CN103230865A

CN103230865A - 对接阵

Info

Publication number: CN103230865A
Application number: CN2013100663325A
Authority: CN
Inventors: 李�和; 王德滨; 杨树元
Original assignee: BEIJING ZHONGKE XINXIN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING ZHONGKE XINXIN TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: CN103230865B

Abstract

本发明涉及一种对接阵，所述对接阵包括：发射换能器和匹配层；所述发射换能器基阵，包括多个发射换能器，所述发射换能器的位置分布与所述被测声基阵中的声传感器镜像对应；所述匹配层，位于所述换能器基阵与所述被测声基阵之间，所述发射换能器基阵通过所述匹配层与所述被测声基阵相接。本发明的对接阵利用工作频带宽、效率高的发射换能器，采用与被测声基阵的阵元一一对应的阵元分布，可以有效解决机械耦合问题，具有较好的幅度和相位特性。

Description

对接阵

技术领域

本发明涉及水声的仿真测试技术领域，尤其涉及一种对接阵。

背景技术

对接阵法仿真是水下航行器***仿真的一个重要手段，其设计思想是将目标仿真***产生的数字信号（仿真目标回波声场、噪声场、混响场等），通过D/A转换成模拟信号，经匹配放大后通过对接阵发送给被测声传感器，从而构成被测声制导***的试验室仿真环境。

现有的仿真***主要包括两种，一是采用单个换能器的仿真***，其产生的不是平行波束,精度差,相互耦合干扰大,只能产生0度方位声波,相频特性,幅频特性差,而且只能做定性仿真。同时需要一定发射距离,检测条件严格。二是采用与被测声基阵共形的对接阵法，则相对简洁方便，精度高,相频特性,幅频特性好，但其中不可避免地存在着交叉耦合，并且机械解耦十分困难。交叉耦合是指当对接阵发射信号时，由于多个阵元之间的辐射声信号在介质中扩散传播，相互叠加，造成被测的换能器基阵各通道接收到的声信号相位发生变化，接收的信号不能正确反映所携带的信息，主要是指幅度和相位信息。交叉耦合是影响对接阵性能的主要因素，机械耦合的精确程度直接影响仿真的效果，其机理、可行性和通用性一直是困扰对接阵仿真方法广泛应用的难题。

现有的被测声制导***中的声自导换能器基阵多为平面阵，基阵阵元采用为纵振式复合棒型换能器，它以较小的重量和体积获得大的声能密度而广泛用于水声和超声技术中。因此，为了与被测声基阵共形，对接阵也采用平面阵，阵元采用纵振式复合棒型换能器。纵振式复合棒型换能器振动时，其表面的振速分布是均匀的，可以看成一平面活塞沿轴作一维纵向振动，当声对接阵与被测声基阵间加入匹配层时，即产生声波的扩散传播，使对接阵的幅度和相位特性变差。

发明内容

本发明的目的是提供一种对接阵，可以有效解决机械耦合问题，具有较好的幅度和相位特性。

为实现上述目的，本发明提供了一种对接阵，所述对接阵包括：发射换能器和匹配层；

所述发射换能器基阵，包括多个发射换能器，所述发射换能器的位置分布与所述被测声基阵中的声传感器镜像对应；

所述匹配层，位于所述换能器基阵与所述被测声基阵之间，所述发射换能器基阵通过所述匹配层与所述被测声基阵相接。

进一步的，所述发射换能器采用半径为5mm±0.05的圆形换能器。

进一步的，所述发射换能器嵌入于吸声材料中。

进一步的，所述吸声材料为橡胶吸声材料。

进一步的，所述吸声材料为尖劈外形。

进一步的，所述发射换能器相邻两个之间通过反声材料加以间隔。

进一步的，所述匹配层采用与所述被测声基阵的硫化层相同的透声橡胶材料。

进一步的，所述匹配层的厚度为2mm～4mm。

进一步的，所述匹配层与所述被测声基阵之间还包括超声耦合剂层，在使用时，该超声耦合剂层均匀分布在所述匹配层与被测声基阵之间。

本发明提供的对接阵，利用工作频带宽、效率高的发射换能器，采用与被测声基阵的阵元一一对应的阵元分布，有效地解决了机械耦合问题，使得发射换能器的各阵元形成各自独立的声信道，产生入射到被测声基阵的不同方向的平面波信号，具有较好的幅度和相位特性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的对接阵的结构示意图；

图2为图1中A的局部放大图；

图3为本发明实施例提供的发射换能器的电纳测试曲线图；

图4为本发明实施例提供的发射换能器的电容的测试曲线图；

图5为本发明实施例提供的单个发射换能器与吸声材料的装配关系图；

图6为本发明实施例提供的对接阵的内部结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1是本实施例提供的对接阵的结构示意图，如图1和图2所示，本发明的对接阵包括：发射换能器基阵1和匹配层2。

发射换能器基阵1包括多个发射换能器11、对接阵底座12和吸声材料13。在本发明实施例中采用37个发射换能器11组成，发射换能器11的位置分布与被测声基阵中的声传感器镜像对应，以实现发射换能器11与被测声基阵3的声匹配。

为了获得比较好的仿真效果，要求对接阵的各个发射换能器11具备和被测声基阵3相适应的工作带宽，并具有较好的相位和幅度一致性。本发明实施例的发射换能器11采用工作频带在25kHz～35kHz内，谐振频率在90kHz附近的发射换能器，通常取值范围为90±10kHz。在对接阵工作时，由于对接阵与被测声基阵3紧密贴合，信号衰减小，因而，可以选用发射功率小，半径小的换能器。在相同的径向距离点时，小半径活塞面的声振幅远小于大半径活塞面的声振幅，换能器辐射面半径愈小，辐射声能量就愈集中于活塞辐射面内，可以有效地减少阵元间的交叉耦合影响。在本发明实施例中，选用半径为5±0.05mm，工作频带在25kHz～35kHz内，谐振频率在90kHz附近的圆形换能器，如图3和图4所示为本发明实施例的发射换能器的电纳和电容的测试曲线，可以看出，在90kHz附近时该换能器的电纳在5000000ns～6000000ns之间，电容为±4500pf左右，该换能器可以在25kHz～35kHz范围内工作稳定，且具有良好的一致性，灵敏度好。本发明由于选用谐振频率较高的发射换能器，并在其低频区段工作，可以改善现有的对接阵对发射换能器的带宽和一致性要求高的问题。经测试，本发明的对接阵可以25kHz～35kHz工作频带内，各单元相频特性≤5°，幅频特性≤3dB。

各个发射换能器11之间，以及发射换能器11与对接阵底座12之间均填充有吸声材料13，相当于将各个发射换能器11嵌入于吸声材料13中。吸声材料13选用橡胶吸声材料，其性能指标：在25KC～35KC的范围内，对声波的吸收率达到85%～90%。为了进一步提高吸声效率，吸声材料13还可以设计成尖劈外形，如图5所示。

匹配层2位于发射换能器基阵1与被测声基阵3之间，用以模拟介质声阻抗特性。在测试时，发射换能器基阵1通过匹配层2与被测声基阵3相对接。在对接阵工作时，声信号透过匹配层2和被测声基阵3的硫化层，传递给被测声基阵3的声换能器。声波在通过不同介质界面时，存在声波的反射和透射。为提高被测接收信号的品质，应尽量降低层与层之间的反射，提高透射能力。

在本发明实施例中，匹配层2采用与被测声基阵3的硫化层相同的材料，可以降低层与层之间的反射，提高透射能力。目前在水声工程中，被测声基阵3的硫化层主要采用浇注型橡胶，它具有较小的纵波衰减系数，耐老化，有良好的粘接性，阻抗特性与介质相近。当两种介质的阻抗特性越接近，界面反射越小，因而，匹配层2采用与被测声基阵3的硫化层相同的透声橡胶材料。另外，在一定频率下进行透射测量时，匹配层2的厚度越薄，透声效果越好，考虑对接装置的强度、硫化橡胶的弹性柔度等因素，匹配层2的厚度为2mm～4mm。

可选地，匹配层2与被测声基阵3之间还包括超声耦合剂层4。在实际使用时，采用具有良好透声效果和一定粘稠度的医用超声耦合剂均匀涂抹在对接装置与被测声基阵之间，提高对接装置与被测声基阵的贴合程度，提高接收的声信号的品质。

为了进一步消除发射换能器之间的耦合，发射换能器11相邻两个之间通过反声材料加以间隔。如图6所示，在发射换能器11之间采用反声材料14加以间隔，反声材料14的厚度为1mm左右，通常为1±0.5mm，再与对接阵底座12一起硫化成完整的对接阵，发射换能器11的导线15穿过对接阵底座12由统一接口与外部相接。由于发射换能器11与对接阵底座12之间有吸声材料13，发射换能器11与对接阵底座12没有刚性接触，每个发射换能器11作为独立的振子可以自由振动，可以进一步降低换能器阵元之间的耦合。通过硫化的方式将发射换能器11与对接阵底座12合成一体，较好地解决了发射换能器之间的耦合问题。

发射换能器11作为一种电声转换元件，每个发射换能器11对应为一个阵元，由于各个阵元并非完全的有限束场，各个阵元的声辐射并不完全在阵元平面内，由若干发射换能器11组成的发射换能器基阵1在工作时各个阵元间的交叉耦合、互辐射作用必然会对彼此之间产生影响。因而，在对接阵进行装置布阵和结构设计时，采用反声材料加以间隔，采用吸声材料，采用与被测声基阵3的硫化层相同材料的匹配层，以及采用与对接阵底座12一体硫化等有效的方法，使各个阵元间的交叉耦合降至最小。

当通过本发明的对接阵发射单通道信号时，对比采集的被测声基阵对应通道及该通道周边相邻通道的接收信号幅度，对应通道的接收信号强度远大于该通道周边相邻通道的接收信号。通过对接阵发送具有一定方向性的输入信号，被测声基阵接收后经数据处理，得到的信号方向与对接阵发送的输入信号方向具有很好的一致性，角度误差小于0.1度。

另外，对接阵还包括连接夹具5，连接夹具5与发射换能器基阵1相接，并使得发射换能器基阵1在测试时通过匹配层2与被测声基阵3紧密相连接。

本发明提供的对接阵，具有工作频带宽、相位和幅度一致性好、阵元之间耦合小、操作灵活的特点。利用工作频带宽、效率高的发射换能器，采用与被测声基阵的阵元一一对应的阵元分布，有效地解决了机械耦合问题，使得发射换能器的各阵元形成各自独立的声信道，产生入射到被测声基阵的不同方向的平面波信号，具有较好的幅度和相位特性。

经过试验结果表明，本发明的对接阵仿真精度高，***工作稳定可靠，较好地解决了对接阵的发射换能器之间的耦合问题。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种对接阵，用于测试被测声基阵，其特征在于，所述对接阵包括：发射换能器和匹配层；

2.根据权利要求1所述的对接阵，其特征在于，所述发射换能器采用半径为5mm±0.05的圆形换能器。

3.根据权利要求1所述的对接阵，其特征在于，所述发射换能器嵌入于吸声材料中。

4.根据权利要求3所述的对接阵，其特征在于，所述吸声材料为橡胶吸声材料。

5.根据权利要求3所述的对接阵，其特征在于，所述吸声材料为尖劈外形。

6.根据权利要求1所述的对接阵，其特征在于，所述发射换能器相邻两个之间通过反声材料加以间隔。

7.根据权利要求1所述的对接阵，其特征在于，所述匹配层采用与所述被测声基阵的硫化层相同的透声橡胶材料。

8.根据权利要求1或7所述的对接阵，其特征在于，所述匹配层的厚度为2mm～4mm。

9.根据权利要求1所述的对接阵，其特征在于，所述匹配层与所述被测声基阵之间还包括超声耦合剂层，在使用时，该超声耦合剂层均匀分布在所述匹配层与被测声基阵之间。