CN116184416A - 高集成多功能水声换能器 - Google Patents

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王艳
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史海荣
黄天宇
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Abstract

本发明提供了一种涉及水声换能器技术领域的高集成多功能水声换能器，包括多波束参量阵、多波束测深换能器阵、耐压基底以及金属板，多波束参量阵和多波束测深换能器阵分别连接于耐压基板上，耐压基板连接于金属板上，多波束参量阵和多波束测深换能器阵的引出线从金属板穿出；多波束参量阵包括大面积发射阵和多通道接收换能器阵；多波束测深换能器阵包括第一线列发射阵、多通道线列接收阵以及第二线列发射阵。本发明集成了多波束参量阵和多波束测深换能器阵，可同时实现浅底层和地形地貌探测；采用小体积轻重量的声呐换能器即可对水下或海底实现高分辨率的成像。

Description

高集成多功能水声换能器
技术领域
本发明涉及水声换能器技术领域，具体地，涉及高集成多功能水声换能器。
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，高频多波束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。海底地形作为海洋环境的主要组成部分，在海洋开发领域具有重要价值。多波束测深声呐作为海底地形测量的主要工具之一，其获得的数据经过处理后可用于海底地形成图。非线性参量阵采用非线性参量原理进行目标的探测与识别，低频的波束指向性好,没有旁瓣,具有很高的分辨率；且换能器小巧轻便，便于安装。传统意义上，多波束测深声呐和浅底层探测声呐是两部独立的声呐，使用的换能器为两个独立换能器，但是在某些平台中，比如小型UUV等，对搭载的设备有重量和体积的严格要求，如若能将两部声呐集成，则可节省大量空间和重量，对小型化UUV发展有重要意义。
声呐集成首先是换能器阵的集成创新，如何在有限的空间内集成多波束测深换能器和参量阵，本发明提出一种高集成多功能水声换能器，较好的解决了该难题。目前对于多波束测深换能器阵和参量阵集成，在相关的文献中介绍较少。本发明提出高集成多功能水声换能器，简化声呐换能器的制作和工艺，提高实用性，能够缩小体积，减轻重量。目前没有发现与本发明相同类技术存在，也没有发现有同类方法在文件与文献中存在。
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高集成多功能水声换能器。
根据本发明提供的一种高集成多功能水声换能器，包括多波束参量阵、多波束测深换能器阵、耐压基底以及金属板，多波束参量阵和多波束测深换能器阵分别连接于耐压基板上，耐压基板连接于金属板上，多波束参量阵和多波束测深换能器阵的引出线从金属板穿出；
多波束参量阵包括大面积发射阵和多通道接收换能器阵，大面积发射阵位于耐压基板辐射面的正面，多通道接收换能器阵位于耐压基板辐射面的中部；
多波束测深换能器阵包括第一线列发射阵、多通道线列接收阵以及第二线列发射阵，第一线列发射阵和第二线列发射阵分别位于耐压基板辐射面的两侧，多通道线列接收阵位于耐压基板辐射面上。
优选的，第一线列发射阵和第二线列发射阵的辐射面法向方向与大面积发射阵的法向方向夹角范围为30°-70°。
优选的，大面积发射阵、多通道接收换能器阵以及多通道线列接收阵的辐射面在一个平面上。
优选的，大面积发射阵、多通道接收换能器阵以及多通道线列接收阵的辐射面齐平。
优选的，大面积发射阵、多通道接收换能器阵以及多通道线列接收阵辐射面的中心在一条直线上。
优选的，大面积发射阵和多通道接收换能器阵的通道数和分隔通道的方向均一致。
优选的，多通道线列接收阵的分割通道的方向与多通道接收换能器阵的方向一致。
优选的，多通道线列接收阵的阵元中心连线分别与第一线列发射阵、第二线列发射阵的延长线垂直。
优选的，第一线列发射阵和第二线列发射阵分别与大面积发射阵、多通道接收换能器阵以及多通道线列接收阵的连线平行。
优选的，第一线列发射阵和第二线列发射阵结构一致，第一线列发射阵和第二线列发射阵的阵元数量、尺寸、谐振频率、方向性以及发送电压响应级一致。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明集成了多波束参量阵和多波束测深换能器阵，可同时实现浅底层和地形地貌探测；采用小体积轻重量的声呐换能器即可对水下或海底实现高分辨率的成像。
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为本发明的结构示意图。
图中标号：
大面积发射阵1、第一线列发射阵2、多通道接收换能器阵3、多通道线列接收阵4、耐压基底5、金属板6、第二线列发射阵7。
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
根据本发明提供的一种高集成多功能水声换能器，如图1所示，包括多波束参量阵、多波束测深换能器阵、耐压基底5以及金属板6，多波束参量阵和多波束测深换能器阵镶嵌或粘接于耐压基板5上，耐压基板5固定在耐腐蚀的金属板6上，多波束参量阵和多波束测深换能器阵的引出线从金属板6穿出，进入电子仓中；多波束参量阵包括大面积发射阵1和多通道接收换能器阵3，大面积发射阵1位于耐压基板5辐射面的正面，多通道接收换能器阵3位于耐压基板5辐射面的中部；多波束测深换能器阵包括第一线列发射阵2、多通道线列接收阵4以及第二线列发射阵7，第一线列发射阵2和第二线列发射阵7分别位于耐压基板5辐射面的两侧，多通道线列接收阵4位于耐压基板5辐射面上。
大面积发射阵1和多通道接收换能器阵3的通道数及分隔通道的方向一致，多通道线列接收阵4的分割通道的方向与多通道接收换能器阵3的方向一致。大面积发射阵1、多通道接收换能器阵3以及多通道线列接收阵4的辐射面在一个平面上，且大面积发射阵1、多通道接收换能器阵3以及多通道线列接收阵4的辐射面齐平，且大面积发射阵1、多通道接收换能器阵3以及多通道线列接收阵4辐射面的中心在一条直线上。
多通道线列接收阵4的阵元中心连线分别与第一线列发射阵2、第二线列发射阵7的延长线垂直。第一线列发射阵2和第二线列发射阵7的阵元数量、尺寸、谐振频率、方向性以及发送电压响应级等一致。第一线列发射阵2和第二线列发射阵7分别与大面积发射阵1、多通道接收换能器阵3以及多通道线列接收阵4的连线平行。且第一线列发射阵2和第二线列发射阵7的辐射面法向方向与大面积发射阵1的法向方向夹角范围为30°-70°。
更为具体的，根据高频声呐系统总体论证确定的工作频率和方向性角度，经过有限元仿真计算，确定多波束测深阵和多波束参量阵的尺寸，计算发射阵元的发送电压响应和方向，计算结算阵元的接收灵敏度和方向性，然后优化选定压电陶瓷的材料和尺寸，向厂家购买压电陶瓷。也可以通过切割的方式切割出所需要的尺寸的压电陶瓷。本发明实施列的多波束测深阵的谐振频率为500kHz，第一线列发射阵2或第二线列发射阵7的阵元数量为10条，多通道线列接收阵4的通道数为96路。多波束参量阵的的谐振频率为200kHz，大面积发射阵1的通道数为40路，多通道接收换能器阵3的通道数为40路。发射换能器采用PZT4型压电陶瓷，接收换能器采用PZT5型压电陶瓷。
测将定好的PZT4型压电陶瓷条粘接在基底上，进行横向切割，本发明切割的刀片厚度为0.3mm，切割的中心距为2mm。切割完成后，在缝隙中浇注环氧树脂，然后进行除泡处理。清理多余的环氧树脂，将压电陶瓷表面处理干净。然后将切割好的晶片安装到模具中，浇注匹配层，带匹配层固化后，打磨至需要厚度，得到第一线列发射阵2或第二线列发射阵7的阵元。最后将带匹配层的阵元安装至耐压基底5中。采用同样的方法得到大面积发射阵1的阵元。
将铜箔粘接在PZT5压电材料底面，然后进行切割，灌注匹配层，再切割，得到多通道接收换能器阵3。将多通道接收换能器阵3的阵元粘接耐压基底5上，固化后在多通道接收换能器阵3的上下表面焊接引出信号线的正负极，然后按照水声换能器灌封要求，进行水密。
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)

1.一种高集成多功能水声换能器，其特征在于，包括多波束参量阵、多波束测深换能器阵、耐压基底(5)以及金属板(6)，所述多波束参量阵和所述多波束测深换能器阵分别连接于所述耐压基板(5)上，所述耐压基板(5)连接于所述金属板(6)上，所述多波束参量阵和所述多波束测深换能器阵的引出线从所述金属板(6)穿出；
所述多波束参量阵包括大面积发射阵(1)和多通道接收换能器阵(3)，所述大面积发射阵(1)位于所述耐压基板(5)辐射面的正面，所述多通道接收换能器阵(3)位于所述耐压基板(5)辐射面的中部；
所述多波束测深换能器阵包括第一线列发射阵(2)、多通道线列接收阵(4)以及第二线列发射阵(7)，所述第一线列发射阵(2)和所述第二线列发射阵(7)分别位于所述耐压基板(5)辐射面的两侧，所述多通道线列接收阵(4)位于所述耐压基板(5)辐射面上。
2.根据权利要求1所述的高集成多功能水声换能器，其特征在于，所述第一线列发射阵(2)和所述第二线列发射阵(7)的辐射面法向方向与所述大面积发射阵(1)的法向方向夹角范围为30°-70°。
3.根据权利要求1所述的高集成多功能水声换能器，其特征在于，所述大面积发射阵(1)、多通道接收换能器阵(3)以及所述多通道线列接收阵(4)的辐射面在一个平面上。
4.根据权利要求1所述的高集成多功能水声换能器，其特征在于，所述大面积发射阵(1)、多通道接收换能器阵(3)以及所述多通道线列接收阵(4)的辐射面齐平。
5.根据权利要求1所述的高集成多功能水声换能器，其特征在于，所述大面积发射阵(1)、多通道接收换能器阵(3)以及所述多通道线列接收阵(4)辐射面的中心在一条直线上。
6.根据权利要求1所述的高集成多功能水声换能器，其特征在于，所述大面积发射阵(1)和所述多通道接收换能器阵(3)的通道数和分隔通道的方向均一致。
7.根据权利要求1所述的高集成多功能水声换能器，其特征在于，所述多通道线列接收阵(4)的分割通道的方向与所述多通道接收换能器阵(3)的方向一致。
8.根据权利要求1所述的高集成多功能水声换能器，其特征在于，所述多通道线列接收阵(4)的阵元中心连线分别与所述第一线列发射阵(2)、所述第二线列发射阵(7)的延长线垂直。
9.根据权利要求1所述的高集成多功能水声换能器，其特征在于，所述第一线列发射阵(2)和所述第二线列发射阵(7)分别与所述大面积发射阵(1)、多通道接收换能器阵(3)以及所述多通道线列接收阵(4)的连线平行。
10.根据权利要求1所述的高集成多功能水声换能器，其特征在于，所述第一线列发射阵(2)和所述第二线列发射阵(7)结构一致，所述第一线列发射阵(2)和所述第二线列发射阵(7)的阵元数量、尺寸、谐振频率、方向性以及发送电压响应级一致。
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