技术领域
[0001] 本
发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种超宽带收发组合水声换能器阵。
背景技术
[0002] 水声换能器主要功能是将电
信号和声信号进行相互转换的器件，水声换能器阵则是由多个换能器组成的阵列机构，因此，水声换能器或水声换能器阵成为了水声设备中必不可少的组部件。
[0003] 随着海洋战略的不断推进，以及水声技术的快速发展，国内外均对换能器技术进行了深入的研究。如
说明书附图5所示的美国
专利4068209中介绍的深水换能器采用内部冲油方法达到压
力平衡，工作深度可达11000m，利用内部油腔与结构件的耦合形成多模振动，拓宽了换能器的使用频段。美国专利4488271中通过多种不同尺寸的溢流式圆管构成多
谐振腔，改变圆管的尺寸可调整工作
频率，获得更宽的换能器带宽，
覆盖频段为200Hz～2kHz。
[0004] 国外不仅注重系列化换能器的开发，同时也很注重对换能器工作性能的认知和使用潜力挖掘。到目前为止，美国已经有系列化的宽带、高效换能器用于水下装备，其中1kHz以下主要用于潜标、深海潜器等载体的声源；工作频率在1kHz～100kHz主要用于吊放声纳、水声通信、壁障声纳、探雷声纳等装备；工作频率为10kHz附近的主要应用于应答器、声学释放器等方面。可见，国外的换能器已经覆盖全工作频带，甚至覆盖全水域。
[0005] 国内换能器研究相比于国外起步较晚，随着国内水声技术的不断发展，国内多家科研院所做了大量工作，也取得了较好的成绩，甚至在某些应用方面已经处于世界前沿。如“蛟龙号”载人潜器上的水声通信换能器，工作频段为7kHz～15kHz，最大声源级为195dB，波束宽度为80°，工作水深可达7000m，如说明书附图6所示。
[0006] 为了精确测量
推进器尾流气泡的声反射情况，需要对其尾流气泡层发射3kHz～100kHz的声学脉冲信号，其工作频段宽、且需同时具备发射和接收功能。另外，受到测量平台(小型ROV)的搭载能力限制，还需整个换能器阵尺寸小、重量轻。综合国内外现有换能器情况，均无覆盖上述超宽频带，且尺寸小巧、重量轻，可安装在小型测量平台上的标准产品，需要针对性设计研制。
[0007] 综上所述，现有国内外通用宽带换能器无论是在覆盖频率、尺寸、重量上均无法满足推进器尾流气泡测试所需，亦无类似产品，需要针对项目需求进行全新设计和研制。
发明内容
[0008] 为解决上述
现有技术存在的问题及不足，本发明提供了一种超宽带收发组合水声换能器阵。
[0009] 具体采用了以下设计结构及设计方案：
[0010] 一种超宽带收发组合水声换能器阵，包括机械壳体(1)、发射端(2)、接收端(3)，发射端(2)分别设置在机械壳体(1)两侧，接收端(3)设置在机械壳体(1)中部，且接收端(3)设置于调节
支架(5)上，发射端(2)与接收端(3)内部组合后，通过连接
电缆(4)集成输出，其工作频段可覆盖3kHz～100kHz。
[0011] 优选的，所述发射端(2)包括3kHz～18kHz、18kHz～45kHz、45kHz～100kHz三个独立组件，且3kHz～18kHz和18kHz～45kHz、45kHz～100kHz分别封装在舱体(21)和舱体(22)中。
[0012] 优选的，所述接收端(3)包括1kHz～40kHz、40kHz～100kHz两个独立组件，且1kHz～40kHz、40kHz～100kHz分别封装在舱体(31)和舱体(32)。
[0013] 优选的，所述3kHz～18kHz、18kHz～45kHz、45kHz～100kHz发射换能器，均采用复合棒结构，并在多谐振峰宽带设计
基础上，增加内部前压电陶瓷堆和后压电陶瓷堆的
串联电阻调节发射带内平坦度。
[0014] 优选的，所述1kHz～40kHz
水听器、40kHz～100kHz水听器均采用采用2个压电陶瓷圆环串联方式，降低重量和尺寸。
[0015] 优选的，所述发射端(2)和接收端(3)的组合
连接线，在机械壳体(1)内进行级联。
[0016] 优选的，所述接收端(3)通过调节支架(5)调节高度，扩大接收端(3)接受开
角。
[0017] 优选的，所述舱体(21)上部分呈喇叭形，下部分采用极化压电圆柱形。
[0018] 本发明的工作原理如下：
[0019] 本发明换能器阵发射频率为3kHz～100kHz，接收频率为1kHz～100kHz，属于收发分置结构。发射端利用三个复合棒结构发射换能器联合实现，分别对应频段为3kHz～18kHz，18kHz～45kHz，45kHz～100kHz；接收端利用2个压电陶瓷圆环串联水听器实现，其频段分别为1kHz～40kHz，40kHz～100kHz。将上述发射和接收换能器基封装一体，内部设计有匹配吸声障板，降低接收声信号在换能器阵内反射
叠加，提高接收声信号
信噪比。
[0020] 本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：本发明在尺寸小、重量轻的基础上，实现更大频段(3kHz-100kHz)的覆盖范围，同时具备发射与接收功能，便于小型水下航行体的适合安装，满足小型航行体的实航测试需求。满足小型水下航行体上实现超宽带水声探测的换能器阵使用需求，上述小型、超宽带便携换能器阵国内外，未见相应设计及产品。
附图说明
[0021] 图1为本发明的结构示意图；
[0022] 图2为本发明的俯视图；
[0023] 图3为本发明的主视图；
[0024] 图4为本发明的使用状态图；
[0025] 图5为国外现有技术的结构示意图；
[0026] 图6为现有技术换能器的结构示意图；
[0027] 图7为本发明发射端3kHz～18kHz、18kHz～45kHz、45kHz～100kHz的发射
电压响应仿真结果；
[0028] 图8为本发明接收端1kHz～40kHz的灵敏度仿真分析结果、3kHz垂直
指向性约为130°的仿真结果、40kHz垂直指向性约为73°的仿真结果图；
[0029] 图9为本发明接收端40kHz～100kHz的的灵敏度仿真分析结果、100kHz垂直指向性约为130°的仿真结果图
[0030] 图10为本发明发射声源级及指向性曲线图
[0031] 图11为本发明接收及指向性曲线图
[0032] 图12为本发明在18kHz～45kHz带内平坦度曲线图；
[0033] 图13为本发明在10kHz探测信号测量结果图。
[0034] 附图标号：1—机械壳体；2—发射端；21—舱体；22—舱体；3—接收端；31—舱体；32—舱体；4—连接电缆；5—调节支架；6—ROV。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图以及具体的
实施例对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明。
[0036] 如说明书附图1-3所示，一种超宽带收发组合水声换能器阵，包括机械壳体1、发射端2、接收端3，其中发射端23kHz～18kHz、18kHz～45kHz、45kHz～100kHz三个独立组件，3kHz～18kHz和18kHz～45kHz、45kHz～100kHz分别封装在舱体21和舱体22中，且分别设置在机械壳体1两侧，发射端2与接收端3内部组合后，通过连接电缆4集成输出；接收端3包括
1kHz～40kHz、40kHz～100kHz两个独立组件，且1kHz～40kHz、40kHz～100kHz分别封装在舱体31和舱体32，且设置在机械壳体1中部；接收端3设置于调节支架5上，该装置同时满足发射与接收功能，其工作频段可覆盖3kHz～100kHz。
[0037] 进一步地，发射端2和接收端3的组合连接线，在机械壳体1内进行级联，最终输出为一个独立水密连接器，便于匹配安装，适用于大部分水下小型ROV等水下航行器。
[0038] 进一步地，接收端3通过调节支架5调节高度，可根据实际使用情况对接收部分进行范围内高度调节，扩大接收端3接受开角，降低基阵壳体及载体(如ROV)的物理遮挡和声反射。
[0039] 进一步地，舱体21上部分采用喇叭形的纵振Tonpilz型，拥有功率容量大、可调频带宽，以及制作加工工艺简单等优点；下部分采用极化压电圆柱形，拥有工作性能稳定、结构简单，水平方向无指向性，以及接收灵敏度高等优点。
[0040] 进一步地，该装置的主要技术指标如下：
[0041] (1)3kHz～18kHz发射换能器：3kHz～4kHz工作频段内发射电压响应不小于126dB，起伏不大于6dB，最大声源级不小于186dB；4kH～z18kHz频段内发射电压响应不小于135dB，起伏不大于6dB，最大声源级不小于186dB；
[0042] (2)18kHz～45kHz发射换能器：工作频段内发射电压响应不小于130dB，起伏不大于6dB，最大声源级不小于186dB；
[0043] (3)45kHz～100kHz发射换能器：工作频段内发射电压响应不小于140dB，起伏不大于6dB，最大声源级不小于186dB；
[0044] (4)1kHz～40kHz水听器：接收灵敏度不小于-193dB，起伏不大于6dB，水平指向性不小于80°@20kHz；
[0045] (5)40kHz～100kHz水听器：接收灵敏度不小于-205dB，起伏不大于6dB，水平指向性不小于80°@70kHz；
[0046] 结合实际物理尺寸和宽带阻抗匹配，如说明书附图7所示，综合仿真分别获得3kHz～18kHz的发射电压响应仿真结果、18kHz～45kHz发射换能器发射电压响应仿真结果、45kHz～100kHz发射换能器发射电压响应仿真结果，由图7可知，换能器的发射电压响应在频带内不小于140dB，满足设计输入相关技术指标要求，可为水声远距离探测提供较大声源级；
[0047] 1kHz～40kHz水听器和40kHz～100kHz水听器均采用压电陶瓷圆环串并联的方式，1kHz～40kHz水听器的单个水听器灵敏度不小于-193dB，串联后水听器灵敏度不小于-
178dB；40kHz～100kHz水听器的灵敏度略低，串联后水听器灵敏度不小于-180dB；水听器水平无指向性(可施加障板调节指向性)，如说明书附图8所示，分别为1kHz～40kHz的灵敏度仿真分析结果、3kHz垂直指向性约为130°的仿真结果、40kHz垂直指向性约为73°的仿真结果；如说明书附图9所示，分别为40kHz～100kHz的灵敏度仿真分析结果、100kHz垂直指向性约为130°的仿真结果，由此可见，根据有限元法进行仿真分析，本发明专利设计的组合换能器在发射和接收方面均可满足实际使用需求。
[0048] 进一步地，1kHz～40kHz水听器、40kHz～100kHz水听器均采用压电陶瓷圆环串联。假设发射换能器内部前压电陶瓷堆和后压电陶瓷堆的串联电阻分别为R1和R2，则调整R1和R2的阻值对发射换能器的带内平坦度进行控制。通过
有限元分析，仿真在不同阻值情况下发射换能器的发射响应，以文章设计的18kHz～45kHz双谐振发射换能器为例，仿真分析其发射响应随电阻阻值变化曲线见图12所示。调整R1、R2阻值可以将发射换能器的频带内平坦度进行基本控制，通过优化电阻R1和R2的值，可以得出在R1＝940Ω，R2＝330Ω时,具有较好的带内平坦度(见图12中虚线所示)，且总体带内发射响应变化不大，可满足本换能器阵设计所需。
[0049] 具体实施方式如下：
[0050] 整个换能器阵(含支架等)重量为9.4kg，尺寸为328mm长×140mm宽×240mm厚，最大工作水深为200m，为了进一步获得换能器的实际工作性能，与实验室通常采用的收发独立测试方法不同，这里采用换能器阵整体声学性能指标测试。即整体安装在ROV6上后，模拟实际工作情况下进行换能器的水池测试，进一步确认换能器安装在ROV6上后，受ROV6结构的影响情况，从而获得换能器在实际工作状态下的真实性能参数。在某消声水池进行综合测试，验证其性能指标的实现情况。消声水池测试条件为：环境室温为25℃，测试电缆长度3m，入水深度3m，环境水温20℃，绝缘电阻500MΩ，静态电容51000pF，测试距离为6.2m。实际测量结果见说明书图10-11所示。
[0051] 如说明书附图13所示为10kHz探测信号测量结果图，上半部为该换能器发射至远端，探测水下目标后接收到的目标反射信号时域
波形图(该脉冲信号内部填充中心频率为10kHz的窄带线性调频信号)。可见脉冲信号的前沿较为陡峭，除了被探测目标反射面较大外，也证明该换能器阵发射信号强度较大，接收信号信噪比较好。下半部为上述接收声信号的
频谱分析图，可见在10kHz附近具有较高的频谱
能量尖峰，表明本专利设计的换能器阵具有良好的频率
精度。综上，图7基本表明该换能器阵发射响应与接收灵敏度均较高，且带内平坦度好，综合实用性良好，满足小型水下航行体的一体式水声探测需求。
[0052] 本发明的保护范围不仅仅局限于上述实施例，上述实施例只是为了帮助解释和说明本发明，而不是对本发明的保护范围进行限制，只要设计与本发明的设计相同或者是只要是等同替换的都落在本发明所要求保护的范围之内。
