阅读说明：本技术 一种全海深工作高频弧形发射基阵 (Full-sea-depth working high-frequency arc-shaped transmitting array ) 是由 张凯 董铭峰 黄东 唐义政 钟琴琴 刘鹏 陈文渊 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种全海深工作高频弧形发射基阵,属于水声换能器基阵技术领域,包括基阵金属后盖板、基阵金属框架、防水透声层、基阵充油腔、若干片弧形发射单元、导油管和胶皮油囊,若干片弧形发射单元构成的弧形发射单元阵安装在基阵金属框架上并灌注聚氨酯形成防水透声层,基阵金属后盖板和基阵金属框架之间采用橡胶密封圈密封并在其内形成充油腔结构,该充油腔结构通过导油管与胶皮油囊相连通。本发明的有益效果为：将压电陶瓷颗粒布成弧形阵,实现水平方向宽覆盖角度；压电陶瓷颗粒背后设计的充油腔构件,保证基阵的全海深工作能力；具有耐全海深水压、水平指向性宽的优点。(The invention discloses a full-sea-depth working high-frequency arc-shaped transmitting array, which belongs to the technical field of underwater acoustic transducer arrays and comprises an array metal rear cover plate, an array metal frame, a waterproof sound-transmitting layer, an array oil-filling cavity, a plurality of arc-shaped transmitting units, an oil guide pipe and a rubber oil bag, wherein the arc-shaped transmitting unit array formed by the plurality of arc-shaped transmitting units is arranged on the array metal frame and is filled with polyurethane to form the waterproof sound-transmitting layer, a rubber sealing ring is adopted between the array metal rear cover plate and the array metal frame for sealing, an oil-filling cavity structure is formed in the array metal rear cover plate and the array metal frame, and the oil-filling cavity structure is communicated with the rubber oil bag through the oil guide pipe. The invention has the beneficial effects that: distributing the piezoelectric ceramic particles into an arc array to realize a wide coverage angle in the horizontal direction; an oil-filled cavity component is designed behind the piezoelectric ceramic particles, so that the full-sea-depth working capacity of the matrix is ensured; has the advantages of full-sea deep water pressure resistance and wide horizontal directivity.)

一种全海深工作高频弧形发射基阵

技术领域

本发明属于水声换能器基阵技术领域，主要是一种全海深工作高频弧形发射基阵，该声基阵实现水平方向宽角度覆盖，具备全海深工作能力，可以应用在多波束前视避障、多波束测深等声纳系统中。

背景技术

人类为了获得丰富的海洋资源，首先必须了解海底地形和地貌，由此促进了多波束测深声呐的问世，多波束测深声呐是为了提高海底地形测量效率。而多波束前视声纳可以确保水下航行器快速，有效和安全地避开障碍物。保障航行安全。

在多波束声呐实际应用过程中，人们发现最引人关注的是“线一面"探测的实际有效覆盖范围。所谓覆盖范围通常是指水平探测距离与垂直探测深度之比，这决定了实际的工作效率。因此多波束声呐发射阵通常采用半柱面形式来拓展多波束声纳的水平方向覆盖角度，从而提升多波束声纳的探测范围。

多波束声纳需要安装于深海移动工作平台，对多波束基阵提出耐高静水压的要求。通常高频声纳基阵采用耐高静水压机械构件或充油腔构件来实现深海工作能力，从而保证声纳系统的深海工作能力。

耐高静水压机械构件方法是采用可耐工作深度压力的高强度结构件来保证高频换能器工作深度。例如：专利CN102879079A采用金属背板实现换能器耐12.5MPa压力的工作性能；专利CN105759257B采用耐15MPa静水压的玻璃微珠复合材料去耦层实现换能器耐高静水压的工作性能；专利CN105989827A采用深水耐压密封接触装置及密封灌注材料来实现深水耐压性能。但这种方法使得设备重量太重，而且对于结构复杂的声纳基阵而言，该方法难以满足全海深工作的要求。

充油腔构件方法是采用换能器背部腔体充油的方式来保证高频换能器工作深度。例如：专利CN109211340A采用平面声基阵背部充油的方式来实现基阵深海工作特性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种全海深工作高频弧形发射基阵，弧形发射基阵外形采用半柱面的方式，内腔采用充油腔构件，具备全海深工作、宽扇面发射的能力。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种全海深工作高频弧形发射基阵，包括基阵金属后盖板、基阵金属框架、防水透声层、基阵充油腔、若干片弧形发射单元、导油管和胶皮油囊，若干片弧形发射单元构成的弧形发射单元阵安装在基阵金属框架上并灌注聚氨酯形成防水透声层，基阵金属后盖板和基阵金属框架之间采用橡胶密封圈密封并在其内形成充油腔结构，该充油腔结构通过导油管与胶皮油囊相连通。

作为优选，所述的弧形发射单元包括由基元充油腔、充油导入孔、发射单元定位孔、金属构件、发射单元振子和塑料构件构成，发射单元振子构成弧形阵的振子，金属构件和塑料构件构成固定振子的结构件，发射单元振子沿塑料构件布置成半弧形状，金属构件上设有发射单元定位孔，发射单元振子与金属构件之间形成与充油导入孔相连通的基元充油腔。

作为优选，若干片弧形发射单元通过发射单元定位孔、定位杆组合成弧形发射单元阵，若干片弧形发射单元中的所有发射单元振子通过导线实现电并联。

作为优选，所述的充油腔结构由基元充油腔、充油导入孔和基阵充油腔构成，基阵充油腔通过导油管与胶皮油囊相连通。

作为优选，所述的发射单元振子采用压电陶瓷材料。

作为优选，所述的基阵金属后盖板设置有通孔，用于用于安装耐高静水压水密插座，向发射基阵施加发射电压信号。

本发明在水池测试该换能器工作带宽85kHz-180kHz，发射电压响应起伏4.5dB，-3dB水平指向性大于125度。

本发明的有益效果为：将压电陶瓷颗粒布成弧形阵，实现水平方向宽覆盖角度；压电陶瓷颗粒背后设计的充油腔构件，保证基阵的全海深工作能力；具有耐全海深水压、水平指向性宽的优点。

附图说明

图1为弧形发射单元示意图。

图2为全海深工作高频弧形发射基阵示意图。

图3为全海深工作高频弧形发射基阵水平指向性图。

附图标记说明：基元充油腔1，充油导入孔2，发射单元定位孔3，金属构件4，发射单元振子5，塑料构件6，基阵金属后盖板7，基阵金属框架8，防水透声层9，基阵充油腔10，弧形发射单元11，导油管12，胶皮油囊13。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍：

如图2所示，一种全海深工作高频弧形发射基阵，包括基阵金属后盖板7、基阵金属框架8、防水透声层9、基阵充油腔10、若干片弧形发射单元11、导油管12和胶皮油囊13，若干片弧形发射单元11通过发射单元定位孔3、紧密配合的定位杆组合成弧形发射单元阵，若干片弧形发射单元11中的所有发射单元振子5通过导线实现电并联。弧形发射单元阵安装在基阵金属后盖板7上并灌注聚氨酯形成防水透声层9，基阵金属后盖板7和基阵金属框架8之间采用橡胶密封圈密封并在其内形成充油腔结构，所述的充油腔结构由基元充油腔1、充油导入孔2和基阵充油腔10构成，基阵充油腔10通过导油管12与胶皮油囊13相连通，实现全海深环境适应性。

上述技术方案中，基阵金属后盖板7和基阵金属框架8需防止海水腐蚀；所述的基阵金属后盖板7和基阵金属框架8之间采用橡胶密封圈密封。所述的基阵金属后盖板7设置有通孔，用于用于安装耐高静水压水密插座，目的是向发射基阵施加发射电压信号。

上述技术方案中，防水透声层9采用聚氨酯橡胶。防水透声层的主要作用是防水、透声，避免基阵内部由于进水、短路而导致基阵振子的损坏。同时防水透声层9的特性阻抗需与水匹配，声衰减系数低，并且保证基阵与水介质之间具有良好的声能传递。

上述技术方案中，基阵充油腔10主要作用是为了保证发射单元振子5在高静水压环境下的压力平衡，导油管12和胶皮油囊13主要作用是为了补偿由于静水压力变化带来的油液体积变化。

本发明的工作原理是将压电陶瓷颗粒布成弧形阵，实现水平方向宽覆盖角度；压电陶瓷颗粒背后设计的充油腔构件，保证基阵的全海深工作能力。其水平指向性图如图3所示。

如图1所示，所述的弧形发射单元11包括由基元充油腔1、充油导入孔2、发射单元定位孔3、金属构件4、发射单元振子5和塑料构件6构成，发射单元振子5构成弧形阵的振子，金属构件4和塑料构件6构成固定振子的结构件，发射单元振子5沿塑料构件6布置成半弧形状，金属构件4上设有充油导入孔2和发射单元定位孔3，发射单元振子5与金属构件4之间形成与充油导入孔2相连通的基元充油腔1。充油导入孔2的作用是使充入油液能顺利流入到基元充油腔1中。

上述技术方案中，基元充油腔1的作用是保证发射单元振子5在高静水压环境下的压力平衡。

上述技术方案中，发射单元定位孔3的作于是保证多个发射单元组阵时的准确定位。

上述技术方案中，塑料构件6采用注塑的方式固定在金属构件4上。

上述技术方案中，所述的发射单元振子5采用压电陶瓷材料。

安装过程如下：

(1)参照图1将发射单元振子5依次安装于塑料构件6中，利用导线将所有发射单元振子5电并联。

(2)参照图2，利用紧密配合的定位杆通过发射单元定位孔3，将51片图1所示的弧形发射单元11成阵。

(3)参照图2，将51片图1所示的弧形发射单元阵11安装于基阵金属框架8上，然后灌注聚氨酯防水透声层9。

(4)参照图2，安装基阵金属后盖板7，将液压油灌注于基阵充油腔10、基元充油腔1和胶皮皮油囊13中，安装导油管12和橡皮油囊13。

(5)图3为该实施例实测的发射基阵水平指向性图。从图中可以看出-3dB波束宽度大于130度。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。