一种水下声学传感器径向同步展开及收拢装置

本发明涉及海洋工程装备及水下声学探测设备，具体为一种水下声学传感器径向同步展开及收拢装置。

背景技术：

1、在海洋声学探测领域，水听器阵列的布置形式直接影响声学信号的采集质量，为了获得更大的等效孔径和更稳定的声学采集效果，多个水听器通常需要在水下按照一定空间关系展开布置。受布放空间、运输空间以及水下作业环境的限制，水听器阵列在入水和回收过程中通常需要保持收缩状态，待到达预定深度或预定位置后，再通过展开机构向外展开，以形成预设的探测阵列。

2、然而，现有的水下展开机构中，常见的结构包括连杆机构、滑块机构以及导轨滑动机构等，该类机构在水下环境中应用时，仍存在一定不足：一方面，滑块或滑槽式配合结构多采用面接触或较大面积的滑动接触，海水中的泥沙颗粒、腐蚀产物或附着物容易增大运动阻力，导致展开过程不够平稳；另一方面，若多个传感器分别由多个驱动单元独立控制，则结构复杂度和控制难度较高，且多个传感器的展开同步性不易保证；此外，部分展开机构在展开状态下支承刚度不足，受到水流冲击时容易产生晃动，从而影响水听器位置稳定性和声学探测效果。

3、基于此，有必要提出一种结构紧凑、同步性较好、运动阻力较低，并适用于水下声学传感器阵列展开与收缩的机械装置。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种水下声学传感器径向同步展开及收拢装置，该装置通过一个转盘同时带动多个弯折杆绕各自中部枢轴同步摆动，使安装于弯折杆末端的水听器能够向径向外侧同步展开或向中心收拢，从而提高水下声学传感器阵列展开过程的同步性和结构紧凑性，用以解决现有技术中存在的问题。

2、为了完成上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种水下声学传感器径向同步展开及收拢装置，包括机架以及设置于机架上的发射换能器及接收换能器，所述机架包括基座，基座的中部转动连接有转盘，转盘上连接有用于驱动转盘旋转的驱动机构，基座转动连接有多个于周向上相互间隔的弯折杆，弯折杆的中部通过中部枢轴组件转动连接于基座上，弯折杆的一端为与转盘连接用于驱动弯折杆旋转的驱动端，弯折杆的另一端为用于连接接收换能器的连接端，对应接收换能器有多个；

4、所述转盘于周向上开设有多个相互间隔的引导槽，相应地，弯折杆的驱动端上连接有活动连接于引导槽内的引导组件。

5、进一步地，所述引导组件包括与引导槽的内壁滚动连接的滚动支承件、与弯折杆驱动端转动连接的转动支承件、以及竖向连接滚动支承件与转动支承件的连接件。

6、更进一步地，所述弯折杆、转盘及基座均于竖直方向上相互间隔设置。

7、更进一步地，所述中部枢轴组件包括用于使弯折杆中部与基座转动连接的支点连接件、以及设置于弯折杆与基座之间的推力支承件。

8、进一步地，所述引导槽为条形延伸槽，其延伸路径的延长线穿过转盘的旋转中心。

9、进一步地，所述基座的上方通过上支撑杆连接有控制舱，驱动机构包括设置于控制舱内的电机，电机的输出轴通过联轴器连接有传动轴的一端，传动轴的另一端贯穿控制舱与转盘连接。

10、进一步地，所述基座的下方通过下支撑杆连接有底盘，发射换能器连接于底盘上。

11、更进一步地，所述发射换能器的周向外侧间隔设有多个保护杆，保护杆的一端与底盘连接，保护杆的另一端连接有保护盘。

12、进一步地，所述基座开设有多个于周向上相互间隔设置的收容槽。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、第一，本发明采用单驱动源配合单转盘的结构形式，通过同一转盘同时驱动周向上均匀布设的全部弯折杆，使各接收换能器的摆动动作在时间上完全同步，在角度上严格相等。由于各弯折杆的运动均源自同一转盘的同一旋转角度，完全消除了多独立驱动单元因控制参数差异、响应延迟或电机特性不一致所导致的累积性相位误差。同时，各引导槽沿转盘周向均匀分布且各引导槽的延伸路径延长线均穿过转盘的旋转中心，使得各弯折杆在摆动过程中具有严格的几何对称性，这一特性确保了在展开状态下各接收换能器相对于装置中心轴线的径向距离高度一致、周向分布均匀，声学阵列的等效孔径和阵元间距符合设计预期；在收拢状态下各接收换能器均能准确缩回对应的收容槽内，不会出现个别传感器无法完全收拢或与其他结构发生干涉的现象。由此，阵列展开的重复定位精度和阵列几何构型的一致性得到显著提升，为高质量声学信号采集提供了稳定的传感器空间布局保障。

15、第二，本发明在转盘与弯折杆之间的运动传递环节中采用了滚动支承件，使引导组件与引导槽之间的相对运动由传统的滑动摩擦转变为滚动摩擦，驱动机构所需克服的阻力矩大幅降低，有利于控制舱的小型化设计，同时间隔限位件使相邻构件与转盘表面之间保持非接触间隙，确保运动中仅由滚动支承件承担接触传力，进一步避免了面接触区域因异物侵入而产生磨粒磨损或异常磨损，提高了装置在水下长期服役过程中展开与收拢动作的平稳性和可靠性，有效降低了因运动阻力增大导致的卡滞风险和维护频率。

16、第三，本发明通过弯折杆、转盘及基座在竖直方向上相互间隔叠置的三层布局，以及基座上开设的收容槽结构，实现了轴向空间与径向空间的复用，使得装置整体在运输、布放和回收阶段可保持较小的外形尺寸，便于通过水下无人潜航器的有限口径舱门、深海着陆器的布放框架以及管缆式探测系统的狭窄井口；到达预定工作深度后，又可展开形成较大孔径的声学阵列，满足高分辨率声学探测对空间采样孔径的需求，特别适用于对布放空间和运输尺寸有严格限制的深海作业场景。

17、第四，本发明在中部枢轴组件中设置推力支承件，在弯折杆摆动支点处提供了抵抗轴向载荷的刚性支承。展开状态下各接收换能器远离支点，水流冲击力经长力臂放大后转化为对支点处较大的弯矩和轴向分力，推力支承件能够有效承受该轴向分力，限制弯折杆轴向窜动。同时，转盘所采用的十字交叉滚子轴承能够同时承受径向力、轴向力和翻转力矩，基座与两端之间通过周向均匀设置的多根支撑杆构成整体受力框架，进一步增强了整体结构刚度。在上述多重刚度保障下，即使在流速不低于2节的水下环境中，接收换能器的位置偏移量仍能控制在声学阵列相干探测所允许的公差范围内，确保探测信号的相位一致性和信噪比不受显著影响。

18、第五，本发明在发射换能器周向外侧间隔设置多根保护杆，保护杆下端连接保护盘构成笼式防护框架。穿越水面波浪层、接近海底障碍物时，保护杆与保护盘率先承受外部冲击，从径向和轴向为发射换能器提供物理隔离保护。同时，收拢状态下接收换能器完全缩入收容槽内，外廓不超出基座外径范围，与保护杆形成径向错位，不会先于保护杆接触外部物体，全流程中碰撞受损概率显著降低。各弯折杆分别通过独立的支点连接件和引导组件安装，任一部件损坏时可单独拆卸更换，无需整体拆解。标准化的滚动支承件和推力支承件具有良好的互换性，整机可分段拆解，便于运输和检修，显著降低了全生命周期内的使用维护成本。

19、第六，本发明的模块化设计使得核心机构可作为标准化平台，通过外围参数适配即可满足不同水深等级、不同通道数和不同传感器类型的应用需求，具有良好的系列化开发前景。