一种中高频宽带多指向性发射基阵实现方法

摘要

本发明公开了一种中高频宽带多指向性发射基阵实现方法，所述方法包括以下步骤：选用颗粒型匹配层换能器作为发射换能器阵元，根据设备工作的中心频率和压电陶瓷颗粒的纵向声速来选择压电陶瓷颗粒的高度；确定压电陶瓷颗粒的长、宽以及颗粒个数；将颗粒型匹配层换能器所有的压电陶瓷颗粒正极和负极分别并联；制作4个按照步骤1‑3组成的颗粒型匹配层换能器并组成单层换能器子阵；制作4个按照步骤4获得的单层换能器子阵并组成位于同一轴线上的换能器子阵，其中相邻之间的单层换能器子阵的旋转角度为22.5°；最后在换能器子阵外侧及上面灌注一层聚氨酯橡胶进行水密，即获得中高频宽带多指向性发射基阵。

说明书

技术领域

本发明属于换能器基阵技术领域，具体涉及利用若干中高频宽带换能器组成一种中高频宽带多指向性发射基阵，实现多指向性声波发射的功能。

技术背景

波是唯一能够在水中远距离传播的能量形式，利用声波作为信息载体是目前实现水下通讯的最佳方式。声呐换能器作为声波发射和接收的装置，被广泛应用于海洋探测和水下通讯，已经成为获取水下信息传递的主要装备。

换能器基阵是由若干换能器按照一定的几何方位组合成的阵列，组成换能器基阵的单个换能器称作阵元。换能器基阵通过调整和控制不同阵元的组合，形成不同的空间指向性以覆盖任意空间方位，实现对任意目标的通讯定位。

传统的水声通信中使用的发射换能器，通常是采用在半无限空间内发射声波来进行通信，这种通信方式的缺点是，由于换能器发射的声信号不具有空间指向性，因此当通信目标数较多时，很容易造成相互之间的干扰，影响目标间的通信效率。

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，本发明提供了一种中高频宽带多指向性发射基阵实现方法，该方法不仅可以实现水平面上360°全指向性发射，还可根据需要实现声波多指向性发射，有效提高多目标通信效能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种中高频宽带多指向性发射基阵实现方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：选用颗粒型匹配层换能器作为发射换能器阵元，根据设备工作的中心频率和压电陶瓷颗粒的纵向声速来选择压电陶瓷颗粒的高度；

步骤2：确定压电陶瓷颗粒的长、宽以及颗粒个数；

步骤3：将颗粒型匹配层换能器所有的压电陶瓷颗粒正极和负极分别并联；

步骤4：制作4个按照步骤1-3组成的颗粒型匹配层换能器并组成单层换能器子阵；

步骤5：制作4个按照步骤4获得的单层换能器子阵并组成位于同一轴线上的换能器子阵，其中相邻之间的单层换能器子阵的旋转角度为22.5°；

步骤6：最后在换能器子阵外侧及上面灌注一层聚氨酯橡胶进行水密，即获得中高频宽带多指向性发射基阵。

需要说明的是，所述步骤2的压电陶瓷颗粒的高度是其长和宽中最大尺度的2倍以上。

需要说明的是，所述颗粒型匹配层换能器工作带宽达到一个倍频程时取陶瓷颗粒占空比为50％左右。

需要进一步说明的是，所述步骤4中还包括：加工若干方形圆孔定位件和；若干三角形定位件，将每个颗粒型匹配层换能器的压电陶瓷端面向内、辐射端面向外，自上而下依次固定于方形圆孔定位件的不同侧面上；再在颗粒型匹配层换能器左右两侧拼装三角形定位件进行定位，即完成一个可以向水平面上4个不同方向各自发射声波的单层换能器子阵。

需要进一步说明的是，所述步骤5中还包括：将4个阵元自上而下依次排列为4层；以顶层阵元为基准，下层的单层换能器子阵相对于上层的单层换能器子阵依次沿逆时针方向旋转22.5°，即完成一个每层单层换能器子阵间的旋转角度为22.5°的换能器子阵。

作为一种优选的技术方案，每层所述单层换能器子阵之间通过方形圆孔定位件进行连接。

作为一种优选的技术方案，每层所述单层换能器子阵之间设置有去耦软木垫。

需要说明的是，所述步骤5中的每个颗粒型匹配层换能器的水平波束开角为22.5°。

本发明的有益效果在于：

1、通过全部16个指向不同方位换能器的组合，可以实现中高频水平360°全指向性发射，保证目标之间的连通性。

2、通过多个指向不同方位换能器的组合，可以方便实现中高频水平多指向性发射，有效提高多目标之间的通信效能。

附图说明

图1为本发明一个较佳实施例的中高频宽带多指向性发射基阵实现方法的阵元，即颗粒型匹配层换能器结构示意图；

图2为基于图中1中的颗粒型匹配层换能器组成制成的单层换能器子阵结构示意图；

图3为基于图2中的单层换能器子阵制成额中高频宽带多指向性发射基阵结构示意图；

图4为基于图3的中高频宽带多指向性发射基阵灌封完成后的示意图。

具体实施例

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

本发明为一种中高频宽带多指向性发射基阵实现方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：选用颗粒型匹配层换能器作为发射换能器阵元，根据设备工作的中心频率和压电陶瓷颗粒的纵向声速来选择压电陶瓷颗粒的高度；

步骤2：确定压电陶瓷颗粒的长、宽以及颗粒个数；

步骤3：将颗粒型匹配层换能器所有的压电陶瓷颗粒正极和负极分别并联；

步骤4：制作4个按照步骤1-3组成的颗粒型匹配层换能器并组成单层换能器子阵；

步骤5：制作4个按照步骤4获得的单层换能器子阵并组成位于同一轴线上的换能器子阵，其中相邻之间的单层换能器子阵的旋转角度为22.5°；

步骤6：最后在换能器子阵外侧及上面灌注一层聚氨酯橡胶进行水密，即获得中高频宽带多指向性发射基阵。

进一步的，本发明中的压电陶瓷颗粒的高度是其长和宽中最大尺度的2倍以上。

进一步的，本发明中的颗粒型匹配层换能器工作带宽达到一个倍频程时取陶瓷颗粒占空比为50％左右。

需要进一步说明的是，本发明的步骤4中还包括：加工若干方形圆孔定位件和；若干三角形定位件，将每个颗粒型匹配层换能器的压电陶瓷端面向内、辐射端面向外，自上而下依次固定于方形圆孔定位件的不同侧面上；再在颗粒型匹配层换能器左右两侧拼装三角形定位件进行定位，即完成一个可以向水平面上4个不同方向各自发射声波的单层换能器子阵。

需要进一步说明的是，本发明的步骤5中还包括：将4个阵元自上而下依次排列为4层；以顶层阵元为基准，下层的单层换能器子阵相对于上层的单层换能器子阵依次沿逆时针方向旋转22.5°，即完成一个每层单层换能器子阵间的旋转角度为22.5°的换能器子阵。

作为一种优选的技术方案，每层所述单层换能器子阵之间通过方形圆孔定位件进行连接。

作为一种优选的技术方案，每层所述单层换能器子阵之间设置有去耦软木垫。

需要说明的是，本方中步骤5中的每个颗粒型匹配层换能器的水平波束开角为22.5°。

实施例

如图1所示，本实施例中单个颗粒型匹配层换能器采用28个锆钛酸铅(PZT-4)压电陶瓷颗粒1，每个压电陶瓷颗粒1的长宽高尺寸为4.5mm×4.5mm×27mm。匹配层2采用环氧树脂材料，匹配层2的长宽高尺寸为46.5mm×24mm×7.4mm，水密层选用聚氨酯橡胶。

如图2所示，本实施例的单层换能器子阵总共采用4个颗粒型匹配层换能器3。四周的三角形定位件4和中心位置的方形圆孔定位件5均可选用硬质泡沫制成，方形圆孔定位件5外侧长宽高尺寸为46.5mm×46.5mm×24mm，内部圆孔半径为15mm，三角形定位件4高24mm。

如图3所示，本实施例采用4层单层换能器子阵6每层4个颗粒型匹配层换能器，总共16个颗粒型匹配层换能器组成一个换能器基阵，层与层之间插入去耦软木垫7用于隔振，基座8选用硬铝材料，直径为130mm。

如图4所示，灌封层选用聚氨酯橡胶，灌封完成后基阵高100mm左右，完成后即为本发明的换能器子阵9。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变，而所有的这些改变，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。