一种突破衍射极限的水下声准直器制造技术

本发明专利技术涉及一种突破衍射极限的水下声准直器，信号耦合在相应的发射换能器中，所述水下声准直器包含由梯度超构材料制成的第一换能机构和第二换能机构；所述第一换能机构包含实心的方形基座，所述方形基座设置有换能阵列，所述换能阵列包含矩形阵列设置的多个换能件，所述换能件为圆锥形实心结构，所有的所述换能件的底圆面的半径相同，所有的所述换能件的高度相同；所述第二换能机构与所述第一换能机构的结构相同，且所述第二换能机构与所述第二换能机构上下对称设置，上下对应的所述换能件抵接设置。件抵接设置。件抵接设置。

【技术实现步骤摘要】
一种突破衍射极限的水下声准直器


[0001]本专利技术涉及水声换能领域，具体指有一种突破衍射极限的水下声准直器。

技术介绍

[0002]水声换能器是能把声能和电能(或者两种不同形式的能量)进行互相转换的器件，可用于水下目标探测、水下通信等领域。
[0003]但实际应用的水声换能器却有着以下几方面的缺点：(1)传统水声换能器为了匹配压电材料与工作介质水之间的阻抗，通常采用四分之一波长匹配层，从而导致了窄带效应。并且由于单层匹配层材料的声阻抗的不连续性和单一性，往往并不能实现声波的全透射，仍然有一部分的声能量被反射而导致透射声波的声强衰减。(2)由θ＝arcsin(1.22λ/D)可知换能器有衍射极限的限制，且在单位距离的情况下物体分辨率d＝θ，故换能器的水下探测分辨率与机械尺寸(即辐射面直径)和发射频率都成反比，导致现有换能器在尺寸与声波频率的兼顾设置上具有局限性。传统的换能器要突破衍射极限，需要引入大量的有源相控阵，会使结构设计变得非常复杂。
[0004]针对上述的现有技术存在的问题设计一种突破衍射极限的水下声准直器是本专利技术研究的目的。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术在于提供一种突破衍射极限的水下声准直器，能够有效解决上述现有技术存在的问题。
[0006]本专利技术的技术方案是：
[0007]一种突破衍射极限的水下声准直器，信号耦合在相应的发射换能器中，所述水下声准直器包含由梯度超构材料制成的第一换能机构和第二换能机构；
[0008]所述第一换能机构包含实心的方形基座，所述方形基座设置有换能阵列，所述换能阵列包含矩形阵列设置的多个换能件，所述换能件为圆锥形实心结构，所有的所述换能件的底圆面的半径相同，所有的所述换能件的高度相同；
[0009]所述第二换能机构与所述第一换能机构的结构相同，且所述第二换能机构与所述第二换能机构上下对称设置，上下对应的所述换能件抵接设置。
[0010]进一步地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述换能阵列的晶格常数a为0.2λ
‑
0.3λ。
[0011]进一步地，所述换能件的高度为200mm
‑
220mm。
[0012]进一步地，所述换能件的底圆面的半径为4.7mm
‑
4.9mm。
[0013]进一步地，所述方形基座设置有换能阵列放置区，所述换能阵列放置区的长为420mm
‑
460mm，所述换能阵列放置区的宽为240mm
‑
280mm，所述换能阵列设置于所述换能阵列放置区内。
[0014]进一步地，所述方形基座的宽大于所述换能阵列放置区的宽35
‑
45mm，所述方形基
座的长大于所述换能阵列放置区的长35
‑
45mm。
[0015]进一步地，上下的所述方形基座之间设置有支撑杆。
[0016]进一步地，所述第一换能机构和所述第二换能机构采用ABS材料制成。
[0017]进一步地，所述第一换能机构和所述第二换能机构采用声阻抗为3.1Mrayl
‑
3.2Mrayl的ABS材料制成。
[0018]进一步地，所述发射换能器的辐射声波的中心频率为36kHz
‑
40kHz。
[0019]因此，本专利技术提供以下的效果和/或优点：
[0020]1、本专利技术通过对水下声准直器的特定结构设置，设置有上下对称的第一换能机构和第二换能机构，所有的换能件的结构相同且上下对应的换能件相互抵接设置，波前经过了水下准直器的相位调制，声波通过水下准直器后能够同时减小声束宽度且增大主轴声能。通过设计线性声速梯度的方式，可以有效缩短在准直器两端的传播时间从而到达相位控制的效果，原来未经相位调制的声波，经过水下声准直器的相位超前效应，最终形成水下的非衍射束。
[0021]2、本专利技术在700mm、500mm、300mm、100mm和50mm为半径的圆弧处接收水下信号的波束宽度分别约为8.36
°
、7.05
°
、7.72
°
、7.72
°
、8.81
°
，均比加消声板的Echosounder自身波束宽度9.04
°
小。
[0022]3、本专利技术相比能够增益水下换能发射器，增益约有20％，从而提高单位距离情况下的物体分辨率。
[0023]4、本专利技术够对换能器的波束宽度进行有效减小，从而能够保证水声探测器能够降低水面和水底的反射波干扰，也能够增加主瓣能量，实现更长距离的水下声学检测和探测功能。
[0024]应当明白，本专利技术的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本专利技术的进一步的解释。
附图说明
[0025]图1为实施例一的结构示意图。
[0026]图2为实施例一的第一换能机构的结构示意图。
[0027]图3为实施例一的换能件的结构示意图。
[0028]图4为实施例一的波束角度表。
[0029]图5为指向性实验示意图。
[0030]图6为指向性实验的实际照片。
[0031]图7为水下指向性测量的实验结果图。
[0032]图8为水下指向性测量的实验结果图。
具体实施方式
[0033]为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本专利技术的结构作进一步详细描述：
[0034]一种突破衍射极限的水下声准直器，信号耦合在相应的发射换能器中，所述水下声准直器包含由梯度超构材料制成的第一换能机构和第二换能机构；
[0035]所述第一换能机构包含实心的方形基座，所述方形基座设置有换能阵列，所述换能阵列包含矩形阵列设置的多个换能件，所述换能件为圆锥形实心结构，所有的所述换能件的底圆面的半径相同，所有的所述换能件的高度相同；
[0036]所述第二换能机构与所述第一换能机构的结构相同，且所述第二换能机构与所述第二换能机构上下对称设置，上下对应的所述换能件抵接设置。
[0037]进一步地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述换能阵列的晶格常数a为0.2λ
‑
0.3λ。
[0038]进一步地，所述换能件的高度为200mm
‑
220mm。
[0039]进一步地，所述换能件的底圆面的半径为4.7mm
‑
4.9mm。
[0040]进一步地，所述方形基座设置有换能阵列放置区，所述换能阵列放置区的长为420mm
‑
460mm，所述换能阵列放置区的宽为240mm
‑
280mm，所述换能阵列设置于所述换能阵列放置区内。
[0041]进一步地，所述方形基座的宽大于所述换能阵列放置区的宽35
‑
45mm，所述方形基座的长大于所述换本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种突破衍射极限的水下声准直器，信号耦合在相应的发射换能器中，其特征在于：所述水下声准直器包含由梯度超构材料制成的第一换能机构和第二换能机构；所述第一换能机构包含实心的方形基座，所述方形基座设置有换能阵列，所述换能阵列包含矩形阵列设置的多个换能件，所述换能件为圆锥形实心结构，所有的所述换能件的底圆面的半径相同，所有的所述换能件的高度相同；所述第二换能机构与所述第一换能机构的结构相同，且所述第二换能机构与所述第二换能机构上下对称设置，上下对应的所述换能件抵接设置。2.根据权利要求1所述的一种突破衍射极限的水下声准直器，其特征在于：定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述换能阵列的晶格常数a为0.2λ
‑
0.3λ。3.根据权利要求1所述的一种突破衍射极限的水下声准直器，其特征在于：所述换能件的高度为200mm
‑
220mm。4.根据权利要求1所述的一种突破衍射极限的水下声准直器，其特征在于：所述换能件的底圆面的半径为4.7mm
‑
4.9mm。5.根据权利要求1所述的一种突破衍射极限的水下声准直器，其特征在于：所述方形基座设置有换能阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏晓春，彭旭名，董尔谦，黄嘉丽，张宇，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：