ES2844275T3 - Un transductor acústico para haces de hilera - Google Patents
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Abstract
Un transductor (100) acústico de haz de hilera subacuático para proyectar y recibir haces (108) de hilera acústica de campo lejano a través del agua, que comprende: un arreglo de elementos (104) acústicos activos que están dispuestos para proporcionar colectivamente una superficie (106) de radiación cóncava alargada con una abertura (110) acústica asociada, siendo cada elemento (104) acústico activo operable para proyectar un haz acústico individual de la superficie de radiación hacia una zona focal del transductor (100); y un sistema de control que está conectado eléctricamente a los elementos (104) acústicos activos y que está configurado para generar señales de accionamiento eléctricas para accionar cada uno de los elementos (104) acústicos activos de tal manera que se proyecten haces (108) de hilera acústica de campo lejano a través del agua desde el transductor (100), siendo los haces (108) de hilera acústica de campo lejano una superposición de todos los haces acústicos individuales de tal que en el campo lejano, más allá de la zona focal y la abertura (110) acústica, los haces (108) de hilera acústica tienen una vista de campo amplio en un plano que es transversal a una dirección longitudinal de la superficie (106) de radiación, un ancho más estrecho en una dirección perpendicular al campo de visión amplio, y una intensidad acústica que es uniforme a través del campo de visión, y en donde el sistema de control está configurado además para recibir y procesar señales eléctricas de los elementos acústicos activos que son generadas en respuesta a los haces de hilera recibidos por la superficie (106) de radiación que son reflejados de vuelta desde el campo lejano.
Description
DESCRIPCIÓN
Un transductor acústico para haces de hilera
Campo de la invención
La divulgación se relaciona con un transductor acústico para proyectar y/o recibir haces de hilera acústica.
Antecedentes de la invención
Los haces acústicos son usados en muchas aplicaciones, incluyendo sonar y otros dispositivos acústicos subacuáticos, transductores de audio, y control acústico de espacio, por ejemplo, acústica arquitectónica.
En sonar y dispositivos acústicos subacuáticos, el objetivo puede ser mapear el suelo marino o detectar objetos estacionarios o en movimiento dentro del agua. Los usos adicionales para dispositivos acústicos subacuáticos incluyen búsqueda de peces y estimación de población de peces, inspección de objetos subacuáticos tales como cascos de barcos, muelles, y navegación. En muchas de estas aplicaciones, es deseable utilizar un transductor acústico que sea capaz de proyectar haces de hilera acústica de campo lejano. Los haces de hilera son considerados en general como haces que cubren un ángulo amplio en una dirección y un ancho estrecho en la dirección perpendicular.
Los transductores acústicos conocidos para proyectar haces de hilera en general comprenden un arreglo de elementos transductores activos que están dispuestos ya sea como arreglos en línea o alternativamente arreglos cilíndricos convexos. Ambos de estos tipos de transductores acústicos tienen limitaciones. Por ejemplo, los transductores acústicos de arreglo en línea típicamente tienen limitaciones de potencia de haz debido a su ancho limitado.
En cuanto a los transductores de arreglo cilíndrico convexo, estos tienen limitaciones de tamaño ya que en general no pueden ser hechos más pequeños que varias longitudes de onda en diámetro en relación con la frecuencia operativa debido a requisitos estructurales. Por ejemplo, la figura 1 muestra una vista de extremo en sección transversal de un ejemplo de una estructura conocida para un transductor 10 de arreglo cilíndrico convexo para producir haces de hilera. En resumen, el transductor 10 cilíndrico convexo comprende un arreglo de elementos 12 transductores activos que están fijados en una disposición cilíndrica convexa dentro de una estructura 14 de soporte. En operación, los elementos 12 transductores son accionados para proyectar un haz de hilera de gran angular global a través de una abertura 16 acústica. La abertura 16 acústica tiene un ancho definido por flechas 20. Típicamente, los elementos 12 transductores tienen un grosor de aproximadamente la mitad de longitud de onda en relación con la frecuencia operativa, y esto requiere un espaciado 18 sustancial entre las superficies frontales de los elementos. Por lo tanto, el transductor 10 cilíndrico convexo en general necesita ser al menos varias longitudes de onda en diámetro para operar de manera efectiva. Esto se debe a que la disposición de los elementos 12 en un cilindro convexo que tiene un diámetro más pequeño aumenta el espaciado 18 entre los elementos y esto tiende a dar como resultado variaciones de respuesta prohibitivamente grandes dentro del ángulo de interés del haz de hilera.
La patente de los Estados Unidos 6,014,898 describe un arreglo de transductores ultrasónicos formado por múltiples elementos transductores cóncavos que están dispuestos para proporcionar un transductor que tiene una forma global de eje de arreglo convexo.
La patente de los Estados Unidos 4,156,863 describe un arreglo de transductores de haz cónico formado a partir de un arreglo curvado esféricamente de elementos transductores.
En esta especificación cuando se ha hecho referencia a especificaciones de patentes, otros documentos externos, u otras fuentes de información, en general esto es con el propósito de proporcionar un contexto para discutir las características de la invención. A menos que se indique específicamente otra cosa, la referencia a tales documentos externos no debe interpretarse como una admisión de que tales documentos, o tales fuentes de información, en cualquier jurisdicción, son técnica anterior, o forman parte del conocimiento general común en la técnica.
Es un objeto de la divulgación proporcionar un transductor acústico mejorado para proyectar y/o recibir haces de hilera, o al menos proporcionar al público una opción útil.
Resumen de la invención
La presente invención es como se define en y por las reivindicaciones anexas. Se divulgan un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con la reivindicación 1 y un método de proyección y recepción de haces de hilera acústica de campo lejano a través del agua de acuerdo con la reivindicación 15.
Preferiblemente, la superficie de radiación puede ser una superficie de radiación cilíndrica cóncava ya que la superficie de radiación se adapta sustancialmente a la superficie externa periférica de un semicilindro.
Preferiblemente, los elementos acústicos activos pueden estar dispuestos alrededor de la superficie de radiación semicilíndrica cóncava estando cada elemento igualmente espaciado por un radio del eje de cilindro.
Preferiblemente, el arreglo de elementos acústicos activos puede estar dispuesto para proporcionar una superficie de radiación sustancialmente continua.
Preferiblemente, cada elemento acústico activo puede ser un elemento transductor acústico que comprende material acústico activo acoplado entre electrodos que son eléctricamente excitables. Más preferiblemente, cada elemento acústico puede estar provisto de una o más capas coincidentes acopladas directa o indirectamente al material acústico activo, estando las capas coincidentes dispuestas para proporcionar una coincidencia de impedancia entre el transductor y el medio acústico a través del cual se propagan los haces acústicos. A modo de ejemplo, cada elemento acústico activo puede comprender una capa coincidente situada entre la superficie de radiación y el material acústico activo.
Preferiblemente, los elementos acústicos activos pueden estar aislados acústicamente entre sí dentro de una estructura de soporte.
Preferiblemente, cada elemento acústico activo en el arreglo puede ser recto y alargado. Más preferiblemente, la longitud de cada elemento acústico activo puede extenderse sustancialmente a toda la longitud de la superficie de radiación.
En una forma, el transductor puede estar dispuesto para producir un haz de hilera que tiene un ancho sustancialmente fijo en la dirección del eje longitudinal de la superficie de radiación.
En otra forma, cada elemento acústico activo recto y alargado es formado colectivamente a partir de una línea de múltiples elementos acústicos activos individuales que están aislados acústica y eléctricamente entre sí a lo largo de la longitud del transductor. Preferiblemente, las líneas de elementos acústicos activos individuales pueden estar alineadas con respecto entre sí a lo largo de la longitud del transductor para proporcionar de esa manera una serie de segmentos de arreglo cóncavos operables selectivamente de elementos acústicos activos a lo largo de la longitud del transductor. Más preferiblemente, el sistema de control puede ser operable para activar o desactivar uno cualquiera o más de los segmentos de arreglo cóncavos de elementos acústicos activos para controlar de esa manera la longitud efectiva de la superficie de radiación y por consiguiente el ancho del haz de hilera propagado en la dirección del eje longitudinal de la superficie de radiación. Adicional o alternativamente, el sistema de control puede ser operable para aplicar señales de accionamiento en fases diferenciadas a los segmentos de arreglo cóncavos de elementos acústicos activos para direccionar de esa manera el haz de hilera propagado en la dirección deseada alrededor de un eje transversal al eje longitudinal de la superficie de radiación.
El arreglo de elementos acústicos activos es operable para proyectar haces de hilera acústica que tienen un campo de visión amplio en el plano que es perpendicular al eje longitudinal del transductor y en donde la intensidad acústica de campo lejano es sustancialmente uniforme dentro del campo de visión.
Preferiblemente, los elementos acústicos activos son activados a una frecuencia operativa predeterminada y el arreglo de elementos acústicos activos está dispuesto de tal manera que la distancia de centro a centro entre elementos acústicos adyacentes alrededor de la superficie de radiación no sea mayor que aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la frecuencia operativa.
Preferiblemente, la superficie de radiación puede ser expuesta indirectamente a través de una o más capas de protección al medio acústico a través del cual se propagan los haces de hilera acústica proyectados o recibidos. Más preferiblemente, la superficie de radiación forma una abertura acústica a través de la cual son proyectados o recibidos haces de hilera acústica, estando la una o más capas de protección dispuestas para llenar al menos parcialmente la abertura acústica. Solamente a modo de ejemplo, las capas de protección pueden estar formadas de caucho que está formulado para ser acústicamente transparente en el agua para permitir que el transductor opere bajo el agua.
También se describe un transductor acústico para proyectar y/o recibir haces de hilera acústica que comprende: una disposición cilíndrica cóncava de elementos transductores acústicos operables.
La expresión "superficie de radiación" como se usa en esta especificación y reivindicaciones está prevista para significar la superficie colectiva o efectiva asociada con la abertura acústica que es formada a partir del arreglo de elementos acústicos activos y que es la superficie desde la cual son proyectados y/o recibidos haces acústicos, ya sea que la superficie esté expuesta directamente al medio acústico o indirectamente expuesta a través de una u otras más capas.
La expresión "haces de hilera" como se usa en esta especificación y reivindicaciones está prevista para significar haces acústicos de campo lejano que cubren un ángulo amplio en una dirección y que tienen un ancho o foco más estrecho o controlable alternativamente en la dirección perpendicular.
El término "que comprende" como se usa en esta especificación y reivindicaciones significa "que consiste al menos en parte de. Cuando se interpreta cada declaración en esta especificación y reivindicaciones que incluye el término "que comprende", también pueden estar presentes características aparte de esa o aquellas precedidas por el término. Los términos relacionados tales como "comprenden" y "comprende" deben interpretarse de la misma manera.
Como se usa en este documento el término "y/o" significa "y" u "o", o ambos.
Como se usa en este documento "(s)" después de un sustantivo significa las formas plurales y/o singulares del sustantivo.
La invención consiste en lo anterior y también prevé construcciones de las cuales lo siguiente da solamente ejemplos.
Breve descripción de los dibujos
Realizaciones preferidas de la invención se describirán solamente a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos, en los cuales:
La figura 1 muestra una vista de extremo en sección transversal de un ejemplo de un arreglo de transductores acústicos cilíndricos convexos convencionales para generar haces de hilera;
La figura 2 muestra una vista de extremo en sección transversal de un transductor acústico de acuerdo con una realización preferida de la invención;
La figura 3A muestra una vista de extremo en sección transversal de un primer transductor acústico de forma preferida de la invención;
La figura 3B muestra una vista lateral en sección transversal del primer transductor acústico de forma preferida visto a través de la línea AA de la figura 3A;
La figura 4A muestra una vista de extremo en sección transversal de un segundo transductor acústico de forma preferida de la invención;
La figura 4B muestra una vista lateral en sección transversal del segundo transductor acústico de forma preferida visto a través de la línea BB de la figura 4A;
La figura 5A es un gráfico del patrón de directividad de campo lejano de un haz de hilera acústico proyectado desde el segundo transductor acústico de forma preferida de las figuras 4a y 4B que opera a una frecuencia de 160 kHz para diversos ángulos de direccionamiento de haz en un plano que comprende el eje longitudinal del transductor; y
La figura 5B es un gráfico del patrón de directividad de campo lejano de un haz de hilera acústico proyectado desde el segundo transductor acústico de forma preferida de las figuras 4A y 4B que opera a una frecuencia de 160 kHz en el plano perpendicular al eje longitudinal del transductor.
Descripción detallada de realizaciones preferidas
Visión general
La divulgación se relaciona con un transductor acústico para producir y/o recibir haces de hilera acústica. Como se refiere en esta descripción, los haces de hilera son típicamente haces acústicos de campo lejano que cubren un ángulo amplio en una dirección y que tienen un ancho o foco estrecho o controlable alternativamente en la dirección perpendicular. En este contexto el campo lejano se considera en general como una distancia que es mucho mayor que el tamaño del transductor y la longitud de onda de su frecuencia operativa. El transductor acústico puede estar configurado para generar y recibir ondas acústicas en cualquier frecuencia operativa deseada, incluyendo frecuencias audibles y ultrasónicas, por ejemplo.
Con referencia a la figura 2, se muestra una vista de extremo en sección transversal de la estructura del transductor 100 acústico de la invención. La vista de la figura 2 es en un plano que es perpendicular al eje longitudinal del transductor 100. En resumen, el transductor 100 acústico comprende una estructura 102 de soporte alargada que está dispuesta para soportar un arreglo de elementos 104 acústicos activos. Los elementos 104 acústicos activos están dispuestos en un patrón sustancialmente cóncavo uno con respecto al otro para proporcionar de esa manera una superficie 106 de radiación alargada sustancialmente cóncava desde la cual los haces acústicos son proyectados y recibidos por el transductor 100. Más particularmente, los elementos 104 acústicos activos están dispuestos para proporcionar colectivamente una superficie 106 de radiación sustancialmente continua cóncava y alargada para los haces de hilera acústicos.
Se apreciará que cada uno de los elementos 104 acústicos activos puede ser accionado para generar un haz acústico y que el haz 108 de hilera de campo lejano global es la superposición de todos los haces acústicos individuales. Como se muestra, el haz 108 de hilera tiene un gran angular o un amplio campo de visión (FOV) en el plano que es perpendicular al eje longitudinal del transductor. El FOV del transductor 100 es dependiente del tamaño de abertura de la abertura 110 acústica formada por los elementos 104 activos acústicos. En la forma preferida, el transductor acústico es capaz de proyectar un haz de hilera que tiene una intensidad acústica de campo lejano que es sustancialmente uniforme dentro del FOV.
En cuanto al ancho del haz 108 de hilera en la dirección perpendicular al FOV (o en la página a lo largo del eje longitudinal del transductor 100), esto es dependientes de la longitud de los elementos 104 activos acústicos y la superficie 106 de radiación. Se apreciará que un transductor 100 más largo producirá un haz de hilera más estrecho en la dirección del eje longitudinal del transductor 100, y viceversa ya que un transductor más corto producirá un haz de hilera más ancho.
Como se mencionó, el transductor 100 acústico comprende una superficie 106 de radiación alargada sustancialmente cóncava que está provista por una disposición cóncava de elementos 104 acústicos activos. En la forma preferida, la superficie 106 de radiación se adapta sustancialmente a una porción o segmento de la superficie externa periférica de un cilindro con un diámetro asociado, y esto se denominará como una "superficie de radiación cilíndrica cóncava". En otras palabras, la superficie de radiación puede en algunas formas ser considerada como semicilíndrica ya que los elementos acústicos activos se adaptan a la superficie externa de un semicilindro. Por ejemplo, se puede decir que los elementos 104 acústicos activos están dispuestos para extenderse radialmente hacia fuera en relación con un segmento de una superficie cilíndrica virtual estando cada elemento igualmente espaciado por un radio desde el eje de cilindro. Típicamente, la superficie de radiación cilíndrica cóncava no se extenderá más de la mitad de la circunferencia completa del cilindro. Sin embargo, se apreciará que la superficie 106 de radiación cóncava alargada no necesita adaptarse necesariamente a un semicilindro y alternativamente puede ser simplemente una superficie de radiación precisa que está curvada hacia dentro y de naturaleza no cilíndrica.
El transductor 100 cilíndrico cóncavo es capaz de producir el mismo haz de hilera de gran angular que el transductor 10 cilíndrico convexo convencional conocido que se muestra en la figura 1, pero con un número menor de elementos 104 acústicos activos y una abertura 110 acústica más pequeña, que tiene un ancho indicado mediante flechas 112. Solamente a modo de ejemplo, el transductor cilíndrico convexo convencional conocido de la figura 1 requeriría un tamaño mínimo de 10-12 longitudes de onda de la frecuencia operativa en diámetro y una abertura 20 mucho más amplia en relación con el transductor 100 cilíndrico cóncavo de la figura 2 que puede generar un haz de hilera que tiene el mismo FOV con un tamaño de superficie de radiación cilíndrica cóncava de aproximadamente 2.5 longitudes de onda en diámetro. Junto con los beneficios generales de ser un transductor más pequeño, la abertura 110 acústica más pequeña permite la aplicación de corrección de directividad para la supresión de lóbulos laterales y direccionamiento de haz electrónico a lo largo del eje longitudinal o cilíndrico del transductor usando técnicas de arreglo en fase.
Las formas más preferidas del transductor acústico de la invención se describirán ahora con mayor detalle, solamente a modo de ejemplo.
Primera forma preferida - transductor acústico monocanal
Con referencia a las figuras 3A y 3B, ahora se describirá un primer transductor 200 acústico monocanal de forma preferida. En la primera forma preferida, el transductor 200 acústico comprende una estructura 202 de soporte que soporta un arreglo de múltiples elementos 204 acústicos activos que están dispuestos para proporcionar una superficie 206 de radiación cóncava alargada para proteger y/o recibir haces de hilera acústica. Preferiblemente, los elementos 204 acústicos activos están en una disposición cilíndrica cóncava de tal manera que proporcionan una superficie de radiación cilíndrica cóncava de un diámetro predeterminado para una frecuencia operativa predeterminada o rango de frecuencias operativas. La estructura de soporte puede ser cualquier forma de material de soporte de arreglo de transductores conocido adecuado o sistema mecánico para soportar el arreglo de elementos acústicos activos en su lugar. En la primera forma preferida, la estructura de soporte se proporciona en y alrededor de los elementos 204 acústicos activos de tal manera que se aíslen acústicamente entre sí. La estructura de soporte puede comprender cualquier material acústicamente aislante como se apreciará por los expertos en la técnica. Solamente a modo de ejemplo, la estructura de soporte puede ser formada a partir de materiales poliméricos porosos rígidos.
La superficie 206 de radiación puede estar ya sea expuesta directamente al medio acústico o expuesta indirectamente a través de una o más capas de protección. Se apreciará que el medio acústico a través del cual se propagan los haces acústicos cuando son proyectados desde el transductor o recibidos por el transductor. Si son empleadas capas de protección, estas pueden ser fijadas, aseguradas o formadas a través de la superficie de radiación de diversas formas, dependiendo de los requisitos de diseño. Se apreciará que pueden ser usados métodos de aseguramiento mecánicos u otros para asegurar las capas de protección a la superficie 206 de radiación, que incluyen, pero no se limitan a, adhesivos o técnicas de moldeo. A modo de ejemplo, la cavidad o abertura 210 acústica proporcionada por la superficie 206 de radiación alargada cóncava puede estar opcionalmente llenada al menos parcialmente con una capa 212 de protección. Por ejemplo, si el transductor 200 es empleado como un transductor subacuático, la capa 212 de protección puede ser formada a partir de caucho que es formulado para ser acústicamente transparente en agua. Para transductores de transmisión subacuáticos, el grosor de la capa 212 de protección puede ser variado de acuerdo con la potencia operativa del transductor 200 de tal manera que se evite la cavitación en la zona de alta intensidad de los haces acústicos. Se apreciará que una capa 212 de protección no es necesariamente esencial, pero puede mejorar el rendimiento del transductor para condiciones operativas particulares.
Como se mencionó, el ancho y abertura de la abertura 210 acústica define el FOV o ángulo de cobertura del haz de hilera de campo lejano proyectado por el transductor 200 acústico, en el plano perpendicular al eje longitudinal del transductor (figura 3A). Se apreciará que el número de elementos 204 acústicos activos en el arreglo puede ser variado
de acuerdo con el diámetro de la superficie de radiación cilindrica cóncava requerida para cualquier aplicación particular y frecuencias operativas.
El ancho o foco del haz de hilera de campo lejano o haz sónico proyectado por el transductor 200 acústico, en el plano que comprende el eje longitudinal del transductor (figura 3B), es dependiente de la longitud global de la superficie 206 de radiación proporcionada por los elementos 204 acústicos activos alargados como se indica en general mediante flechas 214. En particular, un transductor más largo produce un haz de hilera de ancho más estrecho en la dirección perpendicular al FOV, y viceversa para un transductor de menor longitud.
En resumen, se apreciará que la longitud de los elementos 204 acústicos activos y la dimensión de la abertura acústica asociada con la superficie 206 de radiación pueden ser modificados o configurados para proyectar un haz de hilera de campo lejano específico que tiene un FOV y ancho predeterminados para una frecuencia operativa particular.
En la primera forma preferida, cada elemento 204 acústico activo en el arreglo puede ser cualquier forma de elemento transductor acústico operable. Los elementos 204 acústicos activos son preferiblemente idénticos en forma y tamaño, aunque esto no es necesario en formas alternativas del transductor. A modo de ejemplo, cada elemento 204 acústico activo puede ser en la forma de una estructura continúa alargada que se extiende sustancialmente por toda la longitud del transductor. Cada estructura alargada puede comprender una pieza o capa de material activamente acústico, tal como una placa 204a de cerámica piezoeléctrica alargada. Cada placa 204a de cerámica piezoeléctrica tiene una superficie 216a frontal dirigida hacia la superficie 206 de radiación y una superficie 216b posterior opuesta dirigida hacia la parte inferior del transductor como se muestra en la figura 3A. Opcionalmente, cada estructura del elemento 204 acústico activo puede comprender además una capa coincidente o elemento 204b proporcionado en la superficie 216a frontal de la placa 204a de cerámica piezoeléctrica para formar la superficie 206 de radiación efectiva. Sin embargo, se apreciará que el material acústico activo de los elementos 204 pueden formar directa y colectivamente la superficie 206 de radiación con o sin una o más capas coincidentes o extensiones en formas alternativas del transductor. Se apreciará que la capa 204b coincidente de los elementos 204 puede ser formada a partir de cualquier material que tenga una impedancia acústica específica adecuada incluyendo, solamente a modo de ejemplo, polímeros, metales, óxidos, y materiales compuestos.
Aunque no se muestra, cada elemento 204 acústico activo también comprende electrodos frontal y trasero que hacen sándwich el material 204a acústico activo entre sus superficies frontal 216a y trasera 216b. Adicionalmente, se proporcionan conexiones eléctricas a los electrodos de cada elemento 204 acústico activo para permitir que los elementos sean accionados en un modo activo para generar ondas acústicas o haces, o alternativamente para recibir señales eléctricas en respuesta a la excitación del material acústico activo mediante ondas acústicas recibidas o haces incidentes sobre la superficie 206 de radiación en un modo pasivo. En la primera forma preferida, la distancia de centro a centro entre elementos 204 acústicos activos adyacentes preferiblemente no debe exceder aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la frecuencia operativa.
Como se apreciará, el transductor 200 acústico puede comprender además un sistema de control que está conectado eléctricamente a los electrodos de cada uno de los elementos 204 acústicos activos. El sistema de control tiene circuitos electrónicos que son operables para generar señales de accionamiento para aplicar a los electrodos de los elementos 204 acústicos activos para hacer de esa manera que cada elemento genere y proyecte una onda o haz acústico a la frecuencia operativa deseada para aplicaciones acústicas conocidas. Adicional o alternativamente, el sistema de control puede estar dispuesto para recibir señales eléctricas generadas por los elementos 204 acústicos activos en respuesta a la recepción de haces acústicos en la superficie 206 de radiación y estos pueden procesarse de acuerdo con las técnicas conocidas de transductores acústicos para diversas aplicaciones acústicas.
En una forma alternativa, se apreciará que los elementos acústicos activos pueden ser elementos magnetoestrictivos o cualquier otro tipo de elemento transductor acústico operable para generar y/o recibir haces acústicos.
En operación del primer transductor 200 de forma preferida, el arreglo cóncavo de elementos 204 acústicos activos alargados es accionado por el sistema de control, a través de señales de accionamiento que son aplicadas a los electrodos de los elementos, para generar haces acústicos individuales y que producen un haz de hilera que es una superposición de todos los haces acústicos individuales. Más específicamente, los elementos 204 acústicos activos que se adaptan a la superficie de radiación cilíndrica cóncava son excitados para producir una onda sónica dentro de la cavidad 210 mediante las señales de accionamiento. El campo sónico producido como resultado de la excitación eléctrica e interacción acústica entre los elementos 204 piezoeléctricos forma un frente de onda acústica cilíndrica convergente. El frente de onda se propaga a través de la zona focal (en o alrededor del eje de cilindro) y luego se vuelve divergente. A una distancia mucho mayor que la longitud de onda y tamaño del transductor, es decir en el campo lejano, la intensidad acústica de la onda acústica (haz de hilera) es sustancialmente uniforme dentro de un ángulo amplio (o FOV), cuyo ancho depende de abertura de cilindro como se mencionó previamente.
En resumen, el arreglo cóncavo de elementos 204 acústicos activos del transductor 200 proporciona una pequeña abertura para generar haces de hilera de alta potencia que tienen un FOV amplio y una respuesta sustancialmente uniforme sobre el FOV.
Segunda forma preferida - transductor acústico multicanal
Con referencia a las figuras 4A y 4B, se describirá un segundo transductor 300 acústico de forma preferida. El segundo transductor 300 acústico de forma preferido es sustancialmente similar en construcción al primer transductor 200 acústico de forma preferida y los componentes similares han sido numerados con números de referencia similares. La principal diferencia es que el transductor 300 acústico es un transductor multicanal que tiene funcionalidad de control de haz electrónico en la forma de direccionamiento de haces y control de ancho de haz de hilera variable como se explicará con más detalle.
Con referencia a la figura 4A, el transductor 300 acústico comprende un arreglo de elementos 304 acústicos activos operables que se extienden radialmente hacia fuera desde la superficie 206 de radiación alargada cilíndrica cóncava como antes. Sin embargo, el transductor 300 acústico no emplea elementos 304 acústicos activos alargados continuos que se extienden sustancialmente a la longitud del transductor similar al transductor 200 acústico monocanal. En el transductor 300 acústico multicanal, una línea de múltiples (N) elementos 3040-n acústicos activos se proporciona para cada orientación de elemento de arreglo alrededor del eje cilíndrico de la superficie 206 de radiación. Cada línea de elemento 3040-n acústico activo está aislada eléctrica y acústicamente entre sí a lo largo de la longitud del transductor.
El número de elementos 3040-n acústicos individuales en cada línea es preferiblemente idéntico y las líneas de elementos acústicos activos individuales están preferiblemente alineadas con respecto entre sí a lo largo de la longitud del transductor para proporcionar de esa manera una serie de segmentos de arreglo cóncavos de elementos acústicos activos a lo largo de la longitud del transductor. En otras palabras, cada línea de elementos 3040-n acústicos activos que se extienden a lo largo de la longitud del transductor puede ser considerada como una columna radial de elementos (figura 4A), y los elementos activos de cada columna radial están dispuestos en N filas circunferenciales (figura 4B) sobre la superficie 210 de radiación cilíndrica cóncava. Cada fila circunferencial de elementos 3040-n acústicos activos puede considerarse como un segmento de arreglo cóncavo.
En la segunda forma preferida, se proporciona preferiblemente un sistema de control para operar y accionar los elementos 3040-n acústicos activos. El sistema de control del transductor 300 acústico puede ser operado para activar o desactivar cualquiera de los N segmentos de arreglo cóncavos para controlar de esa manera la longitud efectiva de la superficie 206 de radiación y de esa manera el ancho del haz de hilera en la dirección del eje longitudinal en el transductor (figura 4B). Por ejemplo, el sistema de control puede estar dispuesto o configurado para desactivar uno o más de los N segmentos de arreglo cóncavos en uno o ambos extremos para reducir de esa manera la longitud efectiva de la superficie 206 de radiación y de esa manera ampliar el ancho del haz de hilera proyectado.
Adicional o alternativamente, el sistema de control puede estar dispuesto para emplear técnicas de arreglo en fase para aplicar señales de accionamiento en fases diferenciadas a través de los segmentos de arreglo cóncavos con el fin de direccionar haces del haz de hilera o ampliar el ancho de haz en la dirección del eje longitudinal de transductor. Por ejemplo, cuando se aplica fase uniforme a través de todos los segmentos de arreglo cóncavos activos, el haz de hilera de campo lejano se propaga desde la superficie 206 de radiación en un ángulo sustancialmente perpendicular al eje longitudinal central del transductor 300 como se muestra por la flecha designada con 0°. Sin embargo, las señales de accionamiento de fase diferencial pueden ser aplicadas a través de los segmentos de arreglo cóncavos activos a lo largo de la longitud del transductor para alterar de esa manera el ángulo (D) de propagación del haz de hilera alrededor de un eje que es transversal al eje longitudinal de transductor o ampliar el ancho de haz en la dirección del eje longitudinal de transductor.
En resumen, el transductor 300 acústico multicanal proporciona la generación de haces de hilera acústica direccionables y de ancho variable.
La figura 5A muestra un patrón de directividad de campo lejano de un haz de hilera proyectado por un transductor 300 acústico a una frecuencia operativa de 160 kHz para ángulos de direccionamiento D = 0°, 7.7°, 15.5°, y 23.7°. Los patrones de directividad representan la respuesta acústica del haz de hilera en un plano que comprende el eje longitudinal o cilíndrico del transductor (figura 4B). La figura 5B muestra el patrón de directividad de campo lejano de un haz de hilera proyectado por el transductor 300 acústico a una frecuencia operativa de 160 kHz en el plano perpendicular al eje longitudinal o cilíndrico del transductor, o más particularmente muestra el FOV con referencia a la figura 4A. Como se muestra en la figura 5B, el haz de hilera tiene una respuesta sustancialmente uniforme para un gran angular de aproximadamente 100° en este ejemplo. Se apreciará que la respuesta uniforme de gran angular o FOV puede estrecharse o ampliarse de acuerdo con los requisitos.
Formas alternativas
Se apreciará que la superficie de radiación alargada cóncava del transductor acústico de la invención puede estar formada alternativamente por otras disposiciones y configuraciones de arreglo de elementos acústicos activos que se adaptan a una superficie de radiación cóncava o cóncava preferiblemente cilíndrica. Se apreciará que los elementos acústicos activos preferiblemente deberían formar colectivamente una superficie de radiación continua o sustancialmente continua. Sin embargo, el transductor acústico aún puede operar con espaciados entre las superficies frontales del arreglo de elementos activos que forman la superficie de radiación colectiva, aunque este puede no ser el diseño óptimo para ciertas aplicaciones.
Aplicaciones de ejemplo
El transductor acústico de la divulgación está preferiblemente dispuesto para generar y/o recibir haces de hilera de alta potencia a través de una pequeña abertura. Este tipo de transductor acústico puede ser empleado en sonar o en cualquier otro dispositivo o aplicación acústica subacuática. Además, el transductor acústico también puede operar en cualquier medio acústico incluyendo agua o, en un ejemplo que no forma parte de la invención reivindicada, aire. En un ejemplo que no forma parte de la invención reivindicada, el transductor acústico puede ser empleado como un transductor acústico de gran angular para acústica de aire en aplicaciones de audio.
Se apreciará que dos o más transductores pueden ser acoplados en conjunto en una disposición lineal o curva de lado a lado produciendo cada uno su propio haz de hilera y proporcionando de esa manera un campo de visión global más amplio siendo un transductor omnidireccional el ejemplo extremo. Por ejemplo, múltiples transductores acoplados pueden ser útiles para aplicaciones de escaneo lateral bajo el agua.
La descripción anterior de la invención incluye formas preferidas de la misma. Se pueden hacer modificaciones a la misma sin apartarse del alcance de la invención como se define por las reivindicaciones acompañantes.
Claims (18)
1. Un transductor (100) acústico de haz de hilera subacuático para proyectar y recibir haces (108) de hilera acústica de campo lejano a través del agua, que comprende:
un arreglo de elementos (104) acústicos activos que están dispuestos para proporcionar colectivamente una superficie (106) de radiación cóncava alargada con una abertura (110) acústica asociada, siendo cada elemento (104) acústico activo operable para proyectar un haz acústico individual de la superficie de radiación hacia una zona focal del transductor (100); y
un sistema de control que está conectado eléctricamente a los elementos (104) acústicos activos y que está configurado para generar señales de accionamiento eléctricas para accionar cada uno de los elementos (104) acústicos activos de tal manera que se proyecten haces (108) de hilera acústica de campo lejano a través del agua desde el transductor (100), siendo los haces (108) de hilera acústica de campo lejano una superposición de todos los haces acústicos individuales de tal que en el campo lejano, más allá de la zona focal y la abertura (110) acústica, los haces (108) de hilera acústica tienen una vista de campo amplio en un plano que es transversal a una dirección longitudinal de la superficie (106) de radiación, un ancho más estrecho en una dirección perpendicular al campo de visión amplio, y una intensidad acústica que es uniforme a través del campo de visión, y en donde el sistema de control está configurado además para recibir y procesar señales eléctricas de los elementos acústicos activos que son generadas en respuesta a los haces de hilera recibidos por la superficie (106) de radiación que son reflejados de vuelta desde el campo lejano.
2. Un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con la reivindicación 1 en donde la superficie (106) de radiación es una superficie de radiación cilíndrica cóncava en la que la superficie de radiación se adapta a la superficie externa periférica de un semicilindro, y en donde los elementos (104) acústicos activos están dispuestos alrededor de la superficie de radiación semicilíndrica cóncava estando cada elemento igualmente espaciado uno con respecto al otro sobre la superficie (106) de radiación.
3. Un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con la reivindicación 1 o reivindicación 2 en donde el arreglo de elementos (104) acústicos activos está dispuesto para proporcionar una superficie (106) de radiación continua.
4. Un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde cada elemento (204) acústico activo es un elemento transductor acústico que comprende material (204a) acústico activo acoplado entre electrodos que son eléctricamente excitables, y en donde cada elemento (204) acústico está provisto de una o más capas (204b) coincidentes acopladas directa o indirectamente al material (204a) acústico activo, estando la una o más capas coincidentes dispuestas para proporcionar una coincidencia de impedancia entre el transductor (200) y el agua a través de la cual los haces acústicos se propagan.
5. Un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con la reivindicación 4 en donde cada elemento (204) acústico activo comprende una capa (204b) coincidente situada entre la superficie (206) de radiación y el material (204a) acústico activo.
6. Un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde los elementos (204) acústicos activos están aislados acústicamente entre sí dentro de una estructura (202) de soporte que soporta el arreglo de elementos acústicos activos.
7. Un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde cada elemento (204) acústico activo en el arreglo es recto y alargado, y en donde la longitud de cada elemento acústico activo se extiende por toda la longitud de la superficie (206) de radiación.
8. Un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con la reivindicación 7 en donde el transductor está dispuesto para producir un haz de hilera que tiene un ancho fijo en la dirección de un eje (214) longitudinal de la superficie (206) de radiación.
9. Un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con la reivindicación 7 en donde cada elemento (304) acústico activo recto y alargado está formado colectivamente a partir de una línea de múltiples elementos acústicos activos individuales que están aislados acústica y eléctricamente entre sí a lo largo de la longitud del transductor (300), y en donde las líneas de elementos acústicos activos individuales están alineadas con respecto entre sí a lo largo de la longitud del transductor (300) para proporcionar de esa manera una serie de segmentos de arreglo cóncavos operables selectivamente de elementos acústicos activos a lo largo de la longitud del transductor (300).
10. Un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el sistema de control es operable para activar o desactivar uno cualquiera o más de los segmentos de arreglo cóncavos de elementos (304) acústicos activos para controlar de esa manera la longitud efectiva de la superficie (206) de radiación y por consiguiente el ancho del haz de hilera propagado en la dirección de un eje (214) longitudinal de la superficie (206) de radiación.
11. Un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con la reivindicación 9 o reivindicación 10 en donde el sistema de control es operable para aplicar señales de accionamiento en fases diferenciadas a los segmentos de arreglo cóncavos de elementos (304) acústicos activos para direccionar de esa manera el haz de hilera propagado en la dirección (D) deseada alrededor de un eje transversal a un eje (214) longitudinal de la superficie (206) de radiación.
12. Un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde los elementos (204) acústicos activos son accionados por el sistema de control a una frecuencia operativa predeterminada y el arreglo de elementos (204) acústicos activos están dispuestos de tal manera que la distancia de centro a centro entre elementos acústicos adyacentes alrededor de la superficie (206) de radiación no es mayor que la mitad de la longitud de onda de la frecuencia operativa.
13. Un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde la superficie (206) de radiación forma la abertura (210) acústica a través de la cual son proyectados y recibidos haces de hilera acústica y el transductor comprende además una o más capas (212) de protección que están dispuestas para llenar al menos parcialmente la abertura (210) acústica de tal manera que la superficie (206) de radiación está expuesta indirectamente a través de la una o más capas (212) de protección al agua a través de la cual se propagan los haces de hilera acústica proyectados y recibidos.
14. Un transductor acústico de haz de hilera subacuático de acuerdo con la reivindicación 13 en donde al menos una de las capas (212) de protección está formada de caucho que está formulado para ser acústicamente transparente en el agua para permitir que el transductor (200) opere bajo el agua.
15. Un método de proyección y recepción de haces de hilera acústica de campo lejano a través del agua que comprende:
exponer un transductor (100, 200, 300) acústico de haz de hilera subacuático, comprendiendo el transductor:
un arreglo de elementos (104) acústicos activos que están dispuestos para proporcionar colectivamente una superficie (106) de radiación cóncava alargada con una abertura (110) acústica asociada, siendo cada elemento (104) acústico activo operable para proyectar un haz acústico individual de la superficie de radiación hacia una zona focal del transductor (100); y
un sistema de control que está conectado eléctricamente a los elementos (104) acústicos activos y que está configurado para generar señales de accionamiento eléctricas para accionar cada uno de los elementos (104) acústicos activos de tal manera que se proyecten haces (108) de hilera acústica de campo lejano a través del agua desde el transductor (100), siendo los haces (108) de hilera acústica de campo lejano una superposición de todos los haces acústicos individuales de tal manera que en el campo lejano, más allá de la zona focal y abertura (110) acústica, los haces (108) de hilera acústica tienen una vista de campo amplio en un plano que es transversal a una dirección longitudinal de la superficie (106) de radiación, un ancho más estrecho en una dirección perpendicular al campo de visión amplio, y una intensidad acústica que es uniforme a través del campo de visión, y en donde el sistema de control está configurado además para recibir y procesar señales eléctricas de los elementos acústicos activos que son generadas en respuesta a haces de hilera recibidos por la superficie (106) de radiación que son reflejados de vuelta desde el campo lejano;
accionar, usando el sistema de control, el arreglo de elementos (104, 204, 304) acústicos activos del transductor para proyectar un haz de hilera de campo lejano a través del agua, teniendo el haz de hilera un campo de visión amplio en un plano que es transversal a una dirección longitudinal de la superficie (106, 206) de radiación del transductor y en donde una intensidad acústica de campo lejano del haz de hilera es uniforme a través del campo de visión; y
recibir y procesar señales eléctricas de los elementos acústicos activos que son generadas en respuesta a los haces de hilera recibidos por la superficie (106) de radiación que son reflejados de vuelta desde el campo lejano.
16. Un método de proyección y recepción de haces de hilera acústica de campo lejano a través del agua de acuerdo con la reivindicación 15 en donde el transductor está formado por una serie de segmentos de arreglo cóncavos operables selectivamente de elementos (304) acústicos activos a lo largo de la longitud del transductor (300).
17. Un método de proyección y recepción de haces de hilera acústica de campo lejano a través del agua de acuerdo con la reivindicación 16 que comprende además la etapa de accionar, usando el sistema de control, un número seleccionado de segmentos de arreglo cóncavos adyacentes para controlar de esa manera la longitud efectiva de la superficie (206) de radiación y por consiguiente el ancho del haz de hilera propagado en la dirección de un eje (214) longitudinal de la superficie (206) de radiación.
18. Un método de proyección y recepción de haces de hilera acústica de campo lejano a través del agua de acuerdo con la reivindicación 16 o reivindicación 17 que comprende además la etapa de direccionar, usando el sistema de control, el haz de hilera propagado en la dirección deseada alrededor de un eje transversal a un eje (214) longitudinal de la superficie (206) de radiación aplicando señales de accionamiento en fases diferenciadas a los segmentos de arreglo cóncavos.
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