专利名称:无障板单向低频宽带耐高压换能器的制作方法
本发明属于一种水声用单向指向性换能器。
在为定向、测距这样一些实用检测目的而设计的换能器中，指向性是一个重要的问题，单向指向性特别地受到重视。单向指向性换能器在作发射器使用时，可以把能量集中到所需要的方向，提高辐射功率的有效使用率;在作接收器时能抑制干扰，改善信噪比，提高系统的增益。
为了获得单向波束，美国Bell实验室的G·M·Sessler和L·E·West提出给换能器附加声学相移结构(见J·A·S·A·Val53，NO 6(1973)，日本人KOJI NaGA-SAWA等人在电路上进行延时处理(见IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1976·7)。在国内外也有用反声、吸声及阻性衬垫声学材料或用(软的或硬的)反声障板以获得单向性波束。但是，为使换能器具有单向性而采取的这些措施都存在一定的缺陷。一般说来，障板的尺寸大于传播介质中工作频率下的波长时，系统才具有指向性。因此，在低频使用的时候就要将障板做得既大且笨重。在换能器的使用中，为减小附加在换能器上的障板所带来的相移影响，障板表面的不平整度要求限制在0.5mm之内。这给机械加工及装配带来困难。现代核潜艇能够在500米水深以下长时间地潜航，而在这么高的静水压力下，目前所采用的软障板及声学材料都要失败。硬障板有重量太重的问题，影响使用。至于用电延时和声学移相处理的办法使工艺复杂化并且提高了成本。特别应当指出用上述办法获得的单向性与宽频带不能同时满足。它们都是窄带工作，窄带在工程应用中用途有限。
本发明的目的是用无指向性单元组合成有指向性的阵元，再用这种阵元布阵使换能器获得单向性指向性，这样就克服了前述办法中存在的缺陷。
本发明换能器的阵元由三个灵敏单元组成，具有Pascal蜗线指向性。由于在不同的频率下工作时Pascal蜗线可以变为蚌状线、心脏线、蚶形线，可以达到在较宽的工作频带上具有单向性的结果。这样，本发明不用通常所用的加软或硬的障板，也不加反声、吸声和阻性声学材料，不用电延时网络和声学移相结构，而是靠自身的结构，通过选用无指向性单元的幅度、相位及诸元间距控制指向性，获得切合需要的低频宽带耐高压单向性换能器。
本发明具有结构紧凑、轻便、易于加工和装配、造价低的特点。其重量仅为传统结构换能器的 1/6 。能够在60大气压的静水压力下工作。
图1为本发明换能器的阵元剖面结构图。
图2为本发明的换能器阵元的电联接图。
图3为本发明换能器的结构图。
图4为本发明换能器的电联接图。
图5、6为本发明的阵元的垂直指向性图。
图7为本发明的阵元的水平指向性图。
图8到图14为本发明的换能器的垂直指向性图。
本发明提出的无障板单向低频宽带的耐高压换能器结构可用图1、2、3、4说明。在图1中，件(1)为带有端螺纹的刚性直杆，可用黄铜、铝和钢材制作，调其垂直度在0.5mm之内，(2)为压紧螺帽，(3)为绝缘垫圈，(4)为设计成带有活塞增压比的端面及其端部前缘有径向顺性衬环的连接件，可用黄铜、铝、镁铝合金制作，(5)、(6)为玻璃钢定位块，(7)为定位片，(8)为屏蔽网，(9)为屏蔽网托架，(10)为JA-25＃聚氨脂橡胶，(11)为屏蔽输出电缆。(12)、(13)和(14)为阵元TR1的灵敏单元，(12)和(14)等幅，(13)为(12)和(14)之和，其电气联接为(14)与(12)、(13)反相。其电联接如图2示，即(13)作辐射器，(12)作引向器，(14)作反射器。在装配时将诸件交接部分涂一层环氧树脂胶在(1)上同心迭装，用(2)压紧，胶固化后便成一体。由(12)、(13)、(14)这三个单元组合的系统在极坐标中指向性的表达式为R(θ)＝ 1/(A+2B) 〔A+2Bsin( (2πd)/(λ) cosθ)〕式中d为(13)与(12)或(13)与(14)的间距，A为(13)的幅值，B为(12)、(14)的幅值，λ为工作频率的波长，θ为参考(12)、(13)、(14)轴线的入射角。由于结构对称，指向性只随θ、A、B及d/λ而变化。在d很小时，R(θ)表示的是Pascal曲线族，因(12)、(13)、(14)幅值、相位、间距及工作频率不同，Pascal曲线可以变为园、蚌状线、心脏线、蚶形线及8字形的双向指向性。选用适当的参数便可以做出在较宽频带使用的单向性阵元。
所用(12)和(14)的尺寸为φ15×φ13×15mm，(14)的尺寸为φ20×φ18×20mm，并且径向报化。PZT-5压电材料参数为g33＝29.5×10-3V·m/N，g31＝-11.9××10-3V·m/N，s＝1700。单元(13)和(14)((12)同(14))组装后的开路接收电压灵敏度分别为MA＝20μV/μb，MB＝10μV/μb，d＝ (0.9λ0)/(2π) ＝3.1cm，λO为中心频率的波长。TR1重200克。
图5和图6为在水池中实测得的阵元TR1的典型垂直指向性，图5为f＝5.0KC时的结果，图6为f＝4.0KC时的结果。可见，已获较好的单向性。图7为f＝15KC时TR1的水平指向性图，为全向性，即在与三单元的轴线相垂直的平面上响应的起伏很小(小于1db)。
阵元个数n是权衡考虑灵敏度、指向性的-3db波束开角θ3决定。对均匀阵有θ3＝±sin-1( (0.422λ)/(nd) )式中λ为同上作频率对应的介质中的波长，阵元的间距d取(0.45～0.75)λh，λh为对应工作频带上限频率的介质中的波长，阵可为均匀、稀疏、局部均匀排布。在图3中，(31)为弹黄垫圈，(32)为垫片，(33)为压紧
帽，(34)为刚性机械支撑骨架，(34)可用铝、黄铜、钢及硬电木、玻璃钢板制作。本发明的一个具体装置如图3示，它是取如图1所示的阵元TR1、TR2、TR3、……、TR8以d＝8.0cm等间距排布成八元阵，(34)取76×6×1cm的铝板。为获得加权效果，在图3中的第2和第7号阵元处不用灵敏元件12、13、14、标为TRo，即图3为六元局部均匀阵，其电气联接如图4示。此时声阵的轮廓尺寸为76×20×6cm，在带有4.5米SBPH电缆时其总低频电容为2700Pf，其在水池中实测得的远场垂直指向性如图8至图14示。图8至图14分别为f＝3.0KC、4.0KC、5.0KC、6.0KC、8.0KC、9.0KC和10KC的频率下在水池中实测得的本发明的换能器的远场垂直指向性图。可见，在f＝3～10KC这样宽的频率范围内有较好的单向性，且单向波束的最大旁瓣电平和后瓣电平也小到满足实用要求的电平，Bs＜-13.5db。在-3db波束开角θ3＞100°(在f＝4.0KC时，θ3＝135°)，能保证多波束扫描工作时有足够大的搜索扇面。接收灵敏度M＞20μV/μb(未加前放)，即适中。
本发明便于扩展，既可以用做接收器，也可以用做发射器。可以根据确定的技术性能指标灵活地设计出灵敏度适中的单向、低频、宽频带工作的耐高压换能器。
本发明提供的换能器可以在水声工程、海洋考察和地质探测中应用。
权利要求
1.一种水声用单向指向性换能器，其特征在于用由辐射器(13)，引向器(12)和反射器(14)三个灵敏元件组成的阵元在刚性机械支撑骨架(34)上以一定布阵间距(d)排阵而获得。
2.按照权利要求
1所述的换能器，其特征在于所述的辐射器(13)，引向器(12)和反射器(14)是三个径向极化压电陶瓷园管，辐射器(13)到引向器(12)或反射器(14)的距离取为 (0.9λ0)/(2π) ，λ0为工作频带中心频率对应的波长。
3.按照权利要求
2所述的换能器，其特征在于所述的三个径向极化压电陶瓷园管(12)、(13)、(14)的灵敏度，(13)为(12)和(14)之和，(12)和(14)等幅，其电气联接是(14)与(12)、(13)反相。
4.按照权利要求
1所述的换能器，其特征在于所述的阵元。用带有活塞增压比的端面及其端部前缘有径向顺性衬环的连接件(4)间隔以玻璃钢定位片(5)、(6)在刚性直杆(1)上同心选装而成，连接件选用黄铜、铝、镁铝合金制作，刚性直杆用黄铜，铝，钢材制作，并调刚性直杆(1)的垂直度在0.5mm之内。
5.按照权利要求
1所述的换能器，其特征在于所述的刚性机械支撑骨架(34)是用黄铜，铝板，钢及硬电木，玻璃钢板制作。
6.按照权利要求
1所述的换能器，其特征在于所述阵元布阵间距(d)取为(0.45～0.75)入h，入h为对应工作频带上限频率的介质中的波长。
专利摘要
不用反声障板，不加声相移结构和电延时网络，而是通过适当地选取单元的幅度、相位和间距组成具有Pascal蜗线指向性的阵元，再布阵获得可在低频、宽带工作的较好单向指向性。
文档编号G01S15/02GK85103008SQ85103008
公开日1986年10月15日 申请日期1985年4月18日
发明者陈毅锋 申请人:中国科学院声学研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan