具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵制造技术

本发明专利技术涉及一种具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，平面声基阵由发射换能器和通道橡胶障板组成，二者固定于刚性安装板上，通道橡胶障板采用平面结构，由多片带孔橡胶片和一片不带孔橡胶片粘接而成，带孔橡胶片上设有一组小孔，带孔橡胶片和不带孔的橡胶片上开有用于安装发射换能器的换能器安装孔。本发明专利技术的优点在于：本发明专利技术中的换能器采用纵向振动与换能器前盖板弯曲振动的相复合的宽带换能器，该类换能器具有高效、宽带、前后声辐射比大等优点，可以实现多波束声纳发射声源级的要求。但该换能器的指向性比较窄，不能满足多波束平面声基阵进行大角度波束扫描的需求。为此，本发明专利技术中采用了通道橡胶障板来拓宽纵向振动换能器的指向性，解决了平面声基阵进行大角度波束扫描的技术难题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种海洋声学测量仪器的水下声学传感器装置，主要是一种具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵。
技术介绍
随着现代科学技术的发展，人们通过空间遥测技术获得了陆地部分较为精细的地形，并居此指导人们改造自然，开发各种陆路资源，为人类社会发展服务。但我们对约占地球表面71%的海底地形的了解却远未达到人们期望的程度。究其原因是测量对象被浩瀚的海洋阻隔，而穿透海洋获取海底信息需要借助地形探测设备。 国外从上世纪中期就开始研制水下地形探测设备，经过几使年的发展，从开始的单波束测深仪发展到后面的多波束测深声纳；多波束测深声纳又发展成浅水、中等水和深水多波束测深声纳的系列化产品。 深水多波束测深系统是当今前沿的海洋高技术设备，是当代声学技术、信号处理技术、电子技术和计算机软硬件技术等高科技最新成就的集成。深水多波束测深系统在20世纪80年代初首先由美国SEABEAM公司研发成功，投入到海洋调查中。由于其具有重大的科学、商业和军事价值，西方发达国家一些声学设备制造厂商纷纷开展这方面的研究，如德国ATLAS公司、挪威SIMRAD公司以及法国THOMSON公司等。 进入21世纪，在巨大的商机引导下，一些中等或新成长起来的声学设备制造厂家也加入到了这一行列，如德国ELAC公司和丹麦RES0N公司。ELAC公司通过收购SEABEAM公司，将SEABEAM的换能器技术结合ELAC的信号和数据处理技术开发了 ELACSEABEAM3000系统。RES0N公司开发了 12k Hz的SeaBat 8150系统。 多波束测深技术通过近30年发展，按其技术水平可划分为四代产品 第一代产品以SEABEAM 1000系列为代表，这类产品的特点是波束数少、扫幅宽度仅60° ，集成度低，水深数据不能实时处理。 第二代产品以SEABEAM 2000系列、ATLAS HYDROSWEEP和SIMRAD EM 12为代表。这类产品的特点是采用了大规模集成电路和DSP技术，波束数较多，达到121个，波束角宽2° ，数据实时和后处理软件成熟。 第三代产品以SIMRAD EM 120和RESON SeaBat 8150深水多波束测深系统为代表。其特点是采用了超大规模集成电路和速度更快的DSP板，横向覆盖范围为20km左右，工作深度20 llOOOm，波束数达到191个或更多，波束角宽0. 5° -1° ，实现全姿态稳定，数据实时和后处理软件更加成熟。 第四代产品近一、二年刚出现的SIMRAD EM 122深水多波束测深系统和EM710被称为第四代产品，采用宽带技术、近场自动聚焦和水体显示等技术，提高了声纳性能，波束数更多，测深点更密，集成度也更高。SIMRAD公司最新研发的EM122系统采用宽带技术，标称指标覆盖宽度最大37km，单次发射形成两行共576个波束，可加密至864个测深点，波束角宽最小可达0.5。 XT ，该系统目前正在推广阶段。 从上述几代产品的发展中可以看出，多波束测深声纳的几个关键技术主要包括 声纳波束横向垂直于航迹方向覆盖范围、沿着航迹方向的波束角宽度、宽带技术和电子线 路的集成度。 声纳波束横向覆盖范围直接影响多波束声纳的作业效率，是用户最关注的一个指 标。第一代产品的波束覆盖角仅为60。左右，它的横向覆盖范围仅为6km左右。第三代产 品的EM120，横向波束覆盖角达到125°左右，它的横向覆盖范围达到了 20km左右。而第四 代产品的EM 122，横向波束覆盖角更是达到了 150°左右，横向覆盖范围达到了 37km。其 作业效率比第一代产品提高了 6倍多，比第三代产品也将近提高了一倍。为了实现具有大 波束覆盖角的声学基阵，许多水声专家在基阵的结构上进行了深入研究，研究出了许多能 实现大波束覆盖角的基阵形式，如V形阵、U形阵、弧形阵等。这类基阵形式对于比较 小型的高频、浅水多波束测深声纳而言，是实现大波束覆盖角的一种有效手段。但对于大型 的低频、深水多波束声纳而言，发射基阵沿着航迹方向的尺寸达8 10m，垂直于航迹方向 的尺寸达1 2m，要在船底安装如此大型的V形阵、U形阵或弧形阵，将会给船体的航 行、码头停泊带来极大的困难。因此，对于低频深水多波束测深声纳而言，基阵的形式一般 都采用平面阵。必须要突破平面型声基阵的超宽波束覆盖关键技术。另外由于在多波束声 纳的发射基阵中，换能器数目众多，为了保证声纳的成图质量，要求阵上的换能器要求具有 较好的相位一致性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，主要是一种具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，解决平面型声基阵的超宽波束覆盖关键技术和宽频带工作技术。为解决上述技术问题，本专利技术是提出以下技术方案实现的这种具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，平面声基阵由发射换能器和通道橡胶障板组成，二者固定于刚性安装板上，通道橡胶障板采用平面结构，由多片带孔橡胶片和一片不带孔橡胶片粘接而成，带孔橡胶片上设有一组小孔，带孔橡胶片和不带孔的橡胶片上开有用于安装发射换能器的换能器安装孔。 作为优选，所述发射换能器上设有用于安装通道橡胶障板的安装槽，发射换能器 的辐射面与通道橡胶障板之间的距离，取0.25A A之间，其中A为换能器谐振频率在水中的波长。 作为优选，所述的小孔为非通孔，孔深度为8 15mm，孔底部的厚度为5 7mm，孔 的直径为6 15mm，小孔的面积占整个截面积的60 80% 。 作为优选，所述的不带孔橡胶片为一均匀橡胶薄片，其形状、尺寸与带孔橡胶片相 同，厚度为4 8mm。 作为优选，所述发射换能器采用纵向振动与前盖板弯曲振动的相复合的宽带换能 器，由前盖板、压电陶瓷堆、后盖板和预应力螺杆构成，前盖板呈喇叭型，前盖板辐射面的直 径取0.4A 0.6A，其中A为换能器谐振频率在水中的波长。 本专利技术的优点在于本专利技术中的换能器采用纵向振动与换能器前盖板弯曲振动的 相复合的宽带换能器，该类换能器具有高效、宽带、前后声辐射比大等优点，可以实现多波 束声纳发射声源级的要求。但该换能器的指向性比较窄，不能满足多波束平面声基阵进行大角度波束扫描的需求。为此，本专利技术中采用了通道橡胶障板来拓宽纵向振动换能器的指 向性，解决了平面声基阵进行大角度波束扫描的技术难题。本专利技术通过调整通道橡胶障板 (反声障板)的结构组成、材料参数和声学参数，以及反声障板与换能器之间的安装关系， 拓宽阵上基元的指向性，同时对发射换能器和反声障板进行一体化设计，使阵上基元具有 宽频带工作性能。采用本方案设计的平面型声基阵具有宽带、超宽覆盖性能，可实现水下声 基阵的大角度波束扫描，只需改变阵上换能器的数量、布阵间距、整阵长宽尺寸等参数，即 可获得需要的整阵波束宽度，满足不同类型水下声基阵的需求。附图说明 图1本专利技术中发射换能器结构示意图； 图2本专利技术中通道橡胶障板结构示意图； 图3本专利技术中带孔橡胶片结构示意图； 图4本专利技术中带孔橡胶片数学分析示意图； 图5本专利技术中发射换能器和通道橡胶障板安装结构图； 图6发射换能器在自由场的指向性示意图； 图7经过本专利技术优化后阵上换能器的指向性示意图； 图8实测阵上基元发送电压响应示意图。附图标记说明1为发射换能器，1-1为前盖板，1-2为压电陶瓷堆，1-3为后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，其特征在于：平面声基阵由发射换能器（１）和通道橡胶障板（２）组成，二者固定于刚性安装板（３）上，通道橡胶障板（２）采用平面结构，由多片带孔橡胶片（２－１）和一片不带孔橡胶片（２－２）粘接而成，带孔橡胶片（２－１）上设有一组小孔（４），带孔橡胶片（２－１）和不带孔的橡胶片（２－２）上开有用于安装发射换能器（１）的换能器安装孔（２－３）。

【技术特征摘要】
一种具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，其特征在于平面声基阵由发射换能器(1)和通道橡胶障板(2)组成，二者固定于刚性安装板(3)上，通道橡胶障板(2)采用平面结构，由多片带孔橡胶片(2-1)和一片不带孔橡胶片(2-2)粘接而成，带孔橡胶片(2-1)上设有一组小孔(4)，带孔橡胶片(2-1)和不带孔的橡胶片(2-2)上开有用于安装发射换能器(1)的换能器安装孔(2-3)。2. 根据权利要求1所述的具有宽带、超宽覆盖性能的平面型声基阵，其特征在于所述 发射换能器(1)上设有用于安装通道橡胶障板(2)的安装槽(l-5)，发射换能器(1)的辐射 面与通道橡胶障板(2)之间的距离，取0.25A A之间，其中A为换能器谐振频率在水 中的波长。3. 根据权利要求1所述的具有宽带、超宽覆盖性能的平面...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏铁坚，郝浩琦，杜纪新，周利生，何涛，唐良雨，谢民，郭建，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]