專利名稱：可實現(xiàn)大角度波束掃描的平面接收陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種接收水聽器聲基陣，尤其是一種可實現(xiàn)大角度波束掃描的平面接收陣。
背景技術(shù)：
在海洋探測和海洋開發(fā)活動中，普遍采用以聲波作為檢測手段的海洋儀器。在海底地形 測繪方面，最具代表性的是多波束測深系統(tǒng)，能夠?qū)y量區(qū)域?qū)嵤┤采w式測量，具有精確、 快速的獲取水下地形的能力及發(fā)現(xiàn)目標、識別海底類型的能力。
多波束測深系統(tǒng)相比傳統(tǒng)測深系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢在于，其工作時發(fā)射和接收多個不同指向 角的波束，形成一個扇形聲傳播區(qū)，通過計算單個波束的波束中心以及某一點回波的斜距， 從而得到多個水深點數(shù)據(jù)，能對測區(qū)進行全范圍無遺漏掃測，極大的提高了海底測繪的效率 和精度。國際上主流的第三代深水多波束測深系統(tǒng)，標稱水平覆蓋范圍達到垂直水深的5 6 倍，扇面角最大可達150度，這對水下聲基陣提出了較高的要求。
為在較大的扇面角里實現(xiàn)大角度波束掃描，陣上的陣元必須要有足夠?qū)挼闹赶蛐?，才?保證主波束偏轉(zhuǎn)到邊緣角度時，接收靈敏度級不會下降太多；另外，只有陣元的指向性達到 一定的寬度時才能保證主波束偏離角(信號延遲相位角與聲場實際波束轉(zhuǎn)動角之間的差異) 比較小，從而實現(xiàn)覆蓋整個扇面角的波束掃描。
適合船底安裝的平面型聲基陣，陣上陣元的寬指向性設(shè)計具有相當大的技術(shù)難度。國內(nèi) 此前未見關(guān)于平面陣實現(xiàn)大角度波束掃描的文獻報道，國外成熟的深水多波束測深系統(tǒng)，僅 有其系統(tǒng)標稱扇面角指標，未見關(guān)于其水下聲基陣實際性能和組成方式的報道。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型要解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種陣上陣元具有較寬的指向性的可實現(xiàn) 大角度波束掃描的平面接收陣。
本實用新型解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案這種可實現(xiàn)大角度波束掃描的平面接收 陣，主要包括反聲障板，在反聲障板上裝有若干組水聽器條，其中水聽器條由多個點元水聽3器連接而成，反聲障板由上下蓋板和中間層組成。
所述反聲障板采用通道型橡膠障板，其內(nèi)部的中間層上設(shè)有一定形狀的空氣通道。
所述空氣通道均勻分布于中間層中。
所述點元水聽器為球形水聽器。
所述的空氣通道為圓柱形通道。
本實用新型有益的效果是 一、采用平面陣形式，與常見的用于波束掃描的圓柱陣、V 形陣、共性陣等基陣相比，具有體積小，安裝維護方便等特點，基陣采用模塊化設(shè)計，可根 據(jù)測量精度的需要和實際安裝位置的情況，靈活組合以形成不同的波束寬度；二、點元水聽 器采取高靈敏度球形水聽器，設(shè)計工作在遠離諧振頻率的低頻段，可保證接收靈敏度曲線的 平坦性，采用多個點元水聽器組成接收水聽器條，通過水聽器之間的串并聯(lián)可調(diào)節(jié)水聽器條 的靈敏度，滿足不同聲基陣靈敏度指標要求；三、單個陣元由多個點元水聽器組成，可以對 水聽器之間的個體差異及安裝誤差起到一個平滑的作用，提高陣元之間的相幅一致性，更適 合大角度波束掃描的需要；四、通過改變圓形通道的尺寸或它們在整體中的數(shù)量，可調(diào)整障 板材料的體積彈性模量，獲得較高的反聲系數(shù)，通過改變中間層的厚度，可調(diào)節(jié)反聲障板的 最佳工作頻率，以適應不同聲系統(tǒng)的需求；五、通過調(diào)整反聲障板的材料參數(shù)和聲學參數(shù)， 以及反聲障板與換能器之間的安裝關(guān)系，可以靈活改變陣上陣元的指向性，滿足不同類型的 需求，此外，反聲障板的使用還可以起到增加水聽器的接收靈敏度和隔離船體的輻射噪聲等 作用，提高接收聲基陣的整體性能。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖2是反聲障板的結(jié)構(gòu)示意圖3是帶障板水聽器聲場計算原理圖4是實施例相關(guān)測試數(shù)據(jù)；
附圖標記說明反聲障板l，空氣通道1-1,蓋板1-2，中間層1-3，水聽器條2，點元水聽
器2-l。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明-
4參照附圖本實用新型采用模塊化設(shè)'計，可根^l'j量精度的需要和實際安裝位置的情況， 靈活組合以形成不同的波束寬度。本實施例作為深水多波束測深系統(tǒng)的水下接收聲基陣，中 心頻率12kHz 。
接收陣模塊和專門的高強度安裝框架組成，根據(jù)系統(tǒng)性能指標要求和工程實際情況，確 定接收基陣主波束寬度指標，反聲障板1上裝有若干組水聽器條2，根據(jù)指標確定接收基陣 模塊的數(shù)量，以及每個模塊中水聽器條2的數(shù)量和間距。每個水聽器條2獨立連接至相應前 放，這樣各水聽器條2可以被獨立的幅度和相位補償以形成需要的接收波束。
其中水聽器條2由多個點元水聽器2-l連接而成，其中點元水聽器2-l為高靈敏度球形 水聽器。單個點元水聽器2-l自由場靈敏度為-195dB，每個水聽器條2布有6只點元水聽器 2-1，其中，點元水聽器2-l兩兩串聯(lián)，最后再并聯(lián)以提高接收靈敏度，再配合反聲障板l的 作用，實測單個水聽器條2陣上靈敏度大于-187dB (12kHz， 0度方向)，滿足基陣靈敏度指 標要求。
反聲障板1選用適當?shù)南鹉z材料，包括上下蓋板1-2、帶有空氣通道1-1的中間層1-3， 空氣通道1-1采用圓柱形通道，采用硫化工藝制成。在設(shè)計障板時，應根據(jù)工作頻段和實際 安裝情況，選取合理的穿孔系數(shù)，最大限度以及均勻地排布通道孔；以及根據(jù)中心頻率和耐 靜水壓要求等，合理選取中間層l-3的厚度，避免在某個頻率點出現(xiàn)反射系數(shù)過低的情況， 保證反聲障板1在整個工作頻帶內(nèi)具有較高的反射系數(shù)。
通道型橡膠反聲障板1利用橡膠材料的剪切模量比體積模量小很多的特性，利用空氣空 氣通道1-1將橡膠板的體積模量轉(zhuǎn)化為剪切模量，從而降低障板的聲速。同時利用空氣空氣 通道1-1來減小反聲障板1的平均密度，最終實現(xiàn)減小反聲障板1特性聲阻抗的目的。
對于帶有中間層1-3的反聲障板1,如果腔體尺寸同介質(zhì)中傳播的彈性波波長相比很小， 可將其看作半徑同波長相比很小的實心圓柱棒，通過靜態(tài)近似得到其等效彈性模量，從而計 算出其靜態(tài)速度。
由于空氣通道l-l分布的對稱排列，只要知道一個圓柱體的彈性及聲學特性，就可以確 定整個反聲障板1的特性。假定帶有空氣通道1-1的中間層1-3上下兩端被同樣材料的蓋板 卜2密封，壓縮力通過上下兩端的蓋板1-2作用于其端面，空氣通道的內(nèi)徑為2"，外徑為26 :拉梅常數(shù)為/l和A的橡膠材料做成的管，定義為穿？Lms^"/6，考慮到管的形變是軸 向?qū)ΨQ，且表面無磨擦形變，可認為徑向位移w沿z軸是恒定的，軸向位移w與半徑r無關(guān)， 建立運動方程結(jié)合邊界條件可求得
管的等效密度為Pw3=P。(l-,) ， p。為基本材料的密度 (公式l) 當// ;1時，由等效彈性模量和等效密度，即可求出障板的等效聲速為
C p= i《1 + 3 m ￡2 (公式2)
其中，^=、1^，為基本橡膠材料的縱波(剪切波)速度。 ~P。
求出通道型反聲障板l的等效密度和等效聲速后，即可以利用分層介質(zhì)中波的傳播理論 來計算反聲障板1的聲場特性，求其反射系數(shù)F和透射系數(shù)^等參數(shù)。
得知反聲障板l的反射系數(shù)幅值和相位后，可以根據(jù)射線聲學和虛源法，計算處在無限 大平面障板面前點源的聲場。
如圖3所示，假定水聽器^放于無限大平面障板之前，^的尺寸遠小于水中聲波的波長， 換能器到障板的距離為^，入射平面波與障板法線的夾角為e，水聽器除了受直達波的影響， 還受到障板帶來的反射波的影響。
根據(jù)虛源法，障板的反射作用相當于在障板的另一端有一個虛聲源，也即^的鏡面源，
其幅度等于入射波的幅度乘以障板的反射系數(shù)，換能器在^點接收到的總聲壓等于入射波和
虛源聲壓之和。設(shè)入射波聲壓為iv虛源產(chǎn)生的聲壓為;^，總聲壓為p，障板的反射系數(shù)為
r，則有; =^+印2，設(shè)入射波振幅為；v反射系數(shù)幅值為v。，相位為^，可得總聲壓為 = />0 exp(-cos夕)+印。exp(/U cos
(公式3 )
=|p|exp(#) 其中
|p| = ; o^1 + v02 + 2v0 cos(2W cos" 0 = - + tan-!["-l)sin(M，"W2)] (v0 +1) cos(fe cos 6 + p / 2)
由此就可以計算出帶障板水聽器的聲場分布，從而求得其指向性圖和靈敏度級等參數(shù)。
從公式3可以看出，影響帶障板水聽器指向性圖的因素很多，包括聲波頻率，水聽器與障板間距離，障板反射系數(shù)的幅值和相位等，而障板的反射系數(shù)又受到障板的厚度，聲速和 密度等影響。根據(jù)實際項目的技術(shù)指標，通過優(yōu)化設(shè)計，對水聽器帶障板的性能進行計算， 調(diào)整上述參數(shù)，選取合理的安裝位置，從而得到所需的結(jié)果，拓寬陣上陣元的指向性，滿足 平面接收聲基陣大角度波束掃描的要求。并進行水聽器帶障板的性能測試，確定最終安裝尺 寸。
最終，將反聲障板粘接到固定鋼板上，按照確定的水聽器安裝距離固定水聽器，進行整 體灌注成型。
圖4給出了部分測試數(shù)據(jù)，包括陣上單個陣元在12kHz的指向性圖，以及在12kHz時， 各不同方向上的等效靈敏度。實測單個水聽器條陣上"在線"12kHz波束寬度(-3dB)大于 130度，可以較好的滿足平面陣大角度波束掃描的要求。
除上述實施例外，本實用新型還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成 的技術(shù)方案，均落在本實用新型要求的保護范圍。
權(quán)利要求1、一種可實現(xiàn)大角度波束掃描的平面接收陣，其特征是主要包括反聲障板(1)，在反聲障板(1)上裝有若干組水聽器條(2)，其中水聽器條(2)由多個點元水聽器(2-1)連接而成，反聲障板(1)由上下蓋板(1-2)和中間層(1-3)組成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實現(xiàn)大角度波束掃描的平面接收陣，其特征是所述反聲障板(1)采用通道型橡膠障板，其內(nèi)部的中間層(1-3)上設(shè)有一定形狀的空氣通道(1-1)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可實現(xiàn)大角度波束掃描的平面接收陣，其特征是所述空氣通道(1-1)均勻分布于中間層(1-3)中。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實現(xiàn)大角度波束掃描的平面接收陣，其特征是所述點元水聽器(2-1)為球形水聽器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的可實現(xiàn)大角度波束掃描的平面接收陣，其特征是所述的空氣通道(1-1)為圓柱形通道。
專利摘要本實用新型涉及一種可實現(xiàn)大角度波束掃描的平面接收陣，主要包括反聲障板，在反聲障板上裝有若干組水聽器條，其中水聽器條由多個點元水聽器連接而成，反聲障板由上下蓋板和中間層組成。本實用新型的有益效果是通過使用反聲障板使陣上陣元具有較寬的指向性，可滿足平面陣大角度波束掃描的需要，實現(xiàn)高精度海底地形探測任務。尤其適合做為深水多波束測深系統(tǒng)的水下接收聲基陣，廣泛應用于海底地形地貌調(diào)查、海洋工程建設(shè)、海洋資源開發(fā)、河流航道調(diào)查等方面。
文檔編號G01S7/523GK201368917SQ20092011482
公開日2009年12月23日 申請日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者濤 何, 唐良雨, 夏鐵堅, 孔海防, 民 謝, 郝浩琦 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所