TWI383525B - 聲納系統 - Google Patents

Description

聲納系統

本發明涉及一種聲納系統，尤其涉及一種主動聲納系統。

聲納系統係採用聲波進行探測的裝置。聲納系統在汽車監視器、魚雷定位、水中探測等領域有著廣泛應用。由於光和電磁波在水中衰減很快，而聲波衰減較慢，故，聲納系統成為水下監視使用的主要技術，用於對水下目標進行探測、分類、定位和跟蹤。

按工作方式聲納系統可分為主動聲納系統和被動聲納系統。主動聲納系統指聲納系統主動發射聲波"照射"目標，而後接收水中目標反射的回波以測定目標的參數。被動聲納系統指聲納系統被動接收艦艇等水中目標產生的輻射噪音和水聲設備發射的訊號，以測定目標的方位。

主動聲納系統一般由發射基陣、接收基陣、電子機櫃和輔助設備四部分組成。其中，發射基陣和接收基陣分別包括複數個換能器，由複數個換能器以一定幾何圖形排列組合而成，其外形通常為球形、柱形、平板形或線列行。電子機櫃一般有發射、接收、顯示和控制等系統。輔助設備包括電源設備，連接電纜，水下接線箱和增音機，與發射基陣或接收基陣的傳動控制相配套的升降、回轉、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等裝置，及聲納導流罩等。

換能器係發射基陣及接收基陣中的重要器件，它係聲能 與其他形式的能如機械能、電能、磁能等相互轉換的裝置。換能器有兩個用途：一係在水下發射聲波，稱為“發射換能器”，相當於空氣中的揚聲器；二係在水下接收聲波，稱為“接收換能器”，相當於空氣中的傳聲器(俗稱“麥克風”或“話筒”)。發射基陣包括發射換能器陣列，接收基陣包括接收換能器陣列。

先前的換能器的工作原理係利用某些材料在電場或磁場的作用下發生伸縮的壓電效應或磁致伸縮效應。目前，常用的換能器為由壓電陶瓷製備的壓電換能器、由稀土合金製備的超磁致伸縮換能器及由鐵電體材料製備的電致伸縮換能器。然而，上述換能器通常需要電場或磁場才能夠工作，故，需要專門提供電場或磁場的原件，導致採用該換能器的聲納系統結構複雜。而且上述換能器採用壓電陶瓷，稀土合金或鐵電體材料製備，導致採用該換能器的聲納系統重量較大。

有鑒於此，提供一種結構簡單且重量較小的聲納系統實為必要。

一種聲納系統，其包括：至少一發射基陣用於發射聲波；至少一接收基陣用於接收聲波；及一電子機櫃用於控制所述發射基陣和接收基陣工作，其中，所述發射基陣包括至少一奈米碳管發射換能器，所述奈米碳管發射換能器包括：一發聲元件，該發聲元件包括一奈米碳管結構；及至少兩個間隔設置的電極，且所述發聲元件與至少兩個電極電連接。

一種聲納系統，其包括：至少一發射基陣用於發射聲波；至少一接收基陣用於接收聲波；及一電子機櫃用於控制所述發射基陣和接收基陣工作，其中，所述發射基陣包括：一絕緣基底；複數個行電極與複數個列電極設置於絕緣基底的表面，該複數個行電極與複數個列電極相互交叉設置，每兩個相鄰的行電極與每兩個相鄰的列電極形成一個網格，且行電極與列電極之間電絕緣；及複數個奈米碳管發射換能器，每個奈米碳管發射換能器對應一個網格設置，每個奈米碳管發射換能器包括：一第一電極、一第二電極和一發聲元件；所述第一電極與第二電極絕緣間隔設置於所述每個網格中，且分別與所述行電極和列電極電連接；所述發聲元件與所述第一電極和第二電極電連接，且所述發聲元件包括一奈米碳管結構。

與先前技術相比，本發明提供的採用奈米碳管發射換能器作為發射基陣的聲納系統中，奈米碳管發射換能器通過熱聲效應發聲，無需專門提供電場或磁場的元件，故，採用該奈米碳管發射換能器的聲納系統結構簡單，且重量較輕。

以下將結合附圖對本發明提供的聲納系統作進一步的詳細說明。

請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種聲納系統30，其包括至少一發射基陣306、至少一接收基陣308，一電子機櫃302及收容該發射基陣306、接收基陣308和電子機 櫃302的水下載體304。所述發射基陣306和接收基陣308分別與電子機櫃302通過電纜(圖未示)相連接。當所述聲納系統30在水下工作時可通過一吊放系統(圖未示)放入水中。所述水下載體304保護上述發射基陣306、接收基陣308和電子機櫃302不被水破壞。當所述聲納系統30包括複數個發射基陣306和複數個接收基陣308時，每一個發射基陣306與一接收基陣308成對設置於水下載體304的不同方位。本實施例中，所述聲納系統30僅包括一個發射基陣306和一個接收基陣308。

所述發射基陣306包括至少一奈米碳管發射換能器40，請參閱圖2。所述發射基陣306用來將電訊號轉換為聲波訊號，並發射出去。所述接收基陣308包括一接收換能器陣列。所述接收換能器陣列可為線陣或矩陣。所述接收換能器陣列中的接收換能器可為由壓電陶瓷製備的壓電換能器、由稀土合金製備的超磁致伸縮換能器及由鐵電體材料製備的電致伸縮換能器中的一種或多種。本實施例中，所述接收基陣308包括8×8個(共8行，每行8個)由壓電陶瓷製備的壓電換能器。所述接收基陣308的工作頻率範圍為30KHz至1200KHz。所述接收基陣308用來接收聲波訊號，並將聲波訊號轉換為電訊號。

請參閱圖2，本實施例中，所述奈米碳管發射換能器40為一平面發射換能器，其包括一第一電極402，一第二電極404及一與該第一電極402和第二電極404分別電連接的發聲元件406。所述發聲元件406包括一奈米碳管結構。該奈米碳管結構具有較大的比表面積，從而具有與介質 接觸的較大表面積。所述奈米碳管結構的單位面積熱容小於2×10^-4焦耳每平方厘米開爾文，優選地，所述奈米碳管結構的單位面積熱容小於或等於1.7×10^-6焦耳每平方厘米開爾文。

所述奈米碳管結構為一自支撐結構。所謂“自支撐結構”即該奈米碳管結構無需通過一支撐體支撐，也能保持自身特定的形狀。該自支撐結構的奈米碳管結構包括複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管通過凡德瓦爾力相互吸引，從而使奈米碳管結構具有特定的形狀。所述奈米碳管結構中的奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或多種。所述單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~50奈米，所述雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~50奈米，所述多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。所述奈米碳管的長度不限，優選地，奈米碳管的長度大於100微米。該奈米碳管結構可為面狀或線狀結構。由於該奈米碳管結構具有自支撐性，故該奈米碳管結構在不通過支撐體支撐時仍可保持面狀或線狀結構。由於該奈米碳管結構中的奈米碳管具有很好的柔韌性，使得該奈米碳管結構具有很好的柔韌性，可彎曲折疊成任意形狀而不破裂。

所述奈米碳管結構包括至少一奈米碳管膜、至少一奈米碳管線狀結構或其組合。具體地，所述奈米碳管膜可為奈米碳管拉膜、奈米碳管絮化膜或奈米碳管碾壓膜。所述奈米碳管線狀結構可包括至少一個奈米碳管線。當奈米碳管線狀結構包括複數個奈米碳管線時，複數個奈米 碳管線平行排列組成束狀結構或複數個奈米碳管線相互扭轉組成絞線結構。當奈米碳管結構包括複數個奈米碳管膜時，所述複數個奈米碳管膜可層疊設置或共面設置。當奈米碳管結構僅包括一個奈米碳管線狀結構時，該奈米碳管線狀結構可折疊或盤繞形成一層狀結構。當奈米碳管結構包括複數個奈米碳管線狀結構時，所述複數個奈米碳管線狀結構可相互平行設置、交叉設置或編織設置形成一層狀結構。當奈米碳管結構同時包括奈米碳管膜和奈米碳管線狀結構時，所述奈米碳管線狀結構可設置於至少一奈米碳管膜的至少一表面。所述奈米碳管結構的長度，寬度及厚度不限，可根據實際需要製備。

所述奈米碳管膜包括均勻分佈的奈米碳管，奈米碳管之間通過凡德瓦爾力緊密結合。該奈米碳管膜中的奈米碳管為無序排列或有序排列。這裏的無序排列指奈米碳管的排列無規則，這裏的有序排列指至少多數奈米碳管的排列方向具有一定規律。具體地，當奈米碳管膜包括無序排列的奈米碳管時，奈米碳管相互纏繞或者該奈米碳管膜為各向同性；當奈米碳管膜包括有序排列的奈米碳管時，奈米碳管沿一個方向擇優取向排列或者該奈米碳管膜包括複數個部分，每個部分中的奈米碳管沿同一方向擇優取向排列，相鄰兩個部分中的奈米碳管的排列方式可相同或不同。

請參閱圖3，所述奈米碳管拉膜為從奈米碳管陣列中直接拉取獲得的一種具有自支撐性的奈米碳管膜。每一奈米碳管膜包括複數個基本相互平行且基本平行於奈米碳管 膜表面排列的奈米碳管。具體地，所述奈米碳管膜包括複數個通過凡德瓦爾力首尾相連且基本沿同一方向擇優取向排列的奈米碳管。每一奈米碳管拉膜包括複數個連續且定向排列的奈米碳管片段。該複數個奈米碳管片段通過凡德瓦爾力首尾相連。每一奈米碳管片段包括複數個相互平行的奈米碳管，該複數個相互平行的奈米碳管通過凡德瓦爾力緊密結合。該奈米碳管片段具有任意的寬度、厚度、均勻性及形狀。所述奈米碳管拉膜的厚度為0.5奈米~100微米，寬度與拉取該奈米碳管拉膜的奈米碳管陣列的尺寸有關，長度不限。所述奈米碳管拉膜及其製備方法具體請參見范守善等人於2007年2月12日申請的，於2008年8月16日公開的第TW200833862號台灣公開專利申請“奈米碳管膜結構及其製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露亦應視為本發明申請技術揭露的一部分。

當所述奈米碳管結構包括層疊設置的多層奈米碳管拉膜時，相鄰兩層奈米碳管拉膜中的擇優取向排列的奈米碳管之間形成一交叉角度α，且α大於等於0度小於等於90度(0°≦α≦90°)。

本發明實施例的奈米碳管結構可包括複數個沿相同方向層疊設置的奈米碳管拉膜，從而使奈米碳管結構中的奈米碳管均沿同一方向擇優取向排列。本實施例中，所述奈米碳管結構為一單層奈米碳管拉膜。

所述奈米碳管碾壓膜包括均勻分佈的奈米碳管，奈米碳管沿同一方向擇優取向排列、奈米碳管碾壓膜為各向同 性，或該奈米碳管膜包括複數個部分，每個部分中的奈米碳管沿同一方向擇優取向排列，相鄰兩個部分中的奈米碳管的排列方式可相同或不同。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管相互部分交疊，並通過凡德瓦爾力相互吸引，緊密結合，使得該奈米碳管結構具有很好的柔韌性，可彎曲折疊成任意形狀而不破裂。且由於奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引，緊密結合，使奈米碳管碾壓膜為一自支撐的結構。所述奈米碳管碾壓膜可通過碾壓一奈米碳管陣列獲得。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管與形成奈米碳管陣列的生長基底的表面形成一夾角β，其中，β大於等於0度且小於等於15度(0≦β≦15°)，該夾角β與施加在奈米碳管陣列上的壓力有關，壓力越大，該夾角越小，優選地，該奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管平行於該生長基底排列。該奈米碳管碾壓膜中奈米碳管的長度大於50微米。所述奈米碳管碾壓膜及其製備方法具體請參見范守善等人於2007年6月29日申請的，於2009年1月1日公開的第TW200900348號台灣專利申請“奈米碳管薄膜的製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露亦應視為本發明申請技術揭露的一部分。

所述奈米碳管結構可包括至少一奈米碳管絮化膜，該奈米碳管絮化膜包括相互纏繞且均勻分佈的奈米碳管。奈米碳管的長度大於10微米，優選地，奈米碳管的長度大於等於200微米且小於等於900微米。所述奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引、纏繞，形成網絡狀結構。所 述奈米碳管絮化膜中的奈米碳管為均勻分佈，無規則排列，使得該奈米碳管絮化膜各向同性。由於在奈米碳管絮化膜中，奈米碳管相互纏繞，故，該奈米碳管絮化膜具有很好的柔韌性，且為一自支撐結構，可彎曲折疊成任意形狀而不破裂。所述奈米碳管絮化膜的面積及厚度均不限，厚度為1微米~1毫米，優選為100微米。所述奈米碳管絮化膜及其製備方法具體請參見范守善等人於2007年5月11日申請的，於2008年11月16日公開的第TW200844041號台灣專利申請“奈米碳管薄膜的製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露亦應視為本發明申請技術揭露的一部分。

所述奈米碳管線包括複數個沿奈米碳管線軸向定向排列的奈米碳管。所述奈米碳管線可為非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線。該非扭轉的奈米碳管線為將奈米碳管拉膜通過有機溶劑處理得到。請參閱圖4，該非扭轉的奈米碳管線包括複數個沿奈米碳管線軸向排列的奈米碳管，即奈米碳管的軸向與奈米碳管線的軸向基本平行。該扭轉的奈米碳管線為採用一機械力將所述奈米碳管拉膜兩端沿相反方向扭轉獲得。請參閱圖5，該扭轉的奈米碳管線包括複數個繞奈米碳管線軸向螺旋排列的奈米碳管，即奈米碳管的軸向沿奈米碳管線的軸向螺旋延伸。該非扭轉的奈米碳管線與扭轉的奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米~100微米。所述奈米碳管線及其製備方法具體請參見范守善等人於2002年11月5日申請的，於2008年11月21日公告的第I303239號台灣公告專利“ 一種奈米碳管繩及其製造方法”，及於於2005年12月16日申請的，於2007年7月1日公開的第TW200724486號台灣公開專利申請“奈米碳管絲及其製作方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露亦應視為本發明申請技術揭露的一部分。

進一步地，可採用一揮發性有機溶劑處理該扭轉的奈米碳管線。在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，處理後的扭轉的奈米碳管線中相鄰的奈米碳管通過凡德瓦爾力緊密結合，使扭轉的奈米碳管線的直徑及比表面積減小，密度及強度增大。

由於該奈米碳管線為採用有機溶劑或機械力處理上述奈米碳管拉膜獲得，該奈米碳管拉膜為自支撐結構，故，該奈米碳管線為自支撐結構。

所述第一電極402與第二電極404的具體結構和形式不限，其可為導線、導電片、導電膜等。所述導線可為奈米碳管線，所述導電膜可為奈米碳管膜。進一步，所述奈米碳管發射換能器40還可包括一支撐結構410，所述第一電極402、第二電極404及發聲元件406設置於該支撐結構410上。由於奈米碳管發射換能器40為一平面發射換能器，其發出的聲波具有很好的定向性，故，可採用單個大面積的奈米碳管發射換能器40代替先前的發射基陣。

本實施例中，所述第一電極404與第二電極406為金屬銅片，所述支撐結構410為一玻璃板，所述奈米碳管結構為一16層相互重疊設置的奈米碳管拉膜，且相鄰奈米碳管 拉膜中的奈米碳管之間具有90度夾角。所述第一電極404與第二電極406分別與一導線408電連接。

可理解，所述奈米碳管發射換能器40還可包括複數個第一電極404與複數個第二電極406共面設置，第一電極404與第二電極406平行間隔設置，且複數個第一電極404電連接，複數個第二電極406電連接。

所述奈米碳管發射換能器40可在氣態介質或液態介質中工作。由於所述碳奈米結構的單位面積熱容小於2×10^-4焦耳每平方厘米開爾文，當所述發聲元件406接收到訊號後，所述發聲元件406中的奈米碳管結構將電能轉換為熱能，並迅速與周圍的介質產生熱交換，使周圍介質的密度發生改變。當所述訊號為週期變化的交流電訊號或經過調製後的音頻電訊號時，所述奈米碳管結構產生的熱能也會同步發生改變，使所述發聲元件406周圍的介質的密度也會產生變化，從而發出聲波。

當所述奈米碳管發射換能器40在氣態介質中工作時，其發聲頻率範圍為1赫茲至10萬赫茲(即1Hz~100kHz)。圖6為採用長寬均為30毫米且奈米碳管首尾相連且沿同一方向擇優取向排列的奈米碳管膜用作所述發聲元件406，輸入電壓為50伏時，將一麥克風放在距發聲元件406大約5厘米的位置時測得的所述奈米碳管發射換能器40的頻率回應特性曲線。從圖6中可看出，所述發聲元件406的聲壓級大於50分貝，甚至可達105分貝，所述發聲元件406發聲頻率範圍為100赫茲至10萬赫茲(即100Hz~100kHz)，所述奈米碳管發射換能器40在500赫茲~4萬赫茲頻率範 圍內的失真度可小於3%，具有較好的發聲效果。由此可見，該奈米碳管發射換能器40能夠發出頻率大於10千赫茲的超聲波，可用作發射基陣。

當所述奈米碳管發射換能器40在液態介質中工作時，可全部浸沒在液態介質(圖未示)中。利用液態介質良好的導熱性，可對所述發聲元件406及時散熱。為保證所述發聲元件406的電熱轉換效率，所述液態介質的電阻率應大於2×10^-2歐姆‧米。優選地，所述液態介質為非電解質溶液、純水、海水、淡水及有機溶劑中的一種或任意組合。在本實施例中，所述液態介質為純水。所述純水不僅電導率達到1.5×10⁷歐姆‧米，且所述純水的比熱容也較大，可迅速吸收奈米碳管結構表面的熱量，對所述奈米碳管結構進行快速散熱。

圖7為所述奈米碳管發射換能器40在純水水面下0.1厘米的深度時分別加40 V、50 V及60 V電壓得到的頻率回應特性曲線。所述奈米碳管發射換能器40的發聲元件406為採用16層同向重疊設置的奈米碳管拉膜所製成。在靠近所述水面的地方設置一麥克風用於測試所述奈米碳管發射換能器40自所述水面下發出的聲波。從圖7可看出，所述發聲元件406的發聲強度超過60分貝每瓦聲壓級，最高可達95分貝每瓦聲壓級。所述發聲元件406在水中也可發出頻率大於10千赫茲以上的超聲波。故，所述奈米碳管發射換能器40可用作發射基陣。可理解，本發明還可通過一旋轉裝置(圖未示)控制該奈米碳管發射換能器40，使其可旋轉至任意方向，或在聲納系統的四個方位、 八個方位或複數個方位分別設置奈米碳管發射換能器40，從而實現對複數個方向的探測。

可選擇地，本實施例中，所述奈米碳管發射換能器40還可為一立體發射換能器。請參閱圖8，本發明實施例提供的聲納系統30採用一種立體奈米碳管發射換能器50。該立體奈米碳管發射換能器50可包括四個棒狀電極502，即第一電極502a，第二電極502b，第三電極502c及第四電極502d。所述第一電極502a，第二電極502b，第三電極502c及第四電極502d空間平行間隔設置。所述發聲元件504環繞所述第一電極502a，第二電極502b，第三電極502c及第四電極502d設置，並與所述第一電極502a，第二電極502b，第三電極502c及第四電極502d分別電連接，形成一環形發聲元件504。任意兩個相鄰的電極均分別與一發射機(圖未示)的兩端電連接，以使位於相鄰電極之間的發聲元件504接入輸入訊號。具體地，先將不相鄰的兩個電極電連接後與所述發射機的一端電連接，剩下的兩個電極電連接後與所述發射機的另一端電連接。本實施例中，可先將所述第一電極502a及第三電極502c電連接後與所述發射機的一端電連接，再將所述第二電極502b及第四電極502d電連接後與所述發射機的另一端電連接。上述連接方式可實現相鄰電極之間的奈米碳管結構的並聯。並聯後的奈米碳管結構具有較小的電阻，可降低工作電壓。可理解，所述奈米碳管發射換能器50的電極數量不限於四個，只要電極數量大於兩個即可，如：電極數量還可為五個、六個、八個等。由於上述奈 米碳管發射換能器50的奈米碳管結構為一立體結構，且該立體奈米碳管結構包括複數個面朝向不同方位，可同時向複數個方向傳播聲波，故，採用該奈米碳管發射換能器50的聲納系統30可無需旋轉裝置而對複數個方位進行探測。可理解，所述奈米碳管結構也可通過支撐柱(圖未示)形成一立體結構，並將該奈米碳管結構與兩個電極電連接。

請參閱圖9，所述電子機櫃302包括主控電腦、硬碟、感測器、輸入輸出控制器、處理器、A/D轉換器、發射機及接收機。本實施例中，所述處理器為高速數字訊號處理器。所述A/D轉換器為多通道A/D轉換器。所述感測器包括姿態感測器或/和溫度感測器。所述電子機櫃302的發射機和接收機分別與發射基陣306和接收基陣308連接，且該發射機和接收機分別通過輸入輸出控制器與主控電腦連接。所述接收機通過A/D轉換器與處理器連接。所述處理器與主控電腦連接。所述硬碟與主控電腦連接。所述感測器與輸入輸出控制器連接。進一步，當所述聲納系統30在水下工作時，主控電腦可通過乙太網與一水上電腦連接。

所述聲納系統30工作過程如下。由主控電腦通過輸入輸出控制器向發射機發出門控訊號，使發射機產生大功率電脈衝訊號。所述電脈衝訊號分別驅動發射基陣306，使發射基陣306發射聲脈衝訊號。發射完畢後，主控電腦命令處理器啟動A/D轉換器。同時，主控電腦通過輸入輸出控制器發出時變增益控制(TGC)訊號。接收機開始接收 由接收基陣308收到的訊號，經過接收機放大、濾波、正交解調後，通過A/D轉換器將該訊號轉換為數字訊號，並輸入到處理器。該處理器對該數字訊號進行處理後，將處理結果輸入到主控電腦並保存至硬碟。同時，感測器的資料也通過輸入輸出控制器傳到主控電腦並保存至硬碟。進一步，所述主控電腦還可通過對感測器傳回的資料進行分析處理後，再次發出門控訊號。

請參閱圖10，本發明第二實施例提供一種聲納系統10，其包括一電子機櫃102，一第一發射基陣106，一第一接收基陣104，一第二發射基陣110，一第二接收基陣108，及收容該電子機櫃102、第一發射基陣106，第一接收基陣104，第二發射基陣110，第二接收基陣108的水下載體100。所述第一發射基陣106，第一接收基陣104，第二發射基陣110，第二接收基陣108分別與電子機櫃102通過電纜(圖未示)相連接。當所述聲納系統10在水下工作時可通過一吊放系統(圖未示)放入水中。本發明第二實施例提供的聲納系統10與本發明第一實施例提供的聲納系統30的結構基本相同，其區別在於所述聲納系統30包括兩個發射基陣和兩個接收基陣，每個發射基陣與一接收基陣對應設置，每對發射基陣與接收基陣設置在聲納系統30的不同部位，且所述發射基陣包括一奈米碳管發射換能器陣列。

請參閱圖11及圖12，本實施例提供一中發射基陣20，其包括一絕緣基底202，複數個行電極204、複數個列電極206及複數個奈米碳管發射換能器220。所述複數個行電 極204與複數個列電極206設置於該絕緣基底202上，並相互平行間隔設置。每兩個相鄰的行電極204與兩個相鄰的列電極206形成一網格214，且每個網格214定位一個奈米碳管發射換能器220，即奈米碳管發射換能器220與網格214一一對應。

所述的絕緣基底202為一絕緣基板，如陶瓷基板、玻璃基板、樹脂基板及石英基板等中的一種。所述絕緣基底202的大小與厚度不限，本領域技術人員可根據實際需要，如根據發射基陣20的預定大小，設置絕緣基底202的尺寸。本實施例中，所述絕緣基底202優選為一石英基板，其厚度約1毫米，邊長為48毫米。

所述複數個行電極204與複數個列電極206相互交叉設置，而且，在行電極204與列電極206交叉處設置有一介質絕緣層216，該介質絕緣層216可確保行電極204與列電極206之間電絕緣，以防止短路。複數個行電極204或列電極206之間可等間距設置，也可不等間距設置。優選地，複數個行電極204或列電極206之間等間距設置。所述行電極204與列電極206為導電材料或塗有導電材料層的絕緣材料。本實施例中，該複數個行電極204與複數個列電極206優選為採用導電漿料列印的平面導電體，且該複數個行電極204的行間距為50微米~2厘米，複數個列電極206的列間距為50微米~2厘米。該行電極204與列電極206的寬度為30微米~100微米，厚度為10微米~50微米。本實施例中，該行電極204與列電極206的交叉角度為10度到90度，優選為90度。本實施例中，可通過絲網列印 法將導電漿料列印於絕緣基底202上製備行電極204與列電極206。該導電漿料的成分包括金屬粉、低熔點玻璃粉和黏結劑。其中，該金屬粉優選為銀粉，該黏結劑優選為松油醇或乙基纖維素。該導電漿料中，金屬粉的重量比為50%~90%，低熔點玻璃粉的重量比為2%~10%，黏結劑的重量比為8%~40%。

所述複數個奈米碳管發射換能器220分別一一對應設置於上述複數個網格214中。每個奈米碳管發射換能器220包括一第一電極210，一第二電極212及一發聲元件208。該第一電極210與第二電極212對應且絕緣間隔設置。每個網格214內的第一電極210和第二電極212之間的距離不限，優選為10微米~2厘米。該發聲元件208設置於第一電極210與第二電極212之間，且分別與第一電極210及第二電極212電連接。該發聲元件208與絕緣基底202間隔設置。所述發聲元件208與絕緣基底202之間的距離不限，優選地，發聲元件208與絕緣基底202之間的距離為10微米~2厘米。本實施例中，同一行的奈米碳管發射換能器220中的第一電極210與同一行電極204電連接，同一列的奈米碳管發射換能器220中的第二電極212與同一列電極206電連接，發聲元件208與絕緣基底202之間的距離為1毫米。

所述發聲元件208包括一奈米碳管結構。所述奈米碳管結構與本發明第一實施例採用的奈米碳管結構相同。

所述第二電極212與第一電極210為導電體，如金屬層等。該第一電極210可為行電極204的延伸部分，該第二電 極212可為列電極206的延伸部分。第一電極210和行電極204可一體成型，第二電極212和列電極206也可一體成型。本實施例中，該第一電極210與第二電極212均為平面導電體，其尺寸由網格214的尺寸決定。該第一電極210直接與行電極204電連接，該第二電極212直接與列電極206電連接。所述第一電極210與第二電極212的長度為20微米~1.5厘米，寬度為30微米~1厘米，厚度為10微米~500微米。優選地，所述第二電極212與第一電極210的長度為100微米~700微米，寬度為50微米~500微米，厚度為20微米~100微米。本實施例中，該第一電極210與第二電極212的材料為導電漿料，通過絲網列印法列印於絕緣基底202上。該導電漿料的成分與上述行電極204，列電極206所用的導電漿料的成分相同。

所述奈米碳管發射換能器220進一步包括複數個固定電極224設置於第一電極210與第二電極212上。該固定電極224與第一電極210或第二電極212一一對應。本實施例中，該固定電極224形狀大小及材料與第一電極210的形狀大小及材料相同。該固定電極224可確保將發聲元件208更牢固地固定在第一電極210與第二電極212上。

本實施例中，在邊長為48毫米的絕緣基底202上製備了8×8個(共8行，每行8個)奈米碳管發射換能器220。每個奈米碳管發射換能器220中的發聲元件208為一奈米碳管拉膜，且每個奈米碳管拉膜的長度為800微米，寬度為300微米。該奈米碳管拉膜中的奈米碳管首尾相連，且從第一電極210向第二電極212延伸。該奈米碳管拉膜可通過 自身的黏性固定於第一電極210與第二電極212上，或通過一導電黏結劑固定於第一電極210與第二電極212上。

進一步，所述發射基陣20還可包括一保護殼(圖未示)設置於絕緣基底202上以覆蓋所述行電極204，列電極206、第一電極210與第二電極212及發聲元件208。所述保護殼可採用具有一定硬度的材料製作，如：金屬或玻璃等。本實施例中，優選地，保護殼上形成複數個開孔，以使發聲元件208發出的聲波有效傳播出去。所述保護殼用來防止該發射基陣20在使用時不會被外力破壞。

所述發射基陣20在使用時，可進一步包括一驅動電路，通過驅動電路可選擇性地對行電極204和列電極206通入電流，使與該行電極204和列電極206電連接的奈米碳管發射換能器220工作，即可使該發射基陣20發出不同相位的聲波，進而實現對不同方位的探測。如果使發射基陣20的所有奈米碳管發射換能器220同時工作，還可進一步提高發射基陣20的發射功率和發射聲波的指向性。

本發明實施例提供的聲納系統可用於魚雷導航、水雷引信，及魚群探測、海洋石油勘探、船舶導航、水下作業、水文測量和海底地質地貌的勘測等方面。

本發明實施例提供的聲納系統具有以下優點：第一，由於奈米碳管發射換能器通過熱聲效應發聲，無需專門提供產生電場或磁場的元件，故，採用該奈米碳管發射換能器的聲納系統結構簡單，且重量較輕。第二，由於奈米碳管發射換能器中的奈米碳管結構可為膜狀，故，可 採用單個大面積的奈米碳管發射換能器作為發射基陣而取代先前的換能器陣列，從而使聲納系統結構簡單，易於製備，有利於降低聲納系統的成本。第三，由於奈米碳管發射換能器將電能轉換為熱能，並迅速與周圍的介質產生熱交換，使周圍介質的密度發生改變從而發出聲波，故，採用該發射換能器的聲納系統發出的聲波具有更好的定向性，從而提高了聲納系統的定位準確性。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10、30‧‧‧聲納系統

100、304‧‧‧水下載體

102、302‧‧‧電子機櫃

104‧‧‧第一接收基陣

106‧‧‧第一發射基陣

108‧‧‧第二接收基陣

110‧‧‧第二發射基陣

20、306‧‧‧發射基陣

202‧‧‧絕緣基底

204‧‧‧行電極

206‧‧‧列電極

208、406、504‧‧‧發聲元件

210、402、502a‧‧‧第一電極

212、404、502b‧‧‧第二電極

214‧‧‧網格

216‧‧‧介質絕緣層

220、40、50‧‧‧奈米碳管發射換能器

224‧‧‧固定電極

308‧‧‧接收基陣

408‧‧‧導線

410‧‧‧支撐結構

502‧‧‧棒狀電極

502c‧‧‧第三電極

502d‧‧‧第四電極

圖1為本發明第一實施例提供的聲納系統的結構示意圖。

圖2為本發明第一實施例提供的聲納系統的平面發射換能器的結構示意圖。

圖3為本發明第一實施例提供的聲納系統採用的奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。

圖4為本發明第一實施例的聲納系統採用的非扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。

圖5為本發明第一實施例的聲納系統採用的扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。

圖6為圖2的平面發射換能器在空氣中的頻率回應特性曲線。

圖7為圖2的平面發射換能器在水中的頻率回應特性曲線。

圖8為本發明第一實施例提供的聲納系統的立體發射換能器的結構示意圖。

圖9為本發明第一實施例提供的聲納系統的方框圖。

圖10為本發明第二實施例的聲納系統的結構示意圖。

圖11為本發明第二實施例提供的聲納系統的發射基陣的俯視圖。

圖12為沿圖11中XII-XII線的剖面圖。

30‧‧‧聲納系統

302‧‧‧電子機櫃

304‧‧‧水下載體

306‧‧‧發射基陣

308‧‧‧接收基陣

Claims (23)

1. 一種聲納系統，其包括：至少一發射基陣用於發射聲波；至少一接收基陣用於接收聲波；及一電子機櫃用於控制所述發射基陣和接收基陣工作；其改良在於，所述發射基陣包括至少一奈米碳管發射換能器，所述奈米碳管發射換能器包括：一發聲元件，該發聲元件包括一奈米碳管結構用於將電能轉換為熱能，並加熱周圍介質從而改變介質密度發出聲波；及至少兩個間隔設置的電極，且所述發聲元件與至少兩個電極電連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述的聲納系統，其中，所述奈米碳管結構包括至少一奈米碳管膜、至少一奈米碳管線狀結構或其任意組合。
3. 如申請專利範圍第2項所述的聲納系統，其中，所述奈米碳管膜包括複數個基本相互平行且平行於奈米碳管膜表面的奈米碳管。
4. 如申請專利範圍第2項所述的聲納系統，其中，所述奈米碳管膜包括複數個通過凡德瓦爾力首尾相連且基本沿同一方向擇優取向排列的奈米碳管。
5. 如申請專利範圍第2項所述的聲納系統，其中，所述奈米碳管膜包括複數個相互纏繞的奈米碳管。
6. 如申請專利範圍第2項所述的聲納系統，其中，所述奈米碳管線狀結構包括至少一奈米碳管線，所述奈米碳管線包括複數個奈米碳管沿該奈米碳管線長度方向平行排列或呈螺旋狀排列。
7. 如申請專利範圍第1項所述的聲納系統，其中，所述奈米碳管結構的單位面積熱容小於2×10^-4焦耳每平方厘米開爾文。
8. 如申請專利範圍第1項所述的聲納系統，其中，所述奈米碳管結構的單位面積熱容小於1.7×10^-6焦耳每平方厘米開爾文。
9. 如申請專利範圍第1項所述的聲納系統，其中，所述奈米碳管發射換能器進一步包括一支撐結構，所述至少兩個電極及發聲元件設置於該支撐結構並通過支撐結構支撐。
10. 如申請專利範圍第1項所述的聲納系統，其中，所述電極數量大於三個，所述電極共面設置且間隔的兩個電極電連接。
11. 如申請專利範圍第1項所述的聲納系統，其中，所述奈米碳管結構為一立體結構，且該立體奈米碳管結構包括複數個朝向不同方位的面。
12. 如申請專利範圍第1項所述的聲納系統，其中，所述接收基陣包括一接收換能器陣列，所述接收換能器陣列中的接收換能器為壓電換能器、超磁致伸縮換能器及電致伸縮換能器中的一種或多種。
13. 如申請專利範圍第1項所述的聲納系統，其中，所述聲納系統進一步包括一水下載體，所述電子機櫃、發射基陣及接收基陣收容於該水下載體中。
14. 如申請專利範圍第1項所述的聲納系統，其中，所述電子機櫃包括主控電腦、硬碟、感測器、輸入輸出控制器、處理器、A/D轉換器、發射機及接收機。
15. 一種聲納系統，其包括： 至少一發射基陣用於發射聲波；至少一接收基陣用於接收聲波；及一電子機櫃用於控制所述發射基陣和接收基陣工作；其改良在於，所述發射基陣包括：一絕緣基底；複數個行電極與複數個列電極設置於絕緣基底的表面，該複數個行電極與複數個列電極相互交叉設置，每兩個相鄰的行電極與每兩個相鄰的列電極形成一個網格，且行電極與列電極之間電絕緣；及複數個奈米碳管發射換能器，每個奈米碳管發射換能器對應一個網格設置，每個奈米碳管發射換能器包括：一第一電極、一第二電極和一發聲元件；所述第一電極與第二電極絕緣間隔設置於所述每個網格中，且分別與所述行電極和列電極電連接；所述發聲元件與所述第一電極和第二電極電連接，且所述發聲元件包括一奈米碳管結構。
16. 如申請專利範圍第15項所述的聲納系統，其中，所述行電極與列電極的交叉角度為10度到90度。
17. 如申請專利範圍第15項所述的聲納系統，其中，所述發聲元件與絕緣基底間隔設置。
18. 如申請專利範圍第15項所述的聲納系統，其中，所述奈米碳管發射換能器進一步包括複數個固定電極設置於第一電極與第二電極上。
19. 如申請專利範圍第15項所述的聲納系統，其中，所述行電極與列電極交叉處設置有一介質絕緣層。
20. 如申請專利範圍第15項所述的聲納系統，其中，所述複數個行電極之間等間距設置，所述複數個列電極之間等間距設置。
21. 如申請專利範圍第15項所述的聲納系統，其中，所述第一電極為行電極的延伸部分，所述第二電極為列電極的延伸部分。
22. 如申請專利範圍第21項所述的聲納系統，其中，所述第一電極和行電極一體成型，所述第二電極和列電極一體成型。
23. 如申請專利範圍第15項所述的聲納系統，其中，所述發射基陣進一步包括一設置於絕緣基底的保護殼，該保護殼用於保護所述行電極，列電極、第一電極以及第二電極及發聲元件。