CN113053342A - 一种突破衍射极限的水下声准直器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种突破衍射极限的水下声准直器，信号耦合在相应的发射换能器中，所述水下声准直器包含由梯度超构材料制成的第一换能机构和第二换能机构；所述第一换能机构包含实心的方形基座，所述方形基座设置有换能阵列，所述换能阵列包含矩形阵列设置的多个换能件，所述换能件为圆锥形实心结构，所有的所述换能件的底圆面的半径相同，所有的所述换能件的高度相同；所述第二换能机构与所述第一换能机构的结构相同，且所述第二换能机构与所述第二换能机构上下对称设置，上下对应的所述换能件抵接设置。
Description
技术领域
本发明涉及水声换能领域，具体指有一种突破衍射极限的水下声准直器。
背景技术
水声换能器是能把声能和电能(或者两种不同形式的能量)进行互相转换的器件，可用于水下目标探测、水下通信等领域。
但实际应用的水声换能器却有着以下几方面的缺点：(1)传统水声换能器为了匹配压电材料与工作介质水之间的阻抗，通常采用四分之一波长匹配层，从而导致了窄带效应。并且由于单层匹配层材料的声阻抗的不连续性和单一性，往往并不能实现声波的全透射，仍然有一部分的声能量被反射而导致透射声波的声强衰减。(2)由θ＝arcsin(1.22λ/D)可知换能器有衍射极限的限制，且在单位距离的情况下物体分辨率d＝θ，故换能器的水下探测分辨率与机械尺寸(即辐射面直径)和发射频率都成反比，导致现有换能器在尺寸与声波频率的兼顾设置上具有局限性。传统的换能器要突破衍射极限，需要引入大量的有源相控阵，会使结构设计变得非常复杂。
针对上述的现有技术存在的问题设计一种突破衍射极限的水下声准直器是本发明研究的目的。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种突破衍射极限的水下声准直器，能够有效解决上述现有技术存在的问题。
本发明的技术方案是：
一种突破衍射极限的水下声准直器，信号耦合在相应的发射换能器中，所述水下声准直器包含由梯度超构材料制成的第一换能机构和第二换能机构；
所述第一换能机构包含实心的方形基座，所述方形基座设置有换能阵列，所述换能阵列包含矩形阵列设置的多个换能件，所述换能件为圆锥形实心结构，所有的所述换能件的底圆面的半径相同，所有的所述换能件的高度相同；
所述第二换能机构与所述第一换能机构的结构相同，且所述第二换能机构与所述第二换能机构上下对称设置，上下对应的所述换能件抵接设置。
进一步地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述换能阵列的晶格常数a为0.2λ-0.3λ。
进一步地，所述换能件的高度为200mm-220mm。
进一步地，所述换能件的底圆面的半径为4.7mm-4.9mm。
进一步地，所述方形基座设置有换能阵列放置区，所述换能阵列放置区的长为420mm-460mm，所述换能阵列放置区的宽为240mm-280mm，所述换能阵列设置于所述换能阵列放置区内。
进一步地，所述方形基座的宽大于所述换能阵列放置区的宽35-45mm，所述方形基座的长大于所述换能阵列放置区的长35-45mm。
进一步地，上下的所述方形基座之间设置有支撑杆。
进一步地，所述第一换能机构和所述第二换能机构采用ABS材料制成。
进一步地，所述第一换能机构和所述第二换能机构采用声阻抗为3.1Mrayl-3.2Mrayl的ABS材料制成。
进一步地，所述发射换能器的辐射声波的中心频率为36kHz-40kHz。
因此，本发明提供以下的效果和/或优点：
1、本发明通过对水下声准直器的特定结构设置，设置有上下对称的第一换能机构和第二换能机构，所有的换能件的结构相同且上下对应的换能件相互抵接设置，波前经过了水下准直器的相位调制，声波通过水下准直器后能够同时减小声束宽度且增大主轴声能。通过设计线性声速梯度的方式，可以有效缩短在准直器两端的传播时间从而到达相位控制的效果，原来未经相位调制的声波，经过水下声准直器的相位超前效应，最终形成水下的非衍射束。
2、本发明在700mm、500mm、300mm、100mm和50mm为半径的圆弧处接收水下信号的波束宽度分别约为8.36°、7.05°、7.72°、7.72°、8.81°，均比加消声板的Echosounder自身波束宽度9.04°小。
3、本发明相比能够增益水下换能发射器，增益约有20％，从而提高单位距离情况下的物体分辨率。
4、本发明够对换能器的波束宽度进行有效减小，从而能够保证水声探测器能够降低水面和水底的反射波干扰，也能够增加主瓣能量，实现更长距离的水下声学检测和探测功能。
应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。
附图说明
图1为实施例一的结构示意图。
图2为实施例一的第一换能机构的结构示意图。
图3为实施例一的换能件的结构示意图。
图4为实施例一的波束角度表。
图5为指向性实验示意图。
图6为指向性实验的实际照片。
图7为水下指向性测量的实验结果图。
图8为水下指向性测量的实验结果图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：
一种突破衍射极限的水下声准直器，信号耦合在相应的发射换能器中，所述水下声准直器包含由梯度超构材料制成的第一换能机构和第二换能机构；
所述第一换能机构包含实心的方形基座，所述方形基座设置有换能阵列，所述换能阵列包含矩形阵列设置的多个换能件，所述换能件为圆锥形实心结构，所有的所述换能件的底圆面的半径相同，所有的所述换能件的高度相同；
所述第二换能机构与所述第一换能机构的结构相同，且所述第二换能机构与所述第二换能机构上下对称设置，上下对应的所述换能件抵接设置。
进一步地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述换能阵列的晶格常数a为0.2λ-0.3λ。
进一步地，所述换能件的高度为200mm-220mm。
进一步地，所述换能件的底圆面的半径为4.7mm-4.9mm。
进一步地，所述方形基座设置有换能阵列放置区，所述换能阵列放置区的长为420mm-460mm，所述换能阵列放置区的宽为240mm-280mm，所述换能阵列设置于所述换能阵列放置区内。
进一步地，所述方形基座的宽大于所述换能阵列放置区的宽35-45mm，所述方形基座的长大于所述换能阵列放置区的长35-45mm。
进一步地，上下的所述方形基座之间设置有支撑杆。
进一步地，所述第一换能机构和所述第二换能机构采用ABS材料制成。
进一步地，所述第一换能机构和所述第二换能机构采用声阻抗为3.1Mrayl-3.2Mrayl的ABS材料制成。
进一步地，所述发射换能器的辐射声波的中心频率为36kHz-40kHz。
实施例一
参考图1-3，通过3D一体成型打印一种突破衍射极限的水下声准直器，并且所述水下声准直器信号耦合有相应的Echosounder水下发射换能器，其辐射面半径为130mm，所述发射换能器的辐射声波的中心频率为38kHz，所述水下声准直器包含由梯度超构材料制成的第一换能机构1和第二换能机构2；
所述第一换能机构1包含实心的方形基座3，所述方形基座3设置有换能阵列，所述换能阵列包含矩形阵列设置的多个换能件4，所述换能件4为圆锥形实心结构，所有的所述换能件4的底圆面的半径相同，所有的所述换能件4的高度相同；
所述第二换能机构2与所述第一换能机构1的结构相同，且所述第二换能机构1与所述第二换能机构2上下对称设置，上下对应的所述换能件4抵接设置。
进一步地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述换能阵列的晶格常数a为0.2λ-0.3λ。本实施例中，所述换能阵列的晶格常数a具体为0.25λ。根据晶格常数a＝0.25λ，以及水下发射换能器的中心频率38kHz，计算可知，晶格常数设12mm，即相邻的换能件的底面圆心之间的距离为12mm。在其他实施例中，所述换能阵列的晶格常数a也可以为0.2λ或0.3λ。
进一步地，所述换能件4的高度为210mm。
进一步地，所述换能件4的底圆面的半径为4.8396mm。
进一步地，所述方形基座3设置有换能阵列放置区301，所述换能阵列放置区301的长为420mm，所述换能阵列放置区301的宽为240mm，所述换能阵列设置于所述换能阵列放置区301内。
进一步地，所述方形基座3的宽为280mm，所述方形基座3的长为460mm。本实施例中，换能件4的数量为35×20。
进一步地，上下的所述方形基座1之间设置有支撑杆(未画出)。本实施例中，通过支撑杆连接上下的所述方形基座1，更具体地，方形基座1的四个边角设置有锁紧孔，支撑杆为螺栓，通过螺栓锁紧设置于上下的方形基座1之间，起到支撑作用。
进一步地，所述第一换能机构1和所述第二换能机构2采用声阻抗为3.1Mrayl-3.2Mrayl的ABS材料制成。本实施例中，采用声阻抗为3.0475Mrayl的ABS材料进行打印制成，其与水的声阻抗1.48Mrayl的差异较小。通过设计从ABS材料到水的声阻抗分布呈线性梯度的下降趋势。
工作原理：
通过积分的原理，将换能件看做是数量足够大的片层组成的圆锥形结构，声速在第i层(i＝1,2,3…N)的传播时间为：
设定准直器上端的声速值为Ci，准直器中心的声速值为C0，准直器下端的声速为C-i，则声速在层中变化的函数为：
Ci(z)＝C0+gi(z-zi)。
其中，声速梯度：
则各层的传播时间为：
通过设计线性声速梯度的方式，可以有效缩短在准直器两端的传播时间从而到达相位控制的效果，原来未经相位调制的声波，经过水下声准直器的相位超前效应，最终形成水下的非衍射束。
另外，由于水下准直器的声速分布为线性梯度变化，所以其声学特性是宽带的，非经典的单层窄带传输。通过求解水下Echosounder辐射面的声场空间分布，可以得到波束角度为：
其中，λ是声波在背景介质中(例如水中)的波长，D是Echosounder的辐射面直径。通过上式模拟出来和实测出来的Echosounder波束角度如图4的表格所示。
当入射波的频率为38kHz的时候，波前经过了水下准直器的相位调制，声波通过水下准直器后能够同时减小声束宽度且增大主轴声能，这是传统的结构设计很难同时达到这两种的效果。
实验数据
将实施例一的水下声准直器进行指向性实验，测量并统计其数据。
指向性实验如图5-6所示，水下发射换能器工作在38kHz频率，并且为了适应水听器的接收量程，本实验在水下发射换能器增设消声板，水听器与水下发射换能器的距离设置为1m，水下发射换能器与水下声准直器的距离分别为700mm、500mm、300mm、100mm和50mm。
针对水下声准直器测量的声压幅度进行作图得到如图7-8所示的结果图。水下发射换能器与水下声准直器的距离为700mm、500mm、300mm、100mm和50mm，对应接收水下信号的波束宽度分别约为8.36°、7.05°、7.72°、7.72°、8.81°，均比加消声板的Echosounder自身波束宽度9.04°小。加消声板的Echosounder加上本水下声准直器的幅值比不加结构的幅值大，增益约有20％。加消声板的Echosounder自身的双边指向性锐角约为21°，单位距离情况下的物体分辨率约为36.6cm，而加消声板的Echosounder加了结构后的双边指向性锐角在不同距离处时不同，在700mm、500mm、300mm、100mm和50mm的情况下分别约为17.07°、15.72°、14.22°、15.31°、16.39°，对应的单位距离情况下的物体分辨率分别约为29.8cm、27.4cm、24.8cm、26.7cm、28.6cm，分别提高了约18.58％、25.14％、32.24％、27.05％、21.86％。证明本水下声准直器能够对换能器的波束宽度进行有效减小，从而能够保证水声探测器能够降低水面和水底的反射波干扰，也能够增加主瓣能量，实现更长距离的水下声学检测和探测功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种突破衍射极限的水下声准直器，信号耦合在相应的发射换能器中，其特征在于：所述水下声准直器包含由梯度超构材料制成的第一换能机构和第二换能机构；
所述第一换能机构包含实心的方形基座，所述方形基座设置有换能阵列，所述换能阵列包含矩形阵列设置的多个换能件，所述换能件为圆锥形实心结构，所有的所述换能件的底圆面的半径相同，所有的所述换能件的高度相同；
所述第二换能机构与所述第一换能机构的结构相同，且所述第二换能机构与所述第二换能机构上下对称设置，上下对应的所述换能件抵接设置。
2.根据权利要求1所述的一种突破衍射极限的水下声准直器，其特征在于：定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述换能阵列的晶格常数a为0.2λ-0.3λ。
3.根据权利要求1所述的一种突破衍射极限的水下声准直器，其特征在于：所述换能件的高度为200mm-220mm。
4.根据权利要求1所述的一种突破衍射极限的水下声准直器，其特征在于：所述换能件的底圆面的半径为4.7mm-4.9mm。
5.根据权利要求1所述的一种突破衍射极限的水下声准直器，其特征在于：所述方形基座设置有换能阵列放置区，所述换能阵列放置区的长为420mm-460mm，所述换能阵列放置区的宽为240mm-280mm，所述换能阵列设置于所述换能阵列放置区内。
6.根据权利要求5所述的一种突破衍射极限的水下声准直器，其特征在于：所述方形基座的宽大于所述换能阵列放置区的宽35-45mm，所述方形基座的长大于所述换能阵列放置区的长35-45mm。
7.根据权利要求1所述的一种突破衍射极限的水下声准直器，其特征在于：上下的所述方形基座之间设置有支撑杆。
8.根据权利要求1所述的一种突破衍射极限的水下声准直器，其特征在于：所述第一换能机构和所述第二换能机构采用ABS材料制成。
9.根据权利要求8所述的一种突破衍射极限的水下声准直器，其特征在于：所述第一换能机构和所述第二换能机构采用声阻抗为3.1Mrayl-3.2Mrayl的ABS材料制成。
10.根据权利要求1所述的一种突破衍射极限的水下声准直器，其特征在于：所述发射换能器的辐射声波的中心频率为36kHz-40kHz。
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