一种非均匀厚度匹配层弧形发射基阵及其实现方法与流程

本发明属于水声换能器基阵，具体是涉及一种非均匀厚度匹配层弧形发射基阵及其实现方法。

背景技术：

1、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纳的问世，多波束测深声纳是为了提高海底地形测量效率。

2、在多波束声纳实际应用过程中，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。因此多波束声纳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。

3、sonic2024、seabat8125、seabat8111，专利cn104597438a均采用半圆柱形发射基阵，易于与auv等安装平台共形安装，但是半圆柱型发射基阵的声辐射能量沿圆周方向均匀分布，导致中心正入射水底波束混响严重，从而影响声纳系统的成像质量。

4、为了进一步提高多波束声纳系统总体性能，人们提出了u型发射基阵的技术方案，例如专利cn110618419a采用辐射面为u状抛物线型的发射基阵，达到基阵中心波束比边缘波束能量降低12—15db，该方法构造一个具有特定指向性的发射基阵，其发射阵基元是在安装骨架内将压电陶瓷颗粒准确定位，再灌注设置匹配层等，然后盖上环氧板，完成单个发射阵基元的制作，再将多个发射阵基元串联形成发射阵，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水底强混响严重问题，以及边缘波束物理分辨力低的问题，但是与圆弧形发射基阵相比，u型发射基阵与auv等安装平台不易共形，难于安装。

技术实现思路

1、基于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种设计合理、制作方便的非均匀厚度匹配层弧形发射基阵及其实现方法，不但能产生中心波束强度远小于边缘波束的水平圆周方向指向性曲线，还能与auv等安装平台更易于共形，方便现场安装。

2、本发明的技术方案为：

3、一种非均匀厚度匹配层弧形发射基阵，包括两组以上沿圆柱轴方向排列而成的弧形发射单元，所述弧形发射单元包括沿弧形边内整齐排列且并联电连接的压电陶瓷颗粒，所述压电陶瓷颗粒外表面设置有厚度不均匀的匹配层。

4、作为优选，各个压电陶瓷颗粒的形状相同，大小一致。

5、作为优选，所述压电陶瓷颗粒的形状为长方体、正方体、圆柱体、梯形柱状体、菱形柱状体中的一种或多种组合。

6、作为优选，所述弧形边上位于±90度的点之间的直径为d1，压电陶瓷颗粒朝向弧形中心点的高度为l1，弧形边上位于0度的点到弧形中心点的距离为rm，满足l1：d1为≦1:10，rm：d1为1:2～1:8。

7、作为优选，所述压电陶瓷颗粒朝向弧形中心点的高度为l1，压电陶瓷颗粒沿弧形外周切线方向的宽度为l2，压电陶瓷颗粒沿圆柱轴方向延伸的长度为l3，满足l1≥l2，l1≥l3。

8、作为优选，所述压电陶瓷颗粒沿弧形外周切线方向的宽度为l2，沿弧形边布置的相邻两个压电陶瓷颗粒之间的间距为l4，满足l2≥l4。

9、上述技术方案中，弧形发射单元中匹配层厚度左右对称分布，以此保证水平圆周方向指向性的对称性。

10、上述技术方案中，匹配层的厚度为u(按朝向弧形中心点计算)，所述压电陶瓷颗粒朝向弧形中心点的高度为l1，满足u≤l1，且匹配层厚度从±90度到0度方向依次递减或依次递增，以此保证水平圆周方向指向性边缘波束强度比中心波束高。

11、上述技术方案中，弧形发射单元中的所有压电陶瓷颗粒采取并联的电连接方式。

12、本发明提供的一种非均匀厚度匹配层弧形发射基阵的实现方法，包括如下步骤：

13、步骤(1)：将压电陶瓷颗粒沿弧形外周依次整齐排列，利用导线将所有压电陶瓷颗粒振子电并联，在压电陶瓷颗粒外侧添加厚度不均匀的匹配层材料形成弧形发射单元；

14、步骤(2)：将多组弧形发射单元沿圆柱轴方向排列构成弧形发射基阵；

15、步骤(3)：在弧形发射基阵外表面灌注防水透声层。

16、本发明的工作原理是：将压电陶瓷颗粒布成弧形阵，并且在压电陶瓷颗粒外侧添加匹配层，位置接近±90度处的压电陶瓷颗粒和匹配层工作在一阶谐振频率附近，而位置接近0度处的压电陶瓷颗粒和匹配层工作在远低于一阶谐振频率附近或远高于一阶谐振频率附近，从而实现水平圆周方向指向性边缘波束强度比中心波束高的声辐射特性。

17、本发明提供的非均匀厚度匹配层弧形发射基阵，其外形采用半柱面的方式，匹配层厚度沿基阵圆周方向非均匀分布，具有设计合理、制作方便的优点。该弧形发射基阵不仅在圆周方向上中心波束强度远小于边缘波束，解决混响严重及边缘波束物理分辨力低的问题，也能保证基阵与auv等安装平台更易于共形，方便安装。

技术特征：

1.一种非均匀厚度匹配层弧形发射基阵，其特征在于，包括两组以上沿圆柱轴方向排列而成的弧形发射单元，所述弧形发射单元包括沿弧形边内整齐排列且并联电连接的压电陶瓷颗粒，所述压电陶瓷颗粒外表面设置有厚度不均匀的匹配层。

2.根据权利要求1所述的非均匀厚度匹配层弧形发射基阵，其特征在于：各个压电陶瓷颗粒的形状相同，大小一致。

3.根据权利要求1所述的非均匀厚度匹配层弧形发射基阵，其特征在于：所述压电陶瓷颗粒的形状为长方体、正方体、圆柱体、梯形柱状体、菱形柱状体中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的非均匀厚度匹配层弧形发射基阵，其特征在于：所述弧形边上位于±90度的点之间的直径为d1，压电陶瓷颗粒朝向弧形中心点的高度为l1，弧形边上位于0度的点到弧形中心点的距离为rm，满足l1：d1≦1:10，rm：d1为1:2～1:8。

5.根据权利要求1所述的非均匀厚度匹配层弧形发射基阵，其特征在于：所述压电陶瓷颗粒朝向弧形中心点的高度为l1，压电陶瓷颗粒沿弧形外周切线方向的宽度为l2，压电陶瓷颗粒沿圆柱轴方向延伸的长度为l3，满足l1≥l2，l1≥l3。

6.根据权利要求1所述的非均匀厚度匹配层弧形发射基阵，其特征在于：所述弧形发射单元中匹配层厚度左右对称分布，所述匹配层的厚度为u，所述压电陶瓷颗粒朝向弧形中心点的高度为l1，满足u≤l1，且匹配层厚度从±90度到0度方向依次递减或依次递增。

7.根据权利要求1所述的非均匀厚度匹配层弧形发射基阵，其特征在于：所述弧形发射单元中的所有压电陶瓷颗粒采取并联的电连接方式。

8.一种非均匀厚度匹配层弧形发射基阵的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结本发明公开了一种非均匀厚度匹配层弧形发射基阵，包括两组以上沿圆柱轴方向排列而成的弧形发射单元，所述弧形发射单元包括沿弧形边内整齐排列且并联电性连接的压电陶瓷颗粒，所述压电陶瓷颗粒外表面设置有厚度不均匀的匹配层。该弧形发射基阵的安装方法包括形成弧形发射单元、构成弧形发射基阵和灌注防水透声层的步骤。本发明可以应用于多波束测深声纳等成像声纳。该弧形发射基阵不仅在圆周方向上中心波束强度远小于边缘波束，也能保证基阵与AUV等安装平台更易于共形，方便安装。技术研发人员：张凯,林康,唐义政,钟琴琴,唐军,刘鹏受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一五研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/5