一種深水復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)基陣及基于該基陣的透聲方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種深水復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)基陣及基于該基陣的透聲方法，所述聲學(xué)基陣包含：軸對稱圓柱殼體，該軸對稱殼體由上殼體6和下殼體5組成；隔震去耦層4，設(shè)置于軸對稱圓柱殼體的內(nèi)腔底面上；前輻射板2，位于隔震去耦層4的上層，且與基元1固定相連；其中，所述基元1的頂端與軸對稱圓柱殼體的上表面相距一定距離；所述軸對稱圓柱殼體的底面為金屬表面。本發(fā)明優(yōu)點在于，在保證聲學(xué)基陣基本的性能前提下，可以大大提高聲學(xué)基陣的可靠性和使用壽命，可以提高基陣的發(fā)射功率容量，可以提高基陣的耐靜水壓能力，使得基陣能工作在深水環(huán)境。本發(fā)明設(shè)計的聲學(xué)基陣在工程實際中具有較大的應(yīng)用價值。
【專利說明】一種深水復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)基陣及基于該基陣的透聲方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聲學(xué)傳感器領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種深水復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)基陣。

【背景技術(shù)】
[0002]自主水下航行器是世界各國大力發(fā)展的海洋運載器，在海洋保護(hù)、海洋資源開發(fā)等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價值。導(dǎo)航問題是水下航行器應(yīng)用所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一，導(dǎo)航能力是水下航行器有效工作與安全回收的重要要求。
[0003]多普勒測速儀是利用多普勒效應(yīng)測量水下航行器航速的一種導(dǎo)航設(shè)備，其基本原理是，以一定傾角向海底發(fā)射聲波束，接收海底回波信號，測出發(fā)射信號和接收信號的頻率偏移量，從而解算出水下航行器的航行速度。用這種方法，可以測得水下航行器相對于海底的絕對速度，測量精度較高。這對于航行器在海上航行中的計程及定位，對于大中小型船舶低速安全進(jìn)港和靠岸，都有重要的作用。
[0004]水聲換能器聲學(xué)基陣是多普勒測速儀的核心部件，在工作時，聲學(xué)基陣既做發(fā)射器同時也做接收器使用。影響多普勒測速儀測量精度的主要技術(shù)參數(shù)有工作頻率、波束傾角及寬度、發(fā)射功率及波形等。工作頻率與多普勒頻移、波束開角和傳播衰減有直接關(guān)系。在一定航速下，工作頻率越高，多普勒頻移越大，測速精度越高；工作頻率高時，波束開角窄，測速精度高，也有利于減小換能器陣的尺寸；但是頻率越高，聲傳播衰減越大，要求的發(fā)射功率就越大。波束開角寬度(_3dB)的選取也要綜合考慮。開角小，多普勒頻譜寬度減小，測速精度高；但開角過小，受航行器的搖擺影響大，難以接收到足夠的回波信號，而且會加大換能器尺寸。航行器在淺水區(qū)時，可以發(fā)生連續(xù)波信號，測速精度比較高；在深水區(qū)時，宜采用脈沖波方式，以便減小平均功率。
[0005]可見，多普勒測速儀所使用的聲學(xué)基陣，要求有較高的工作頻率、較小的波束開角和較大的發(fā)射功率。另外，由于聲學(xué)基陣一般固定安裝在航行器的下部，造成了日常維修和防護(hù)等方面的困難，所以可靠性問題也是聲學(xué)基陣的設(shè)計工作中要考慮的最重要的問題。
[0006]通常的聲學(xué)基陣設(shè)計中，換能器陣由若干個基元按照一定的排列規(guī)律組成，陣元的輻射面包覆一層防水透聲橡膠層，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、安裝方便、透聲性能較好。但缺點也同樣明顯，防水透聲橡膠層的可靠性和防磕碰性能較差，聲學(xué)基陣的耐靜水壓能力較差，一般僅能工作在幾十米的淺水區(qū)。特別是當(dāng)基陣的尺寸較大時，橡膠層的制作工藝比較困難，對硫化工藝的技術(shù)水平要求較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于，提供一種全新的、適合深水應(yīng)用的多普勒測速儀的聲學(xué)基陣結(jié)構(gòu)。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種深水復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)基陣，所述聲學(xué)基陣包含:軸對稱圓柱殼體、隔震去耦層4、前輻射板2和基元I ;所述軸對稱圓柱殼體，該軸對稱殼體由上殼體6和下殼體5組成；所述隔震去耦層4，設(shè)置于軸對稱圓柱殼體的內(nèi)腔底面上；所述前輻射板2，位于隔震去耦層4的上層，且與基元I固定相連；其中，所述基元I的頂端與軸對稱圓柱殼體的上表面相距一定距離；所述軸對稱圓柱殼體的底面為金屬表面。
[0009]上述前輻射板2上設(shè)置一定深度的凹槽作為去耦槽，所述基元I位于若干去耦槽所形成的正方形塊體上。
[0010]上述軸對稱圓柱殼體的上表面設(shè)置一開口，該開口處利用彈性材料封堵最終形成耐靜水壓力的壓力平衡窗8;
[0011]其中，所述壓力平衡窗8的結(jié)構(gòu)包含:向軸對稱圓柱殼體外部凸出的半球形。
[0012]上述軸對稱圓柱殼體中填滿填充液7。
[0013]上述的前輻射板2上設(shè)置若干個螺紋孔，該螺紋孔用于與穿過基元I的預(yù)應(yīng)力螺桿配合，進(jìn)而將基元I緊固在前輻射板2上。
[0014]上述隔震去耦層4為“凹”字形結(jié)構(gòu)，且該“凹”字形結(jié)構(gòu)的陷進(jìn)去的部分用于設(shè)置前輻射板2。
[0015]上述基元I為復(fù)合棒式換能器基元，該復(fù)合棒式換能器基元包含圓柱形壓電陶瓷柱；其中，所述前輻射板2與所述圓柱形壓電陶瓷柱采用環(huán)氧樹脂相互粘連，實現(xiàn)基元I與前輻射板2的固定相連。
[0016]所述上殼體6和下殼體5采用鈦合金或不銹鋼制成；所述前輻射板2采用鈦合金、鋼、銅或硬鋁制成；所述彈性材料和隔震去耦層采用聚氨酯或橡膠材料制成；所述填充液7選用硅油、蓖麻油或輕蠟油。
[0017]此外,本發(fā)明還提供一種基于上述聲學(xué)基陣的透聲方法，所述方法包含:
[0018]換能器基元I通電產(chǎn)生縱向振動；所述基元I帶動前輻射板2振動，通過隔震去耦層4和下殼體5實現(xiàn)聲學(xué)基陣的聲福射。
[0019]上述方法還包含:采用壓力平衡窗8及軸對稱圓柱殼體填充的填充液7，保證基陣殼體內(nèi)外部的壓力平衡。
[0020]綜上所述，本發(fā)明的最大特色在于，前輻射板2、隔震去耦層4和下殼體5組合成為全新的透聲窗結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)不但保證了聲學(xué)基陣基本的透聲效果，而且相當(dāng)于在外表面加了一層金屬罩殼，使得整個聲學(xué)基陣具有耐腐蝕、耐沖擊、防德碰等優(yōu)點。對于長期浸泡在海水中的聲學(xué)基陣，能夠提高電絕緣特性和屏蔽性能，能夠大大提高聲學(xué)基陣的使用壽命和可靠性。隔震去耦層4的加入，減少了外界環(huán)境對聲學(xué)基陣的聲干擾和振動干擾。本發(fā)明將多個復(fù)合棒式換能器基元I以復(fù)合的方式緊固在一塊前輻射板2上，提高了換能器基元的發(fā)射功率容量，減少了基元安裝的復(fù)雜性，可以保證換能器基元的一致性。壓力平衡窗8的設(shè)計和填充液7的注入，使得基陣外部的水壓通過壓力平衡窗8的橡膠結(jié)構(gòu)傳遞到內(nèi)部的填充液7，利用填充液體7的不可壓縮性，聲學(xué)基陣內(nèi)外的壓力保持平衡，極大的提高了聲學(xué)基陣的耐靜水壓能力，使得聲學(xué)基陣工作在深水環(huán)境成為可能，拓展了基陣的工程應(yīng)用范圍。壓力平衡窗8設(shè)計成凸半球形并具有一定的彈性，作用是使聲學(xué)基陣能夠自適應(yīng)填充液隨溫度變化而產(chǎn)生的體積變化，保護(hù)基陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受到壓力破壞。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢在于:
[0022]本發(fā)明優(yōu)點在于，有利于提高基元一致性、嚴(yán)格控制基元間距，提高基陣的發(fā)射功率容量，提高基陣的耐靜水壓能力及抗振動、沖擊能力，大大提高聲學(xué)基陣的可靠性和使用壽命。本發(fā)明設(shè)計的聲學(xué)基陣在工程實際中具有較大的應(yīng)用價值。本發(fā)明提供的全新結(jié)構(gòu)設(shè)計思想也可以類推應(yīng)用于其他相關(guān)換能器及基陣的設(shè)計當(dāng)中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明實施例提供的聲學(xué)基陣結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明實施例提供的復(fù)合棒式換能器基元安裝示意圖。
[0025]圖3是本發(fā)明實施例提供的圓柱形壓電陶瓷基元粘接示意圖。
[0026]附圖標(biāo)志:
[0027]1、基元 2、前輻射板 3、預(yù)應(yīng)力螺釘
[0028]4、隔震去耦層 5、下殼體 6、上殼體
[0029]7、填充液 8、壓力平衡窗 9、壓電陶瓷
[0030]10、后質(zhì)量塊

【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。
[0032]本發(fā)明技術(shù)方案中的上殼體6及下殼體5名稱中的“上”和“下”僅是為了描述方便進(jìn)行的命名，并不實際限定兩者的位置關(guān)系。
[0033]實施例1，
[0034]上殼體和下殼體組成軸對稱圓柱殼體，該軸對稱圓柱殼體內(nèi)腔底面設(shè)置前福射板2-隔震去稱層4-下殼體5三層復(fù)合結(jié)構(gòu)體，該三層復(fù)合結(jié)構(gòu)作為聲學(xué)透聲窗，再將基兀I固定于聲學(xué)透聲窗的前福射板2中進(jìn)而實現(xiàn)不同于現(xiàn)有技術(shù)的透聲策略。
[0035]實施例2，
[0036]采用壓力平衡窗8和填充液7，使得基陣外部的水壓通過壓力平衡窗8的橡膠結(jié)構(gòu)傳遞到內(nèi)部的填充液，利用填充液7的不可壓縮性，聲學(xué)基陣內(nèi)外的壓力保持平衡，極大的提高了聲學(xué)基陣的耐靜水壓能力，使得聲學(xué)基陣工作在深水環(huán)境成為可能，拓展了基陣的工程應(yīng)用范圍，因此提供如下的實施例。
[0037]本發(fā)明提供一種深水復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)基陣，該聲學(xué)基陣包括下殼體5、上殼體6、隔震去耦層4、前輻射板2、基元1、預(yù)應(yīng)力螺桿3、壓力平衡窗8和填充液7，所述下殼體5具有薄壁的金屬表面；所述前輻射板2與下殼體5之間填充有隔震去耦層4，組合成“前輻射板2-隔震去耦層4-下殼體5”三層復(fù)合結(jié)構(gòu)體作為聲學(xué)透聲窗；所述前輻射板2上加工有一定深度的凹槽作為去耦槽，所有的基元I安裝在凹槽所形成的正方形塊體上并且共用同一個前輻射板2作為輻射面；所述的上殼體6上安裝有壓力平衡窗8 ;所述的下殼體5和上殼體6形成的空腔內(nèi)填滿填充液7。
[0038]作為本發(fā)明的一個改進(jìn)，所述的壓力平衡窗8可以制作成向外凸出的半球形。
[0039]上述技術(shù)方案，所述的前輻射板2上加工有若干個螺紋孔；所述的基元I采用復(fù)合棒式換能器結(jié)構(gòu)，所有基元I通過預(yù)應(yīng)力螺桿3緊固在前輻射板2上并提供預(yù)應(yīng)力；所述的換能器基元I也可以將圓柱形壓電陶瓷柱采用環(huán)氧樹脂直接粘接到前輻射板2上。
[0040]上述技術(shù)方案，所述下殼體5采用耐海水腐蝕、高強(qiáng)度的金屬材料制成，通常情況下選用鈦合金或不銹鋼等；所述上殼體6的材料通常與下殼體5的材料保持一致；所述前輻射板2采用高強(qiáng)度的金屬材料制成，通常情況下選用鈦合金、鋼、銅和硬鋁等；所述壓力平衡窗8采用防水、耐海水腐蝕、彈性較好的非金屬材料制成，通常情況下選用聚氨酯或橡膠材料等；所述隔震去耦層4采用透聲性能好、彈性較好并具有粘接性能的非金屬材料，通常情況下選用聚氨酯或橡膠材料等。所述填充液7 —般包括硅油、蓖麻油、輕蠟油等。
[0041 ] 上述技術(shù)方案，所述的下殼體5和上殼體6之間安裝有水密O型圈，通過若干個緊固螺釘使接觸面具有較強(qiáng)的水密性能。
[0042]實施例3
[0043]如圖1所示，下殼體5和上殼體6由鈦合金材料加工成軸對稱圓柱殼，將兩個圓柱殼開口端對接形成一容納基元I的腔體，所述下殼體5的下表面(即軸對稱圓柱殼體的內(nèi)腔底面)要加工成較薄壁厚，例如5mm厚度；兩殼體間安裝有O型圈保證水密，由20個MlO的鈦合金螺釘進(jìn)行軸向緊固，形成密閉內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。前輻射板2用鈦合金材料加工成1mm厚圓盤形狀，上表面加工有2mm寬、3mm深的溝槽，溝槽間形成了 96個正方形凸臺，凸臺中心加工有內(nèi)螺紋孔。前輻射板2的具體厚度和直徑、正方形凸臺的尺寸和基元的數(shù)量均由聲學(xué)基陣的技術(shù)參數(shù)所決定，包括頻率、波束傾角等。隔震去耦層4由透聲聚氨酯材料灌注而成，要保證聚氨酯與下殼體5和前輻射板2的兩個接觸面粘接牢固且不能存在氣泡?；狪由預(yù)應(yīng)力螺釘3穿心緊固在前輻射板2的正方形凸臺上，并提供機(jī)械預(yù)應(yīng)力。考慮到聲學(xué)基陣要保持發(fā)射特性和接收特性的平衡，壓電陶瓷9采用PZT5材料制成中空圓柱形。后質(zhì)量塊10由黃銅材料制成，徑向尺寸與壓電陶瓷9的尺寸保持一致。壓力平衡窗8由橡膠材料模具硫化制成，安裝在上殼體6中心開孔處，壓力平衡窗8設(shè)計成向外凸出的半球形，安裝時，要保證凸球形方向向外。圖1中的壓力平衡窗8可以直接固定于上殼體6的開口上。
[0044]聲學(xué)基陣內(nèi)部所有基元I的分組連線工作完成后，測量聲學(xué)基陣各通道的電容值和絕緣特性。將硅油填充液7注入殼體內(nèi)腔，通過抽真空方式去除硅油中的氣泡。當(dāng)聲學(xué)基陣工作時，基元I通電后產(chǎn)生縱向振動，所有復(fù)合的基元I帶動前輻射板2振動，通過隔震去率禹層-下殼體的透聲窗結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了聲學(xué)基陣的聲福射。通過控制基兀I的排列分組方式和驅(qū)動相位的變化，可以實現(xiàn)預(yù)期的基陣波束形成。壓力平衡窗8和填充液7的設(shè)計，保證了基陣殼體內(nèi)外部的壓力平衡，壓力平衡窗8在結(jié)構(gòu)上設(shè)計成凸半球形，解決了填充液7隨溫度變化產(chǎn)生的體積變化而帶來的內(nèi)部壓力問題。
[0045]本發(fā)明為一種全新的輻射板-隔震去耦層-下殼體的透聲窗一體結(jié)構(gòu)和全新的基陣復(fù)合設(shè)計，通過以上的創(chuàng)新設(shè)計，解決了聲學(xué)基陣的透聲問題與基陣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的矛盾，大大提高了聲學(xué)基陣的可靠性和使用壽命，提高了聲學(xué)基陣在水中的耐靜水壓能力，適合深水應(yīng)用。
[0046]最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種深水復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)基陣，其特征在于，所述聲學(xué)基陣包含: 軸對稱圓柱殼體，該軸對稱殼體包含上殼體(6)和下殼體(5)； 隔震去耦層(4)，設(shè)置于軸對稱圓柱殼體的內(nèi)腔底面上； 前輻射板(2)，位于隔震去耦層(4)的上層，且與基元(I)固定相連； 其中，所述基元(I)的頂端與軸對稱圓柱殼體的上表面相距一定距離；所述軸對稱圓柱殼體的底面為金屬表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深水復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)基陣，其特征在于，所述的前輻射板(2)上設(shè)置一定深度的凹槽作為去耦槽，所述基元(I)位于若干去耦槽所形成的正方形塊體上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深水復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)基陣，其特征在于，所述軸對稱圓柱殼體的上表面設(shè)置一開口，該開口處利用彈性材料封堵最終形成耐靜水壓力的壓力平衡窗(8)； 其中，所述壓力平衡窗(8)為向軸對稱圓柱殼體外部凸出的半球體，所述軸對稱圓柱殼體中填滿填充液(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深水復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)基陣，其特征在于，所述的前輻射板(2)上設(shè)置若干個螺紋孔，該螺紋孔用于與穿過基元(I)的預(yù)應(yīng)力螺桿配合，進(jìn)而將基元(I)緊固在前輻射板(2)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深水復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)基陣，其特征在于，所述隔震去耦層(4)為“凹”字形結(jié)構(gòu)，且該“凹”字形結(jié)構(gòu)的陷進(jìn)去的部分用于設(shè)置前輻射板(2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深水復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)基陣，其特征在于，所述基元(I)為復(fù)合棒式換能器基元，該復(fù)合棒式換能器基元包含圓柱形壓電陶瓷柱； 其中，所述前輻射板(2)與所述圓柱形壓電陶瓷柱采用環(huán)氧樹脂相互粘連，實現(xiàn)基元(O與前輻射板(2)的固定相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的深水復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)基陣，其特征在于， 所述上殼體(6)和下殼體(5)采用鈦合金或不銹鋼制成； 所述前輻射板(2)采用鈦合金、鋼、銅或硬鋁制成； 所述壓力平衡窗(8)和隔震去耦層(4)采用聚氨酯或橡膠材料制成； 所述填充液(7)選用硅油、蓖麻油或輕蠟油。
8.一種基于權(quán)利要求1的聲學(xué)基陣的透聲方法，所述方法包含: 換能器基元(I)通電產(chǎn)生縱向振動； 所述基元(I)帶動前輻射板(2)振動，通過隔震去耦層(4)和下殼體實現(xiàn)聲學(xué)基陣的聲輻射。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的聲學(xué)基陣的透聲方法，其特征在于，所述方法還包含: 采用壓力平衡窗(8)及軸對稱圓柱殼體填充的填充液(7)，保證基陣殼體內(nèi)外部的壓力平衡。
【文檔編號】H04R1/44GK104284272SQ201310293923
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月12日
【發(fā)明者】劉永平, 張運強(qiáng), 莫喜平 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所