声涡旋换能器阵结构及其布阵方法

技术领域

本发明涉及水声换能器技术领域，具体地，涉及一种声涡旋换能器阵结构及其布阵方法，尤其是一种声涡旋的高频收发换能器阵结构及其布阵方法。

背景技术

随着人类对海洋资源和环境的开发研究活动的不断加强，高频多波束图像声纳已成为国内外海洋科学研究、海底资源开发、海洋工程建设等海洋活动中最主要的海洋调查勘测仪器之一。多通道高频收发换能器阵作为接收系统的水下湿端重要部分，对海底或者目标的回波进行窄波束接收，通过对接收到的信号进行处理，获得目标的相关信息。传统多波束图像声呐的换能器形式采用弧形发射换能器阵和直接接收换能器阵。近年来，采用声涡旋结构的声学换能器作为图像声呐的水下湿端成为新的热点。

声涡旋具有特殊的螺旋状相位波前分布，它自身带有轨道角动量，拥有更多的信息自由度以及相对独特的目标信息获取能力，近年来引起了中外学者的普遍重视。理论上，涡旋声波能够产生无限种OAM模态数，这些模态彼次正交并在空域内能够独立的传递，通过使用带有轨道角动量的声涡旋去照射目标物体，就能够获得更多的目标信息，用这些信息对目标进行成像，通过采用不同的成像处理方法，有望提高目标的成像分辨率，为目标探测成像应用领域提供一个新的思路。

目前对于一种涡旋换能器阵结构及布阵技术研究，在相关的文献中介绍较少，多数只是采用弧形发射换能器和直线接收换能器，然而现有技术中常采用的三维图像声接收换能器阵的阵元数量多，阵元之间的间距密集，阵元的引出线复杂，在工程制造中难度较大，因此如何大幅降低成像声呐换能器阵的制造难度是亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种声涡旋换能器阵结构及其布阵方法。

根据本发明提供的声涡旋换能器阵结构，包括换能器阵元、基底、底板以及电子仓，所述换能器阵元为多个，多个所述换能器阵元均安装在基底上且呈涡旋式排列，所述基底固定设置在底板上，所述底板固定设置在所述电子仓上；

所述基底上设置有穿线孔位，所述穿线孔位与换能器阵元一一对应，且设置在所述换能器阵元的一边，所述换能器阵元所具有的导线依次穿过所述穿线孔位与底板，并与所述电子仓内部所设置的接收电路地板连接，所述换能器阵元通过所述导线引出信号。

优选地，所述基底为圆形，多个所述换能器阵元呈涡旋式扩展，半径逐渐增大，大于两圈后与外圈的多个呈圆形排列的换能器阵元相切。

优选地，所述基底上设置有多个阵元安装孔位，多个所述换能器阵元一一对应设置在所述阵元安装孔位中。

优选地，所述换能器阵元包括压电陶瓷，所述压电陶瓷的形状为长方条或圆柱形，所述压电陶瓷的高度方向极化，所述压电陶瓷的横向尺寸小于高度尺寸。

优选地，所述压电陶瓷包括PZT-4压电陶瓷。

优选地，所述换能器阵元、基底以及底板的外部均包覆有水密层。

优选地，所述水密层包括聚氨酯。

优选地，所述基底通过均布在其外沿的紧固孔与底板固定，所述底板通过位于其外沿的连接孔与电子仓固定。

优选地，所述底板包括金属底板。

根据本发明提供的声涡旋换能器阵结构的布阵方法，用于形成所述的声涡旋换能器阵结构，包括如下步骤：

步骤1：根据工作频率及指向性要求，选定压电陶瓷，并对压电陶瓷进行切割，得到长方条或者圆柱条型，且高度方向极化的压电陶瓷；

步骤2：在基底上呈涡旋式预留穿线孔位与阵元安装孔位，并将压电陶瓷安装在所述阵元安装孔位内部；

步骤3：将所述压电陶瓷连接导线的一端，导线的另一端穿过底板，并焊接至所述接收电路地板上；

步骤4：将所述压电陶瓷与基底之间的缝隙通过去耦材料填充；

步骤5：在压电陶瓷、基底以及底板的外部灌封水密层。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明结构简单，制作方便，采用换能器阵元安装呈涡旋式排列在基底上，并在每个换能器阵元边设置穿线孔位的技术手段，解决了现有技术中三维图像声接收换能器阵的阵元数量多，阵元之间的间距密集，阵元的引出线复杂，在工程制造中难度较大的技术问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视示意图；

图3为本发明中一个优选实施例的发送电压响应示意图；

图4为本发明中一个优选实施例的指向性曲线示意图。

图中示出：

换能器阵元1 连接孔5

穿线孔位2 紧固孔6

基底3 聚氨酯7

底板4

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种声涡旋换能器阵结构，采用涡旋式排列换能器阵元，能够大幅减少换能器阵元的数量，解决了多通道接收阵元的信号引出线难题，且可以适应不同工作频段内的高频收发换能器阵，对换能器阵型适应性强。

根据本发明公开的声涡旋换能器阵结构，如图1所示，包括换能器阵元1、基底3、底板4以及电子仓，所述换能器阵元1为多个，多个所述换能器阵元1均安装在基底3上且呈涡旋式排列，所述基底3固定设置在底板4上，所述底板4固定设置在所述电子仓上；

所述基底3上设置有穿线孔位2，所述穿线孔位2与换能器阵元1一一对应，且紧挨所述换能器阵元1设置，所述换能器阵元1所具有的导线依次穿过所述穿线孔位2与底板4，并与所述电子仓内部所设置的接收电路地板连接，所述换能器阵元1通过所述导线引出信号。优选地，所述基底3上设置有多个阵元安装孔位，多个阵元安装孔位呈涡旋式扩展设置在圆形基底3上，半径逐渐增大，大于两圈后与外圈的多个呈圆形排列的换能器阵元1相切，所述换能器阵元1一一对应设置在所述阵元安装孔位中。通过上述的螺旋状布置，能够大幅减少换能器阵元的数量，且在每个换能器阵元1边均设置穿线孔位2解决了多通道接收阵元的信号引出线难题。

优选地，所述换能器阵元1包括压电陶瓷，所述压电陶瓷的形状为长方条或圆柱形，所述压电陶瓷的高度方向极化，所述压电陶瓷的横向尺寸小于高度尺寸。所述压电陶瓷包括PZT-4压电陶瓷。如图2所示，为了保证整个声涡旋换能器阵结构的水密性，从而适应水下工况，所述换能器阵元1、基底3以及底板4的外部均包覆有水密层，所述水密层包括聚氨酯7。所述基底3通过均布在其外沿的紧固孔6与底板4固定，所述底板4通过位于其外沿的连接孔5与电子仓固定。所述底板4包括金属底板。

根据本发明提供的声涡旋换能器阵结构的布阵方法，用于形成所述的声涡旋换能器阵结构，包括如下步骤：

步骤1：根据工作频率及指向性要求，选定压电陶瓷，并对压电陶瓷进行切割，得到长方条或者圆柱条型，且高度方向极化的压电陶瓷；

步骤2：在基底3上呈涡旋式预留穿线孔位2与阵元安装孔位，并将压电陶瓷安装在所述阵元安装孔位内部；

步骤3：将所述压电陶瓷连接导线的一端，导线的另一端穿过底板4，并焊接至所述接收电路地板上；

步骤4：将所述压电陶瓷与基底3之间的缝隙通过去耦材料填充；

步骤5：在压电陶瓷、基底3以及底板4的外部灌封水密层。

优选地，所有换能器阵元1尺寸一致，均在同一平面上；且横向尺寸小于纵向尺寸；换能器阵元1均匀分布在半径逐渐增大的圆周上；换能器阵元1的数量大于等于32元，且最外一圈换能器阵元1的数量等于中间涡旋阵的换能器阵元1数量；单个换能器阵元1的水平指向性-3dB波束角度大于30°。

实施例1

本实施例提供了上述声涡旋换能器阵结构的具体应用，在换能器阵元1的设计上，根据高频声呐系统总体论证确定的工作频率和方向性角度，经过有限元仿真计算，确定换能器阵元1的尺寸，计算换能器阵元1的接收灵敏度和方向性，然后优化选定长条形压电陶瓷的材料和尺寸，购买压电陶瓷，或通过切割的方式切割出所需要的尺寸的压电陶瓷；

本实施例中的换能器阵元1的谐振频率为375kHz，阵元的-3dB指向性角度为76°，或者将定好的PZT4型压电陶瓷条粘接在基底上，进行横向切割，得到本发明所需的压电陶瓷长方条。

换能器阵元1设计完成后进行基底3的加工制作，基底3主要是用来固定换能器阵元1，基底3上加工出设计阵元数量的阵元安装孔位，孔位的位置成涡旋式扩展，本实施例中的阵元安装孔位的数量为64元；

建立坐标系，原点为基底3的中点，X轴与Y轴相互垂直且均位于基底3上表面所在平面，所述换能器阵元1的位置坐标在以下方程曲线上均匀取点：

其中，θ为换能器阵元1的位置坐标与原点之间的角度。

本实施例通过两次旋转，旋转角度为720度，涡旋曲线与外圈相切，外圈上的换能器阵元1数量与涡旋曲线上的换能器阵元1数量相等，换能器阵元1引出采用差分输出的方式，换能器阵元1的正负极通过一对双绞线引出。换能器阵元1安装的基底3粘接在金属底板4上，金属底板4上留有穿线孔，引出线通过穿线孔焊接到底板4上。

本实施例的基底3上的最外一圈换能器阵元1为发射阵元，中间涡旋曲线上的换能器阵元1为接收阵元。换能器阵元1装配完成后，进行水密灌封，之后在水池中按照国家标准：GB/T7965－2002《声学水声换能器测量》进行测量，换能器阵元1的发送电压响应和指向性曲线分别如图3和图4所示。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。