一种实现高度计声准直的水下声透镜及准直系统的制作方法

1.本发明涉及水下声透领域，具体指有一种实现高度计声准直的水下声透镜及准直系统。


背景技术：

2.水声换能器是水下声系统的核心部件，其把声能和电能(或者两种不同形式的能量)进行互相转换，可用于水下auv机器人避障、目标探测、水下通信等领域。
3.但实际应用的水声换能器却有着以下几方面的缺点：(1)传统水声换能器为了匹配压电材料与工作介质水之间的阻抗，通常采用四分之一波长匹配层，从而导致了窄带效应。并且由于单层匹配层材料的声阻抗的不连续性和单一性，往往并不能实现声波的全透射，仍然有一部分的声能量被反射而导致透射声波的声强衰减。(2)由θ＝arcsin(1.22λ/d)可知换能器有衍射极限的限制，且在单位距离的情况下物体分辨率d＝θ，故换能器的水下探测分辨率与机械尺寸(即辐射面直径)和发射频率都成反比，导致现有换能器在尺寸与声波频率的兼顾设置上具有局限性。传统的换能器要突破衍射极限，需要引入大量的有源相控阵，会使结构设计变得非常复杂。(3)声透镜的理论设计是根据等效介质理论得到的，等效介质理论要求，在长波近似下，超材料可以被视为均匀材料来处理，也就是说，晶格常数要远小于波长的情况下才能把它视为一个等效介质。在200khz的情况下，波长λ＝c/f＝1500/200＝7.5mm，设计的底面半径为2.3046mm是小于这个波长的，故可以把它视为一个均匀材料来处理，也就是说能把它视为一个声透镜。准直器的工作频率是与圆锥底面半径相关的一个量，与之前的结构(38khz)相比，想要提高到200khz，则相应的底面直径要缩小相应的倍数。
4.针对上述的现有技术存在的问题设计一种实现高度计声准直的水下声透镜及准直系统是本发明研究的目的。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种实现高度计声准直的水下声透镜及准直系统，能够有效解决上述现有技术存在的问题。
6.本发明的技术方案是：
7.一种实现高度计声准直的水下声透镜，包含由梯度超构材料制成的第一换能机构和第二换能机构；
8.所述第一换能机构包含实心的方形基座，所述方形基座设置有声透镜阵列，所述声透镜阵列包含矩形阵列设置的多个声透镜件，所述声透镜件为圆形实心锥状结构，所有的所述圆形实心锥状结构的底面半径相同，所有的所述锥状结构的高度相同；
9.所述声透镜件的高度为90mm－110mm，所述声透镜件的底圆面的半径为 2.2mm－2.4mm；
10.所述第二换能机构与所述第一换能机构的结构相同，且所述第二换能机构与所述
第二换能机构上下对称设置。
11.进一步地，所述方形基座设置有声透镜阵列放置区，所述声透镜阵列放置区的长为190mm－210mm，所述声透镜阵列放置区的宽为170mm－190mm，所述声透镜阵列设置于所述声透镜阵列放置区内。
12.进一步地，所述水下声透镜用于耦合至相应的发射换能器，所述发射换能器的辐射声波的中心频率为180khz－220khz。
13.进一步地，上下对应的所述声透镜阵列对应设置，且上下对应的所述声透镜阵列之间间隙设置。
14.进一步地，上下对应的所述声透镜阵列对应设置，且上下对应的所述声透镜阵列之间抵接设置。
15.进一步地，所述第一换能机构和所述第二换能机构采用声阻抗为3.1mray l －3.2mrayl的abs材料制成。
16.进一步地，所述声透镜件的高度为100mm，所述声透镜件的底圆面的半径为2.304mm。
17.进一步地，相邻的声透镜件之间的圆心距为11mm－13mm。
18.一种实现高度计声准直的准直系统，包含上述所述的一种实现高度计声准直的水下声透镜，所述水下声透镜与发射换能器信号耦合。
19.进一步地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述发射换能器的辐射声波的中心频率为180khz－220khz。
20.因此，本发明提供以下的效果和/或优点：
21.1、本发明通过对水下声透镜的特定结构设置，设置有上下对称的第一换能机构和第二换能机构，所有的换能件的结构相同且上下对应的换能件相互抵接设置或者间隙设置，波前经过了水下声透镜的相位调制，声波通过水下准直器后能够同时减小声束宽度且增大主轴声能。通过设计线性声速梯度的方式，可以有效缩短在声透镜两端的传播时间从而到达相位控制的效果，原来未经相位调制的声波，经过水下声透镜的相位超前效应，最终形成水下的非衍射准直束。
22.2、本发明在700mm、500mm、300mm和50mm为半径的圆弧处接收水下信号的波束宽度分别约为6.271
°
、6.271
°
、7.615
°
、14.315
°
，均比水下高度计自身波束宽度16.126
°
小。
23.3、本发明相比单一的高度计结构，其波束宽度缩小2－3倍，并无任何能量损失，从而提高单位距离情况下的物体分辨率50％以上。
24.4、本发明够对换能器的波束宽度进行有效减小，从而能够保证水声探测器能够降低水面和水底的反射波干扰，也能够增加主瓣能量，实现更长距离的水下声学检测和探测功能。
25.5、本水下声透镜能够对高度计的波束宽度进行有效减小，从而能够保证水声探测器能够降低水面和水底的反射波干扰，也能够增加探测分辨率，实现更长距离的水下声学检测和探测功能。
26.应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。
附图说明
27.图1为实施例一的结构示意图。
28.图2为实施例一的立体结构示意图。
29.图3为实施例一的结构示意图。
30.图4为图3的俯视图。
31.图5为图4的a－a剖视图。
32.图6为实施例二的结构示意图。
33.图7为本发明的实验示意图。
34.图8为实施例一或实施例二的波束角度和分辨率测试结果。
35.图9为发射脉冲信号波形的时域图。
36.图10为发射脉冲信号波形的频域图。
37.图11为实施例一或实施例二的辐射声场的实验数据。
38.图12为水下指向性测量的实验结果图，距离在700mm处。
39.图13为水下指向性测量的实验结果图，距离在500mm处。
40.图14为水下指向性测量的实验结果图，距离在300mm处。
41.图15为水下指向性测量的实验结果图，距离在50mm处。
具体实施方式
42.为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：
43.参考图1－4，一种实现高度计声准直的水下声透镜，通过3d一体成型打印制成，并且所述水下声透镜用于信号耦合有相应的高度计水下发射换能器，
44.包含由梯度超构材料制成的第一换能机构1和第二换能机构2；
45.所述第一换能机构1包含实心的方形基座101，所述方形基座101设置有声透镜阵列102，所述声透镜阵列102包含矩形阵列设置的多个声透镜件103，所述声透镜件103为圆形实心锥状结构，所有的所述圆形实心锥状结构的底面半径相同，所有的所述锥状结构的高度相同。本实施例中，圆形实心锥状结构即一端为圆面，另一端以圆面的圆心向一侧延伸形成尖端的结构。同时，本实施例中，声透镜件103是实心结构的，其是用同一种材料均匀分布在各个位置制成的实心结构。同时，本实施例为了便于组装，还在方形基座101 的四个边角处设置有支撑腿104，本实施例的支撑腿104的长度比声透镜件 103的高度略高。本实施例中，声透镜阵列102是以矩形阵列设置声透镜件 103的，同一行相邻的声透镜件103之间的圆心距相同，同一列相邻的声透镜件103之间的圆心距也相同，从而形成正方形阵列分布在方形基座101上。其中，正方形阵列共有15列，16行。
46.所述声透镜件103的高度为90mm－110mm，所述声透镜件103的底圆面的半径为2.2mm－2.4mm。本实施例中，具体地，参考图5，所述声透镜件103 的高度为100mm，所述声透镜件103的底圆面的半径为2.304mm。在其他实施例中，所述声透镜件103的高度可以为90mm，所述声透镜件103的底圆面的半径为2.2mm。在另一个实施例中，所述声透镜件103的高度可以为110 mm，所述声透镜件103的底圆面的半径为2.4mm。
47.所述第二换能机构2与所述第一换能机构1的结构相同，且所述第二换能机构2与
所述第二换能机构1上下对称设置。本实施例中，方形基座101的四个边角处设置有支撑腿104，本实施例的支撑腿104的长度比声透镜件103 的高度略高，通过两个换能机构的支撑腿104相互抵靠在一起，并锁紧，从而将两个换能机构固定并上下对称设置。同时，上下对应的所述声透镜阵列对应设置，即第一换能机构1的每一个声透镜件103的圆心与第二换能机构 2的每一个声透镜件103的圆心正相对，且上下对应的所述声透镜阵列102 之间间隙设置。本实施例中，上下对应的所述声透镜阵列102之间的间隙为 2mm。设置该间隙，是因为本技术可以通过3d一体成型打印制成，在打印的过程中，由于3d一体成型打印的精度问题，所述声透镜阵列102之间相连的话，其良品率不高，设置间隙从而提高良品率。但是需要说明的是，设置间隙与不设置间隙，本技术均能达到技术效果。
48.进一步地，所述水下声透镜用于耦合至相应的发射换能器，所述发射换能器的辐射声波的中心频率为180khz－220khz。本实施例中，所述发射换能器的辐射声波的中心频率为200khz，在其他实施例中也可以是180khz或者 220khz。
49.进一步地，所述方形基座101设置有声透镜阵列放置区，所述声透镜阵列放置区的长为190mm－210mm，所述声透镜阵列放置区的宽为170mm－190mm，所述声透镜阵列设置于所述声透镜阵列放置区内。本实施例中，参考图4，所述声透镜阵列放置区的长为196mm，所述声透镜阵列放置区的宽为176mm。
50.进一步地，所述方形基座101的宽大于所述声透镜阵列放置区的宽44mm，所述方形基座的长大于所述声透镜阵列放置区的长44mm。
51.进一步地，所述第一换能机构1和所述第二换能机构2采用声阻抗为3.1 mray l－3.2mrayl的abs材料制成。本实施例中，采用声阻抗为3.0475mrayl 的abs材料进行打印制成，其与水的声阻抗1.48mrayl的差异较小。通过设计从abs材料到水的声阻抗分布呈线性梯度的下降趋势。
52.进一步地，相邻的声透镜件103之间的圆心距为11mm－13mm。本实施例中，相邻的声透镜件103之间的圆心距为12mm。在其他实施例中，相邻的声透镜件103之间的圆心距也可以是11mm或者13mm。
53.实施例二
54.本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：参考图6，本实施例的支撑腿104的长度比声透镜件103的高度略高，上下对应的所述声透镜阵列102 对应设置，且上下对应的所述声透镜阵列102之间抵接设置。
55.本实施例未叙述的内容，请参考实施例一。
56.实施例三
57.进一步提供一种实现高度计声准直的准直系统，参考图7，包含上述所述的一种实现高度计声准直的水下声透镜，所述水下声透镜与发射换能器信号耦合。
58.进一步地，定义所述发射换能器的辐射声波在水里的波长为λ，所述发射换能器的辐射声波的中心频率为180khz－220khz，所述发射换能器的辐射面半径为4.7mm。
59.工作原理：
60.通过积分的原理，将换能件看作是数量足够大的片层组成的圆锥形结构，声速在第i层(i＝1,2,3
…
n)的传播时间为：
[0061][0062]
设定准直器上端的声速值为ci，声透镜中心的声速值为c0，准直器下端的声速为c-i
，则声速在层中变化的函数为：
[0063]ci
(z)＝c0 gi(z-zi)。
[0064]
其中，声速梯度：
[0065][0066]
则各层的传播时间为：
[0067][0068]
通过设计线性声速梯度的方式，可以有效缩短在声透镜两端的传播时间从而到达相位控制的效果，原来未经相位调制的声波，经过水下声透镜的相位超前效应，最终形成水下的非衍射准直束。
[0069]
另外，由于水下声透镜的声速分布为线性梯度变化，所以其声学特性是宽带的，非经典的单层窄带传输。通过求解水下高度计辐射面的声场空间分布，可以得到波束角度为：
[0070][0071]
其中，λ是声波在背景介质中的波长，本技术中，背景介质为水，d是高度计的辐射面直径。通过上式模拟出来和实测出来的高度计波束角度如图 9－10所示。
[0072]
当入射波的频率为200khz的时候，波前经过了水下声透镜的相位调制，声波通过水下声透镜后能够同时减小3倍声束宽度且保持主轴声能不变，这是传统的结构设计很难达到如此高分辨率的效果。
[0073]
实验数据
[0074]
将实施例一或二的水下声透镜进行指向性实验，测量并统计其数据。
[0075]
指向性实验如图7－10所示，水下发射换能器工作在200khz频率，水听器与水下声透镜之间的距离定义为d，d分别为700mm、500mm、300mm和50mm，水听器以水下声透镜为圆点、以d为半径的圆弧处接收水下信号。
[0076]
通过图8可知，水听器分别在d为700mm、500mm、300mm和50mm为半径的圆弧处接收水下信号，对应的波束宽度分别约为6.271
°
、6.271
°
、 7.615
°
、14.315
°
，均比高度计自身波束宽度16.126
°
小。高度计加上本实施例一或实施例二的水下声透镜的波束宽度比不加结构缩小约3倍，分辨率增益约有300％。
[0077]
参考图11，通过实验结果对比可知，不带有实施例一或实施例二的水下声透镜的的－3db角度为8
°
，带有实施例一或实施例二的水下声透镜的高度计的－3db角度为13.5
°
。
[0078]
参考图12，在d为700mm处进行实验，带有实施例一或实施例二的水下声透镜的高度计相比不带有实施例一或实施例二的水下声透镜的高度计，－3db角度从16.126
°
缩小至6.271
°
，同时多出两条旁瓣。
[0079]
参考图13，在d为500mm处进行实验，带有实施例一或实施例二的水下声透镜的高度计相比不带有实施例一或实施例二的水下声透镜的高度计，－3db角度从16.126
°
缩小至6.271
°
，旁瓣未改变。
[0080]
参考图14，在d为300mm处进行实验，带有实施例一或实施例二的水下声透镜的高度计相比不带有实施例一或实施例二的水下声透镜的高度计，－3db角度从16.126
°
缩小至7.615
°
，旁瓣未改变。
[0081]
参考图15，在d为50mm处进行实验，带有实施例一或实施例二的水下声透镜的高度计相比不带有实施例一或实施例二的水下声透镜的高度计，－3db角度从16.126
°
缩小至14.315
°
，旁瓣完全抑制。
[0082]
可知，实施例一或实施例二提供的水下声透镜能够对换能器的波束宽度进行有效减小，从而能够保证水声探测器能够降低水面和水底的反射波干扰，也能够增加主瓣能量，实现更长距离的水下声学检测和探测功能。
[0083]
综上，不带有实施例一或实施例二的水下声透镜的高度计自身的双边指向性锐角约为16.126
°
，单位距离情况下的物体分辨率约为28.1cm。而高度计加了实施例一或实施例二所述的水下声透镜后，双边指向性锐角在不同距离处时不同，在700mm、500mm、300mm和50mm的情况下分别约为6.271
°
、 6.271
°
、7.615
°
、14.315
°
，对应的单位距离情况下的物体分辨率分别约为 10.9cm、10.9cm、13.3cm、24.92cm，分别提高了约61.2％、61.2％、52.7％、11.3％。证明本水下声透镜能够对高度计的波束宽度进行有效减小，从而能够保证水声探测器能够降低水面和水底的反射波干扰，也能够增加探测分辨率，实现更长距离的水下声学检测和探测功能。
[0084]
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
[0085]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0086]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
[0087]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0088]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0089]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0090]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。