专利名称：一种浅水多波束声纳u型发射阵实现方法
技术领域：
本发明涉及水声测量领域，主要是一种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法。
背景技术：
我国是一个拥有300万平方公里海洋国土的海洋大国，其中大部分地区是浅海， 如我国的北海和东海都是水深不足200米的浅海，海洋开发和海洋工程(如港口建设、海上采油等)都集中在近海，此外大量的内陆湖泊、内河航道、水库等均为浅水区(小于200 米)，都需要利用体积小、重量轻的浅水多波束测深系统进行准确、快速的地形地貌测量。目前浅水多波束测深系统中具有典型代表性的有Simrad EM3000、SeaBeam 1180、 ResonSeabat 8101等等。Simrad EM3000采用“T”型阵，发射单波束，接收多波束，工作频率300kHz。缺点主要有中心波束混响严重；横向接收波束宽度不均勻，导致整个条带分辨率不均勻。ResonSeabat 8101发射采用直线阵，接收采用圆环形阵，工作频率240kHz，虽然一定程度上提高了边缘波束的分辨力，但仍存在中心波束混响严重的问题。SeaBeam 1180 为了提高边缘波束分辨力及改善发射波束横向能量分布，采用“V”型面阵，但仍存在明显不足，分时发射需要3个测量周期才能完成整个条带的测量，不仅影响测绘速度，也会引起额外的条带分辨率不均勻性。为了进一步提高浅海多波束声纳系统总体性能，人们提出了 U型收发基阵的技术方案，该方法构造一个具有特定指向性的收发基阵，使得中心波束强度远小于边缘波束，同时解决了中心正入射海底强混响严重问题，及边缘波束物理分辨力问题。目前国外普遍采用工艺复杂的1-3复合材料来制作收发基阵，这样会导致两个不足，一是带宽不够宽，二是声源级不够大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提供一种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法。本发明解决其技术问题采用的技术方案这种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法，包括如下步骤步骤一根据工作中心频率f及陶瓷颗粒的纵向声速ν确定陶瓷颗粒的高度h，即 h = ν/(2f)，之后确定陶瓷颗粒的长度a和宽度b ；步骤二 根据所需的带宽选择陶瓷颗粒与匹配层之间的占空比Y，占空比是指陶瓷颗粒与匹配层粘接的面积与匹配层面积之比；步骤三根据所需的指向性设计U型阵的阵形，这里选用悬链线阵型y(x)= (cosh (Αχ)-1) /A,以实现边缘波束比中心波束高12 15dB ；其中χ表示阵形的横坐标，y表示阵形的纵坐标，A为阵形参数，决定了阵形的纵横比例关系；步骤四根据占空比选择支撑骨架底盘的厚度t、横挡的厚度d，使得(a*b)/ ((a+d)*(b+2t)) = Y，后挡的形状由步骤三中公式所确定，用来定位陶瓷颗粒，硬质泡沫条用来使陶瓷颗粒与后挡去耦；步骤五按步骤三、四计算的尺寸加工一个支撑骨架，再加工一个带有销钉孔的U 型铁心，套合在支撑骨架内部，用于多个U型铁心的定位；步骤六把陶瓷颗粒放入支撑骨架的横挡之中，并把陶瓷颗粒的正、负极用导线并联起来；步骤七盖上上盖板，浇注匹配层，并把匹配层打磨到相应的厚度和高度；步骤八重复步骤五至步骤七，这样可以得到多个匹配层U型换能器。步骤九用销钉把多个匹配层U型换能器通过定位铁环上的销钉孔上下同心装配好，且在每两个匹配层U型换能器之间插入一层去耦软木橡皮。步骤十在装配好的匹配层U型换能器外部灌注聚胺脂水密层，其厚度不小于 3mm ο作为优选，所述陶瓷颗粒的高度是其长和宽中最大尺度的1.5倍以上。作为优选，百分比带宽为30%时取γ = 0.7左右，百分比带宽达到60%时取γ =0. 5左右。本发明有益的效果是1、本发明首先利用匹配层来激发偶次模态，拓展换能器的带宽；其次利用匹配层来构建一个U型辐射面，以实现边缘波束比中心波束高12 15dB ；最后还利用了多个匹配层U型换能器上下同心堆叠，以达到垂直维束控的目的。2、结构简单、工艺可靠、电声效率高、发射电压响应高、工作带宽宽、水平波束起伏
图1是本发明一个较佳实施例的结构分解图。1-支撑骨架底盘、2-支撑骨架横挡、3-支撑骨架后挡、4-定位铁环、5-陶瓷颗粒、 6-盖板、7-匹配层、8-硬质泡沫。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明参见图1，为采用本发明实现的一种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法中的单个换能器，其采用ABS塑料作为支撑骨架，45#钢作为定位铁环4，环氧板作为盖板。图中本实施例中单个匹配层圆环换能器采用128个锆钛酸铅(PZT-4)压电陶瓷颗粒， 每个陶瓷颗粒5尺寸为5mmX 5mmX 8mm。支撑骨架底盘1厚0. 7mm,支撑骨架横挡2厚0. 6mm, 支撑骨架后挡3形状参数A为16。盖板6厚0.7mm。匹配层7高度为9. 5mm，径向厚度为 3mm。单个换能器的内部结构如图1所示。本实施例共采用32个换能器组成一个U型阵。本发明所述的这种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法，包括如下步骤步骤一根据工作中心频率f及陶瓷颗粒的纵向声速ν确定陶瓷颗粒的高度h，即 h = ν/(2f)，之后确定陶瓷颗粒的长度a和宽度b ；步骤二 根据所需的带宽选择陶瓷颗粒与匹配层之间的占空比Y，占空比是指陶瓷颗粒与匹配层粘接的面积与匹配层面积之比；
步骤三根据所需的指向性设计U型阵的阵形，这里选用悬链线阵型y(x)= (cosh (Αχ)-1) /A,以实现边缘波束比中心波束高12 15dB ；其中χ表示阵形的横坐标，y表示阵形的纵坐标，A为阵形参数，决定了阵形的纵横比例关系；步骤四根据占空比选择支撑骨架底盘的厚度t、横挡的厚度d，使得(a*b)/ ((a+d)*(b+2t)) = Y，后挡的形状由步骤三中公式所确定，用来定位陶瓷颗粒，硬质泡沫条(硬质泡沫8)用来使陶瓷颗粒与后挡去耦；步骤五按步骤三、四计算的尺寸加工一个支撑骨架，再加工一个带有销钉孔的U 型铁心，套合在支撑骨架内部，用于多个U型铁心的定位；步骤六把陶瓷颗粒放入支撑骨架的横挡之中，并把陶瓷颗粒的正、负极用导线并联起来；步骤七盖上上盖板，浇注匹配层，并把匹配层打磨到相应的厚度和高度；步骤八重复步骤五至步骤七，这样可以得到多个匹配层U型换能器。步骤九用销钉把多个匹配层U型换能器通过定位铁环上的销钉孔上下同心装配好，且在每两个匹配层U型换能器之间插入一层去耦软木橡皮。步骤十在装配好的匹配层U型换能器外部灌注聚胺脂水密层，其厚度不小于 3mm ο所述陶瓷颗粒的高度是其长和宽中最大尺度的1. 5倍以上。百分比带宽为30%时取γ =0.7左右，百分比带宽达到60%时取γ =0.5左右。除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1.一种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法，其特征是包括如下步骤步骤一根据工作中心频率f及陶瓷颗粒的纵向声速V确定陶瓷颗粒的高度h，即h = ν/(2f)，之后确定陶瓷颗粒的长度a和宽度b ；步骤二 根据所需的带宽选择陶瓷颗粒与匹配层之间的占空比Y，占空比是指陶瓷颗粒与匹配层粘接的面积与匹配层面积之比；步骤三根据所需的指向性设计U型阵的阵形，选用悬链线阵型y (χ)= (cosh(Ax)-1)/A,以实现边缘波束比中心波束高12 15dB ；其中χ表示阵形的横坐标，y表示阵形的纵坐标，A为阵形参数，决定了阵形的纵横比例关系；步骤四根据占空比选择支撑骨架底盘的厚度t、横挡的厚度d，使得(a*b)/ ((a+d)*(b+2t)) = Y，后挡的形状由步骤三中公式所确定，用来定位陶瓷颗粒，硬质泡沫条用来使陶瓷颗粒与后挡去耦；步骤五按步骤三、四计算的尺寸加工一个支撑骨架，再加工一个带有销钉孔的U型铁心，套合在支撑骨架内部，用于多个U型铁心的定位；步骤六把陶瓷颗粒放入支撑骨架的横挡之中，并把陶瓷颗粒的正、负极用导线并联起来；步骤七盖上上盖板，浇注匹配层，并把匹配层打磨到相应的厚度和高度； 步骤八重复步骤五至步骤七，这样得到多个匹配层U型换能器； 步骤九用销钉把多个匹配层U型换能器通过定位铁环上的销钉孔上下同心装配好， 且在每两个匹配层U型换能器之间插入一层去耦软木橡皮；步骤十在装配好的匹配层U型换能器外部灌注聚胺脂水密层，其厚度不小于3mm。
2.根据权利要求1所述的浅水多波束声纳U型发射阵实现方法，其特征是所述陶瓷颗粒的高度是其长和宽中最大尺度的1. 5倍以上。
3.根据权利要求1所述的浅水多波束声纳U型发射阵实现方法，其特征是百分比带宽为30%时，取γ = 0.7，百分比带宽达到60%时取γ =0.5。
全文摘要
本发明涉及一种浅水多波束声纳U型发射阵实现方法，本发明首先利用匹配层来激发偶次模态，拓展换能器的带宽；其次利用匹配层来构建一个U型辐射面，以实现边缘波束比中心波束高12～15dB；最后还利用了多个换能器上下同心堆叠，以达到垂直维束控的目的。本发明有益的效果具有结构简单、工艺可靠、带宽宽、水平波束局部起伏小、可垂直束控、电声效率高的优点。
文档编号G01S7/524GK102176007SQ201010619528
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者胡青, 裘洪儿, 郑震宇 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所