围，克服了直线阵波束扫描范围有限的缺点，大大提高探测覆盖面，提高作业效率。
多波束梯形高频接收换能器阵整体采用具有良好透声和水密性能的聚氨酯橡胶3进行水密封装，有助于保证整体结构的密封性能，有助于扩大适用范围。
梯形金属壳体4的顶面与任一侧面的夹角均大于100度且小于150度。优选地，夹角选取120度
接收阵元1为高度方向极化，沿宽度方向布阵。接收阵元1分布在梯形的顶面和两个侧面上。背衬2包括隔声去耦材料。接收阵元1的背衬2采用隔声去耦材料加工制作而成，背衬2通过环氧胶水粘接在梯形金属壳体4的顶面和侧面上。
背衬2和梯形金属壳体4上设置有相对应的通孔，通孔用于引出接收阵元1的正负极信号导线。金属盖板5上设置有用于传输信号的开孔。
位于梯形金属壳体4的顶面和两个侧面上的三个接收阵元1的中心在一个平面上。位于梯形金属壳体4的顶面的接收阵元1的单元数量为位于梯形金属壳体4的任一侧面的接收阵元1的单元数量的3倍。
接收阵元1包括多个长条形的压电陶瓷片。接收阵元1采用高度方向极化的PZT5压电陶瓷片作为振动元件。
具体制作方法如下：根据多波束测试仪系统需要的工作频率和垂直方向性开角，选定长条形压电陶瓷的材料和尺寸，设计、加工制作固定压电陶瓷片的隔声去耦材料，在压电陶瓷条上引出正负极信号线，然后在模具里浇筑环氧树脂进行固定压电陶瓷片。带压电陶瓷片固化完成后，测试压电陶瓷片在空气中阻抗特性，并记录各个通道的阻抗和静态电容数据。将装配好的带有压电陶瓷片的隔声去耦块粘接在梯形金属壳体4上，并将引出信号的导线穿入梯形金属壳体4内部，穿入之后将梯形金属壳体4上的穿线孔用硅橡胶封堵。然后进行接收阵的水密封装，第一次封装没注压电陶瓷片即可，第二次封装完成最后接收换能器阵聚氨酯整体包覆。在水池中测试换能器阵的200kHz水平指向性性能。测试数据如图2，数据显示梯形多波束接收阵形成三个波束，中间波束开角为1度，两边侧面的波束开角为3度。
本申请通过将接收换能器阵的阵型设计成梯形，增加梯形阵的两个侧面阵来增加接收阵的波束扫描范围，还可以增加多波束测深的观察范围，提高多波束测深仪的扫海效率。本发明制作方法简单、容易实现、效果明显。
实施例2
根据本发明提供的一种多波束测深仪，基于实施例1所述的多波束梯形高频接收换能器阵，还包括具有弧形阵的发射换能器。由于发射换能器是弧形阵，开角可以达到160度，多波束梯形高频接收换能器阵采用梯形阵的设计，利用梯形阵的两个侧面的阵元形成的波束使接收阵增加为三个波束，两个侧面的波束和一个顶面的波束，使得接收阵元1的水平波束开角和弧形发射阵的水平波束开角相等，可将多波声呐的观察角度提高至160度以上，大大提高探测覆盖面，提高作业效率。本发明结构简单，装配方便，易于制作，具有较强的实用性。
工作原理
接收阵元1紧固连接在背衬2上，背衬2紧固连接在梯形金属壳体4的顶面和两个侧面上。多波束梯形高频接收换能器阵整体采用具有良好透声和水密性能的聚氨酯橡胶3进行水密封装。本发明采用梯形阵的设计，利用梯形阵的两个侧面的阵元形成的波束使接收阵增加为三个波束，两个侧面的波束和一个顶面的波束。使得接收阵元1的水平波束开角和弧形发射阵的水平波束开角相等，可将多波声呐的观察角度提高至160度以上，大大提高探测覆盖面，提高作业效率。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
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)
1.一种多波束梯形高频接收换能器阵，其特征在于，包括：接收阵元(1)、背衬(2)、聚氨酯橡胶(3)、梯形金属壳体(4)以及金属盖板(5)；
所述接收阵元(1)紧固连接在所述背衬(2)上，所述背衬(2)紧固连接在所述梯形金属壳体(4)的顶面和两个侧面上；
所述接收阵元(1)的布阵间距包括工作频率对应的半波长至两倍波长；
所述梯形金属壳体(4)内部设置有容物空间，用于安装电路；
所述金属盖板(5)用于密封所述容物空间；
所述聚氨酯橡胶(3)用于包覆密封。
2.如权利要求1所述的多波束梯形高频接收换能器阵，其特征在于，所述梯形金属壳体(4)的顶面与任一侧面的夹角均大于100度且小于150度。
3.如权利要求1所述的多波束梯形高频接收换能器阵，其特征在于，所述接收阵元(1)包括多个长条形的压电陶瓷片。
4.如权利要求1所述的多波束梯形高频接收换能器阵，其特征在于，所述接收阵元(1)为高度方向极化，沿宽度方向布阵。
5.如权利要求1所述的多波束梯形高频接收换能器阵，其特征在于，位于所述梯形金属壳体(4)的顶面和两个侧面上的三个所述接收阵元(1)的中心在一个平面上。
6.如权利要求1所述的多波束梯形高频接收换能器阵，其特征在于，位于所述梯形金属壳体(4)的顶面的所述接收阵元(1)的单元数量为位于所述梯形金属壳体(4)的任一侧面的所述接收阵元(1)的单元数量的3倍。
7.如权利要求1所述的多波束梯形高频接收换能器阵，其特征在于，所述背衬(2)和所述梯形金属壳体(4)上设置有相对应的通孔，所述通孔用于引出所述接收阵元(1)的正负极信号导线。
8.如权利要求1所述的多波束梯形高频接收换能器阵，其特征在于，所述背衬(2)包括隔声去耦材料。
9.如权利要求1所述的多波束梯形高频接收换能器阵，其特征在于，所述金属盖板(5)上设置有用于传输信号的开孔。
10.一种多波束测深仪，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的多波束梯形高频接收换能器阵，还包括具有弧形阵的发射换能器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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