专利名称：可实现大角度波束扫描的平面接收阵的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种接收水听器声基阵，尤其是一种可实现大角度波束扫描的平面接收阵。
背景技术：
在海洋探测和海洋开发活动中，普遍采用以声波作为检测手段的海洋仪器。在海底地形 测绘方面，最具代表性的是多波束测深系统，能够对测量区域实施全覆盖式测量，具有精确、 快速的获取水下地形的能力及发现目标、识别海底类型的能力。
多波束测深系统相比传统测深系统的显著优势在于，其工作时发射和接收多个不同指向 角的波束，形成一个扇形声传播区，通过计算单个波束的波束中心以及某一点回波的斜距， 从而得到多个水深点数据，能对测区进行全范围无遗漏扫测，极大的提高了海底测绘的效率 和精度。国际上主流的第三代深水多波束测深系统，标称水平覆盖范围达到垂直水深的5 6 倍，扇面角最大可达150度，这对水下声基阵提出了较高的要求。
为在较大的扇面角里实现大角度波束扫描，阵上的阵元必须要有足够宽的指向性，才能 保证主波束偏转到边缘角度时，接收灵敏度级不会下降太多；另外，只有阵元的指向性达到 一定的宽度时才能保证主波束偏离角(信号延迟相位角与声场实际波束转动角之间的差异) 比较小，从而实现覆盖整个扇面角的波束扫描。
适合船底安装的平面型声基阵，阵上阵元的宽指向性设计具有相当大的技术难度。国内 此前未见关于平面阵实现大角度波束扫描的文献报道，国外成熟的深水多波束测深系统，仅 有其系统标称扇面角指标，未见关于其水下声基阵实际性能和组成方式的报道。
发明内容
本实用新型要解决上述现有技术的缺点，提供一种阵上阵元具有较宽的指向性的可实现 大角度波束扫描的平面接收阵。
本实用新型解决其技术问题采用的技术方案这种可实现大角度波束扫描的平面接收 阵，主要包括反声障板，在反声障板上装有若干组水听器条，其中水听器条由多个点元水听3器连接而成，反声障板由上下盖板和中间层组成。
所述反声障板采用通道型橡胶障板，其内部的中间层上设有一定形状的空气通道。
所述空气通道均匀分布于中间层中。
所述点元水听器为球形水听器。
所述的空气通道为圆柱形通道。
本实用新型有益的效果是 一、采用平面阵形式，与常见的用于波束扫描的圆柱阵、V 形阵、共性阵等基阵相比，具有体积小，安装维护方便等特点，基阵采用模块化设计，可根 据测量精度的需要和实际安装位置的情况，灵活组合以形成不同的波束宽度；二、点元水听 器采取高灵敏度球形水听器，设计工作在远离谐振频率的低频段，可保证接收灵敏度曲线的 平坦性，采用多个点元水听器组成接收水听器条，通过水听器之间的串并联可调节水听器条 的灵敏度，满足不同声基阵灵敏度指标要求；三、单个阵元由多个点元水听器组成，可以对 水听器之间的个体差异及安装误差起到一个平滑的作用，提高阵元之间的相幅一致性，更适 合大角度波束扫描的需要；四、通过改变圆形通道的尺寸或它们在整体中的数量，可调整障 板材料的体积弹性模量，获得较高的反声系数，通过改变中间层的厚度，可调节反声障板的 最佳工作频率，以适应不同声系统的需求；五、通过调整反声障板的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，可以灵活改变阵上阵元的指向性，满足不同类型的 需求，此外，反声障板的使用还可以起到增加水听器的接收灵敏度和隔离船体的辐射噪声等 作用，提高接收声基阵的整体性能。
图1是本实用新型的结构示意图2是反声障板的结构示意图3是带障板水听器声场计算原理图4是实施例相关测试数据；
附图标记说明反声障板l，空气通道1-1,盖板1-2，中间层1-3，水听器条2，点元水听
器2-l。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明-
4参照附图本实用新型采用模块化设'计，可根^l'j量精度的需要和实际安装位置的情况， 灵活组合以形成不同的波束宽度。本实施例作为深水多波束测深系统的水下接收声基阵，中 心频率12kHz 。
接收阵模块和专门的高强度安装框架组成，根据系统性能指标要求和工程实际情况，确 定接收基阵主波束宽度指标，反声障板1上装有若干组水听器条2，根据指标确定接收基阵 模块的数量，以及每个模块中水听器条2的数量和间距。每个水听器条2独立连接至相应前 放，这样各水听器条2可以被独立的幅度和相位补偿以形成需要的接收波束。
其中水听器条2由多个点元水听器2-l连接而成，其中点元水听器2-l为高灵敏度球形 水听器。单个点元水听器2-l自由场灵敏度为-195dB，每个水听器条2布有6只点元水听器 2-1，其中，点元水听器2-l两两串联，最后再并联以提高接收灵敏度，再配合反声障板l的 作用，实测单个水听器条2阵上灵敏度大于-187dB (12kHz， 0度方向)，满足基阵灵敏度指 标要求。
反声障板1选用适当的橡胶材料，包括上下盖板1-2、带有空气通道1-1的中间层1-3， 空气通道1-1采用圆柱形通道，采用硫化工艺制成。在设计障板时，应根据工作频段和实际 安装情况，选取合理的穿孔系数，最大限度以及均匀地排布通道孔；以及根据中心频率和耐 静水压要求等，合理选取中间层l-3的厚度，避免在某个频率点出现反射系数过低的情况， 保证反声障板1在整个工作频带内具有较高的反射系数。
通道型橡胶反声障板1利用橡胶材料的剪切模量比体积模量小很多的特性，利用空气空 气通道1-1将橡胶板的体积模量转化为剪切模量，从而降低障板的声速。同时利用空气空气 通道1-1来减小反声障板1的平均密度，最终实现减小反声障板1特性声阻抗的目的。
对于带有中间层1-3的反声障板1,如果腔体尺寸同介质中传播的弹性波波长相比很小， 可将其看作半径同波长相比很小的实心圆柱棒，通过静态近似得到其等效弹性模量，从而计 算出其静态速度。
由于空气通道l-l分布的对称排列，只要知道一个圆柱体的弹性及声学特性，就可以确 定整个反声障板1的特性。假定带有空气通道1-1的中间层1-3上下两端被同样材料的盖板 卜2密封，压縮力通过上下两端的盖板1-2作用于其端面，空气通道的内径为2"，外径为26 :拉梅常数为/l和A的橡胶材料做成的管，定义为穿？Lms^"/6，考虑到管的形变是轴 向对称，且表面无磨擦形变，可认为径向位移w沿z轴是恒定的，轴向位移w与半径r无关， 建立运动方程结合边界条件可求得
管的等效密度为Pw3=P。(l-,) ， p。为基本材料的密度 (公式l) 当// ;1时，由等效弹性模量和等效密度，即可求出障板的等效声速为
C p= i《1 + 3 m ￡2 (公式2)
其中，^=、1^，为基本橡胶材料的纵波(剪切波)速度。 ~P。
求出通道型反声障板l的等效密度和等效声速后，即可以利用分层介质中波的传播理论 来计算反声障板1的声场特性，求其反射系数F和透射系数^等参数。
得知反声障板l的反射系数幅值和相位后，可以根据射线声学和虚源法，计算处在无限 大平面障板面前点源的声场。
如图3所示，假定水听器^放于无限大平面障板之前，^的尺寸远小于水中声波的波长， 换能器到障板的距离为^，入射平面波与障板法线的夹角为e，水听器除了受直达波的影响， 还受到障板带来的反射波的影响。
根据虚源法，障板的反射作用相当于在障板的另一端有一个虚声源，也即^的镜面源，
其幅度等于入射波的幅度乘以障板的反射系数，换能器在^点接收到的总声压等于入射波和
虚源声压之和。设入射波声压为iv虚源产生的声压为;^，总声压为p，障板的反射系数为
r，则有; =^+印2，设入射波振幅为；v反射系数幅值为v。，相位为^，可得总声压为 = />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)
由此就可以计算出带障板水听器的声场分布，从而求得其指向性图和灵敏度级等参数。
从公式3可以看出，影响带障板水听器指向性图的因素很多，包括声波频率，水听器与障板间距离，障板反射系数的幅值和相位等，而障板的反射系数又受到障板的厚度，声速和 密度等影响。根据实际项目的技术指标，通过优化设计，对水听器带障板的性能进行计算， 调整上述参数，选取合理的安装位置，从而得到所需的结果，拓宽阵上阵元的指向性，满足 平面接收声基阵大角度波束扫描的要求。并进行水听器带障板的性能测试，确定最终安装尺 寸。
最终，将反声障板粘接到固定钢板上，按照确定的水听器安装距离固定水听器，进行整 体灌注成型。
图4给出了部分测试数据，包括阵上单个阵元在12kHz的指向性图，以及在12kHz时， 各不同方向上的等效灵敏度。实测单个水听器条阵上"在线"12kHz波束宽度(-3dB)大于 130度，可以较好的满足平面阵大角度波束扫描的要求。
除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成 的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。
权利要求1、一种可实现大角度波束扫描的平面接收阵，其特征是主要包括反声障板(1)，在反声障板(1)上装有若干组水听器条(2)，其中水听器条(2)由多个点元水听器(2-1)连接而成，反声障板(1)由上下盖板(1-2)和中间层(1-3)组成。
2、 根据权利要求1所述的可实现大角度波束扫描的平面接收阵，其特征是所述反声障板(1)采用通道型橡胶障板，其内部的中间层(1-3)上设有一定形状的空气通道(1-1)。
3、 根据权利要求2所述的可实现大角度波束扫描的平面接收阵，其特征是所述空气通道(1-1)均匀分布于中间层(1-3)中。
4、 根据权利要求1所述的可实现大角度波束扫描的平面接收阵，其特征是所述点元水听器(2-1)为球形水听器。
5、 根据权利要求2或3所述的可实现大角度波束扫描的平面接收阵，其特征是所述的空气通道(1-1)为圆柱形通道。
专利摘要本实用新型涉及一种可实现大角度波束扫描的平面接收阵，主要包括反声障板，在反声障板上装有若干组水听器条，其中水听器条由多个点元水听器连接而成，反声障板由上下盖板和中间层组成。本实用新型的有益效果是通过使用反声障板使阵上阵元具有较宽的指向性，可满足平面阵大角度波束扫描的需要，实现高精度海底地形探测任务。尤其适合做为深水多波束测深系统的水下接收声基阵，广泛应用于海底地形地貌调查、海洋工程建设、海洋资源开发、河流航道调查等方面。
文档编号G01S7/523GK201368917SQ20092011482
公开日2009年12月23日 申请日期2009年3月2日 优先权日2009年3月2日
发明者涛 何, 唐良雨, 夏铁坚, 孔海防, 民 谢, 郝浩琦 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所