本發(fā)明屬于水聲換能器，尤其涉及一種水下航行器用的水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)及方法。

背景技術(shù)：

1、水聲換能器是實(shí)現(xiàn)聲電能量轉(zhuǎn)換的器件，由于換能器向著大功率、控制指向性、高寬帶與精確感知目標(biāo)方向發(fā)展，單個(gè)換能器已無法滿足綜合性的要求，必須采用換能器陣來達(dá)到精確定位偵測目標(biāo)的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種壓電陶瓷換能器陣元、壓電陶瓷換能器陣元的水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)、及基于水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)的水下航行器定位方法；

2、一種壓電陶瓷換能器陣元，換能器陣元的中心頻率和頻帶寬度一致；換能器陣元包括：螺桿、螺栓、壓電陶瓷和輻射頭，輻射頭上設(shè)有固定槽；輻射頭包括扇形面輻射頭和環(huán)形面輻射頭，每個(gè)換能器陣元的輻射頭面積和外形結(jié)構(gòu)存在差異，可通過調(diào)整換能器長度與結(jié)構(gòu)，保證扇形面輻射頭整體為圓臺體的一部分切件，環(huán)形面輻射頭整體為圓環(huán)體的一部分切件；

3、螺桿穿過螺栓將壓電陶瓷固定于輻射頭的固定槽內(nèi)；螺桿用于提供應(yīng)力，并通過螺栓將環(huán)形壓電陶瓷3壓緊于輻射頭上；螺栓用于提供預(yù)緊力。

4、一種采用壓電陶瓷換能器陣元的水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)：

5、包括由多個(gè)帶環(huán)形面輻射頭的壓電陶瓷換能器陣元排列組成的多個(gè)環(huán)形陣列，還包括由多個(gè)帶扇形面輻射頭的壓電陶瓷換能器陣元排列組成的多個(gè)扇形陣列；該水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)的圓形表面與水下航行器的頭部圓形截面十分匹配，能提高換能器基陣發(fā)射接收面積并提高換能器基陣的發(fā)射響應(yīng)與接收靈敏度；

6、多個(gè)扇形陣列位于水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)中心，多個(gè)扇形陣列的輻射頭組成圓形結(jié)構(gòu)；圓形結(jié)構(gòu)外為多個(gè)在圓形結(jié)構(gòu)半徑的延長線方向上相互嵌套的環(huán)形陣列，由內(nèi)至外，靠內(nèi)側(cè)的環(huán)形陣列能嵌套于靠外側(cè)的環(huán)形陣列內(nèi)；

7、以水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)的中軸線為基準(zhǔn)，多個(gè)環(huán)形陣列呈中心對稱排列，多個(gè)扇形陣列也呈中心對稱排列；以水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)的中軸線為基準(zhǔn)，可以找到與每個(gè)環(huán)形陣列，或可以找到與每個(gè)扇形陣列對稱的同類型陣列。

8、作為優(yōu)選：水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)中心包括四個(gè)扇形陣列(四個(gè)帶扇形面輻射頭的壓電陶瓷換能器陣元陣列a1、a2、a3和a4)，水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外包括三個(gè)環(huán)形陣列(由內(nèi)而外分別是八個(gè)帶環(huán)形面輻射頭的壓電陶瓷換能器陣元陣列b1至b8、十二個(gè)帶環(huán)形面輻射頭的壓電陶瓷換能器陣元陣列c1至c12、十六個(gè)帶環(huán)形面輻射頭的壓電陶瓷換能器陣元陣列d1至d16)。

9、一種基于水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)的水下航行器定位方法，該方法包括以下步驟：

10、根據(jù)聲波信號強(qiáng)度要求，采用扇形陣列的全部或部分、采用環(huán)形陣列的全部或部分、或采用扇形陣列的全部或部分與環(huán)形陣列的全部或部分形成的組合，來作為聲波發(fā)射陣列(可組成發(fā)射接收面為環(huán)形、扇形或圓形的水聲換能器基陣)；聲波發(fā)射陣列發(fā)射聲波；

11、聲波經(jīng)目標(biāo)反射；

12、扇形陣列的全部與環(huán)形陣列的全部，共同接收經(jīng)目標(biāo)反射的聲波回波信號；接收聲波回波信號時(shí)：根據(jù)處于對稱位置的其中一對環(huán)形陣列或扇形陣列接收到的回波信號的強(qiáng)度差或時(shí)間差，來判定目標(biāo)的方位；根據(jù)發(fā)射出的聲波信號與接收到的聲波信號的頻率差值，來檢測目標(biāo)的運(yùn)行速度；

13、當(dāng)所述兩兩中心對稱的陣列接收到的回波信號的強(qiáng)度相同、或回波信號的時(shí)間差為零時(shí)，判定目標(biāo)處于水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)正前方；

14、當(dāng)所述兩兩中心對稱的陣列接收到的回波信號的強(qiáng)度存在一定差值、或回波信號與發(fā)射聲波信號的時(shí)間差存在一定差值時(shí)，根據(jù)所述差值計(jì)算出目標(biāo)的方位；根據(jù)發(fā)射聲波的頻率與回波信號的頻率差值，計(jì)算出目標(biāo)的運(yùn)行速度；

15、多次重復(fù)以上步驟，得到目標(biāo)的準(zhǔn)確方位和目標(biāo)的具體運(yùn)行速度。

16、本發(fā)明的有益效果是：

17、本發(fā)明采用壓電陶瓷換能器陣元，其換能效率高、靈敏度高、一致性好；本發(fā)明設(shè)計(jì)的水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)在發(fā)射聲波時(shí)將聲波盡可能集中在某一指定的方向上，而在其它方位上盡量減少發(fā)射的聲波，能提高指定方向上的能量密度，能提高基陣的指向性；本發(fā)明設(shè)計(jì)的水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)在接收目標(biāo)反射聲波時(shí)，能保證一定的頻帶寬度，還能保證在該頻帶寬度內(nèi)具有平坦的接收響應(yīng)，且對反射回波的接收靈敏度很高，能夠準(zhǔn)確檢測目標(biāo)移動(dòng)產(chǎn)生的聲波頻率差值，進(jìn)而偵測出目標(biāo)的方位和運(yùn)動(dòng)方向。

18、本發(fā)明的壓電陶瓷換能器陣元組成的環(huán)形或圓形換能器陣元，全部沿著基陣的中軸線對稱排布，與矩形陣列或基陣相比，發(fā)射聲波強(qiáng)度大，聲波能量密度集中，發(fā)射指向性高。本發(fā)明設(shè)計(jì)的水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)整體為圓形，該形狀與水下航行器的圓形截面具備很高的匹配度，能夠提高水聲換能器的基陣接收發(fā)射/接收面的面積，提高水聲換能器的整體基陣結(jié)果發(fā)射響應(yīng)靈敏度與接收靈敏度。

19、本發(fā)明的方法采用極坐標(biāo)系統(tǒng)確定目標(biāo)方位，與直角坐標(biāo)系統(tǒng)相比，本發(fā)明的目標(biāo)方位檢測控制方法更簡單。

技術(shù)特征：

1.一種壓電陶瓷換能器陣元，換能器陣元包括：螺桿（1）、螺栓（2）、環(huán)形壓電陶瓷（3）和輻射頭，輻射頭上設(shè)有固定槽；螺桿（1）穿過螺栓（2）將環(huán)形壓電陶瓷（3）固定于輻射頭的固定槽內(nèi)；通過螺桿（1）將環(huán)形壓電陶瓷（3）壓緊于輻射頭上；其特征在于：輻射頭包括扇形面輻射頭（4）和環(huán)形面輻射頭（5），扇形面輻射頭（4）整體為圓臺體的一部分切件，環(huán)形面輻射頭（5）整體為圓環(huán)體的一部分切件。

2.一種采用權(quán)利要求1所述壓電陶瓷換能器陣元的水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)中心包括四個(gè)扇形陣列（7），水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外包括三個(gè)環(huán)形陣列（6）。

4.一種基于如權(quán)利要求3所述水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)的水下航行器定位方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及壓電陶瓷換能器陣元、水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)、及水下航行器定位方法；其中，水聲換能器基陣結(jié)構(gòu)包括由多個(gè)帶環(huán)形面輻射頭的壓電陶瓷換能器陣元排列組成的多個(gè)環(huán)形陣列，還包括由多個(gè)帶扇形面輻射頭的壓電陶瓷換能器陣元排列組成的多個(gè)扇形陣列。本發(fā)明的有益效果是：圓形基陣各陣元輻射頭組成圓形結(jié)構(gòu)，與水下航行器制導(dǎo)頭部的圓形截面有最佳的外形匹配度，基陣接收與發(fā)射輻射面積大，聲波發(fā)射強(qiáng)度高，接收靈敏度高。與矩形陣列或基陣相比，圓形基陣聲波能量密度集中，發(fā)射指向性高。組成基陣的陣元或陣列以基陣的中軸線中心對稱，通過檢測對稱陣列反射回波的強(qiáng)度差，或?qū)ΨQ陣列反射回波與發(fā)射聲波之間的時(shí)間差更容易判別目標(biāo)的方位。

技術(shù)研發(fā)人員：郝程鵬,鄒黎,袁禮劍,閔利杰,翟迎迎
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇斯普瑞科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6