[发明专利]一种深水复合结构声学基阵及基于该基阵的透声方法

说明书

技术领域

本发明属于声学传感器领域，具体地说，本发明涉及一种深水复合结构声学基阵。

背景技术

自主水下航行器是世界各国大力发展的海洋运载器，在海洋保护、海洋资源开发等领域具有极大的应用价值。导航问题是水下航行器应用所面临的主要技术挑战之一，导航能力是水下航行器有效工作与安全回收的重要要求。

多普勒测速仪是利用多普勒效应测量水下航行器航速的一种导航设备，其基本原理是，以一定倾角向海底发射声波束，接收海底回波信号，测出发射信号和接收信号的频率偏移量，从而解算出水下航行器的航行速度。用这种方法，可以测得水下航行器相对于海底的绝对速度，测量精度较高。这对于航行器在海上航行中的计程及定位，对于大中小型船舶低速安全进港和靠岸，都有重要的作用。

水声换能器声学基阵是多普勒测速仪的核心部件，在工作时，声学基阵既做发射器同时也做接收器使用。影响多普勒测速仪测量精度的主要技术参数有工作频率、波束倾角及宽度、发射功率及波形等。工作频率与多普勒频移、波束开角和传播衰减有直接关系。在一定航速下，工作频率越高，多普勒频移越大，测速精度越高；工作频率高时，波束开角窄，测速精度高，也有利于减小换能器阵的尺寸；但是频率越高，声传播衰减越大，要求的发射功率就越大。波束开角宽度（-3dB）的选取也要综合考虑。开角小，多普勒频谱宽度减小，测速精度高；但开角过小，受航行器的摇摆影响大，难以接收到足够的回波信号，而且会加大换能器尺寸。航行器在浅水区时，可以发生连续波信号，测速精度比较高；在深水区时，宜采用脉冲波方式，以便减小平均功率。

可见，多普勒测速仪所使用的声学基阵，要求有较高的工作频率、较小的波束开角和较大的发射功率。另外，由于声学基阵一般固定安装在航行器的下部，造成了日常维修和防护等方面的困难，所以可靠性问题也是声学基阵的设计工作中要考虑的最重要的问题。

通常的声学基阵设计中，换能器阵由若干个基元按照一定的排列规律组成，阵元的辐射面包覆一层防水透声橡胶层，这样的结构设计简单、安装方便、透声性能较好。但缺点也同样明显，防水透声橡胶层的可靠性和防磕碰性能较差，声学基阵的耐静水压能力较差，一般仅能工作在几十米的浅水区。特别是当基阵的尺寸较大时，橡胶层的制作工艺比较困难，对硫化工艺的技术水平要求较高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种全新的、适合深水应用的多普勒测速仪的声学基阵结构。

为实现上述目的，本发明提供了一种深水复合结构声学基阵，所述声学基阵包含：轴对称圆柱壳体、隔震去耦层4、前辐射板2和基元1；所述轴对称圆柱壳体，该轴对称壳体由上壳体6和下壳体5组成；所述隔震去耦层4，设置于轴对称圆柱壳体的内腔底面上；所述前辐射板2，位于隔震去耦层4的上层，且与基元1固定相连；其中，所述基元1的顶端与轴对称圆柱壳体的上表面相距一定距离；所述轴对称圆柱壳体的底面为金属表面。

上述前辐射板2上设置一定深度的凹槽作为去耦槽，所述基元1位于若干去耦槽所形成的正方形块体上。

上述轴对称圆柱壳体的上表面设置一开口，该开口处利用弹性材料封堵最终形成耐静水压力的压力平衡窗8；

其中，所述压力平衡窗8的结构包含：向轴对称圆柱壳体外部凸出的半球形。

上述轴对称圆柱壳体中填满填充液7。

上述的前辐射板2上设置若干个螺纹孔，该螺纹孔用于与穿过基元1的预应力螺杆配合，进而将基元1紧固在前辐射板2上。

上述隔震去耦层4为“凹”字形结构，且该“凹”字形结构的陷进去的部分用于设置前辐射板2。

上述基元1为复合棒式换能器基元，该复合棒式换能器基元包含圆柱形压电陶瓷柱；其中，所述前辐射板2与所述圆柱形压电陶瓷柱采用环氧树脂相互粘连，实现基元1与前辐射板2的固定相连。

所述上壳体6和下壳体5采用钛合金或不锈钢制成；所述前辐射板2采用钛合金、钢、铜或硬铝制成；所述弹性材料和隔震去耦层采用聚氨酯或橡胶材料制成；所述填充液7选用硅油、蓖麻油或轻蜡油。

此外，本发明还提供一种基于上述声学基阵的透声方法，所述方法包含：

换能器基元1通电产生纵向振动；所述基元1带动前辐射板2振动，通过隔震去耦层4和下壳体5实现声学基阵的声辐射。

上述方法还包含：采用压力平衡窗8及轴对称圆柱壳体填充的填充液7，保证基阵壳体内外部的压力平衡。