一种非均匀压电单元弧形发射基阵及其实现方法

本发明属于水声换能器基阵，具体是涉及一种非均匀压电单元弧形发射基阵及其实现方法。背景技术：1、人类为了获得丰富的海洋资源，首先必须了解海底地形和地貌，由此促进了多波束测深声纳的问世，多波束测深声纳是为了提高海底地形测量效率。2、在多波束声纳实际应用过程中，人们发现最引人关注的是“线一面"探测的实际有效覆盖范围。所谓覆盖范围通常是指水平探测距离与垂直探测深度之比，这决定了实际的工作效率。因此多波束声呐发射阵通常采用半柱面形式来拓展多波束声纳的水平方向覆盖角度，从而提升多波束声纳的探测范围。3、sonic2024、seabat8125、seabat8111，专利cn104597438a均采用半圆柱形发射基阵，易于与auv等安装平台共形安装，但是半圆柱型发射基阵的声辐射能量沿圆周方向均匀分布，导致中心正入射水底波束混响严重，从而影响声纳系统的成像质量。4、为了进一步提高多波束声纳系统总体性能，人们提出了u型发射基阵的技术方案，例如专利cn110618419a采用辐射面为u状抛物线型的发射基阵，达到基阵中心波束比边缘波束能量降低12—15db，该方法构造一个具有特定指向性的发射基阵，其发射阵基元是在安装骨架内将压电陶瓷颗粒准确定位，再灌注设置匹配层等，然后盖上环氧板，完成单个发射阵基元的制作，再将多个发射阵基元串联形成发射阵，使得中心波束强度远小于边缘波束，同时解决了中心正入射水底强混响严重问题，以及边缘波束物理分辨力低的问题，但是与圆弧形发射基阵相比，u型发射基阵与auv等安装平台不易共形，难于安装。技术实现思路1、基于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种设计合理、制作方便的非均匀压电单元弧形发射基阵及其实现方法，不但能产生中心波束强度远小于边缘波束的水平圆周方向指向性曲线，还能与auv等安装平台易于共形、方便安装。2、本发明的技术方案为：3、一种非均匀压电单元弧形发射基阵，包括两组以上沿圆柱轴方向排列而成的弧形发射单元，所述弧形发射单元包括m组沿弧形边内排列且并联电连接的压电陶瓷颗粒，每组压电单元包括n个压电陶瓷颗粒，各个压电陶瓷颗粒的高度不均匀，从弧形边±90度到0度方向各个压电陶瓷颗粒对称分布且高度存在递减趋势，不但保证水平圆周方向指向性的对称性，还使得水平圆周方向指向性边缘波束强度比中心波束的强度更高。4、作为优选，对于不同组数的压电陶瓷颗粒，满足：5、当m为1时，从弧形边±90度到0度方向的各个压电陶瓷颗粒的高度递减，且至少0度处的1个压电陶瓷颗粒的高度小于±90度处的2个压电陶瓷颗粒的高度；6、当m为2时，从弧形边±90度到0度方向的各个压电陶瓷颗粒的高度递减，且在两组或其中一组中，至少靠近0度处的1个压电陶瓷颗粒的高度小于±90度处的2个压电陶瓷颗粒的高度；7、当m为除1外的奇数时，从弧形边±90度到0度方向的不同组压电陶瓷颗粒的平均高度递减，且至少0度处的1组压电陶瓷颗粒的平均高度小于±90度处的2组压电陶瓷颗粒的平均高度；8、当m为除2外的偶数时，从弧形边±90度到0度方向的不同组压电陶瓷颗粒的平均高度递减，且至少靠近0度处的1组压电陶瓷颗粒的高度小于±90度处的2组压电陶瓷颗粒的高度。9、进一步地，当m为除1外的奇数或除2外的偶数时，从弧形边±90度到0度方向除不同组压电陶瓷颗粒的平均高度存在递减趋势外，在至少其中1组内的各个压电陶瓷颗粒也存在递减趋势。10、作为优选，所述压电陶瓷颗粒的数量为1组或2组，每1组中各个压电陶瓷颗粒的形状相同，从弧形边±90度到0度方向的各个压电陶瓷颗粒的大小不均匀，或者压电陶瓷颗粒的数量为3组以上，每1组中各个压电陶瓷颗粒的形状和大小相同，从弧形边±90度到0度方向的不同组压电陶瓷颗粒的大小不均匀。11、作为优选，所述压电陶瓷颗粒为2组以上，各组中压电陶瓷颗粒数量不都相同，即至少其中1组压电陶瓷颗粒的数量与其他组中的压电陶瓷颗粒数量不相同。12、作为优选，所述压电陶瓷颗粒的形状为长方体、正方体、圆柱体、梯形柱状体、菱形柱状体中的一种或多种组合。13、作为优选，所述弧形边上位于±90度的点之间的直径为d1，压电陶瓷颗粒朝向弧形中心点的高度为l1，弧形边上位于0度的点到弧形中心点的距离为rm，满足l1：d1为≦1:10，rm：d1为1:2～1:8。14、上述技术方案中，所述弧形发射单元中的所有压电陶瓷颗粒均采用并联的电连接方式。15、作为优选，所述压电陶瓷颗粒朝向弧形中心点的高度为l1，压电陶瓷颗粒沿弧形外周切线方向的宽度为l2，压电陶瓷颗粒沿圆柱轴方向延伸的高度为l3，沿弧形边布置的相邻两个压电陶瓷颗粒之间的间距为l4，满足l1≥l2，l1≥l3，l2≥l4。16、作为优选，所述压电陶瓷颗粒外表面设置有匹配层，匹配层的厚度为u(按朝向弧形中心点计算)，所述压电陶瓷颗粒朝向弧形中心点的高度为l1，满足u≤l1。17、本发明提供的一种非均匀压电单元弧形发射基阵的安装方法，包括如下步骤：18、步骤(1)：将不同高度的压电陶瓷颗粒沿弧形边内依次排列，利用导线将所有压电陶瓷颗粒振子电并联，形成弧形发射单元；19、步骤(2)：将多组弧形发射单元沿圆柱轴方向排列构成弧形发射基阵；20、步骤(3)：在弧形发射基阵外表面灌注防水透声层。21、作为优选，所述步骤(1)中，压电陶瓷颗粒为两组以上，压电陶瓷颗粒的形状为长方体、正方体、圆柱体、梯形柱状体、菱形柱状体中的一种或多种组合。22、本发明的工作原理是：将不同高度的压电陶瓷颗粒布成弧形阵，位置接近±90度处的压电陶瓷颗粒工作在一阶谐振频率附近，而位置接近0度处的压电陶瓷颗粒工作在远低于一阶谐振频率或远高于一阶谐振频率附近，从而实现水平圆周方向指向性边缘波束强度比中心波束高的声辐射特性。23、本发明提供的非均匀压电单元弧形发射基阵，其外形采用半柱面的方式，压电单元高度沿基阵圆周方向非均匀分布，具有设计合理、制作方便的优点。该弧形发射基阵不但能实现水平方向宽角度覆盖且水平圆周方向边缘波束强度比中心波束高，解决混响严重及边缘波束物理分辨力低的问题，同时与auv等安装平台更易于共形，方便安装。技术特征：1.一种非均匀压电单元弧形发射基阵，其特征在于：包括两组以上沿圆柱轴方向排列而成的弧形发射单元，所述弧形发射单元包括m组沿弧形边内排列且并联电连接的压电陶瓷颗粒，每组压电单元包括n个压电陶瓷颗粒，各个压电陶瓷颗粒的高度不均匀，从弧形边±90度到0度方向各个压电陶瓷颗粒对称分布且高度存在递减趋势。2.根据权利要求1所述的非均匀压电单元弧形发射基阵，其特征在于：对于不同组数的压电陶瓷颗粒，满足：3.根据权利要求2所述的非均匀压电单元弧形发射基阵，其特征在于：当m为除1外的奇数或除2外的偶数时，从弧形边±90度到0度方向除不同组压电陶瓷颗粒的平均高度存在递减趋势外，在至少其中1组内的各个压电陶瓷颗粒也存在递减趋势。4.根据权利要求1所述的非均匀压电单元弧形发射基阵，其特征在于：所述压电陶瓷颗粒的数量为1组或2组，每1组中各个压电陶瓷颗粒的形状相同，从弧形边±90度到0度方向的各个压电陶瓷颗粒的大小不均匀，或者压电陶瓷颗粒的数量为3组以上，每1组中各个压电陶瓷颗粒的形状和大小相同，从弧形边±90度到0度方向的不同组压电陶瓷颗粒的大小不均匀。5.根据权利要求1所述的非均匀压电单元弧形发射基阵，其特征在于：所述压电陶瓷颗粒为2组以上，各组中压电陶瓷颗粒数量不都相同。6.根据权利要求1所述的非均匀压电单元弧形发射基阵，其特征在于：所述压电陶瓷颗粒的形状为长方体、正方体、圆柱体、梯形柱状体、菱形柱状体中的一种或多种组合。7.根据权利要求1所述的非均匀压电单元弧形发射基阵，其特征在于：所述弧形边上位于±90度的点之间的直径为d1，压电陶瓷颗粒朝向弧形中心点的高度为l1，弧形边上位于0度的点到弧形中心点的距离为rm，满足l1：d≦1:10，rm：d1为1:2～1:8。8.根据权利要求1所述的非均匀压电单元弧形发射基阵，其特征在于：所述弧形发射单元中的所有压电陶瓷颗粒均采用并联的电连接方式。9.根据权利要求1所述的非均匀压电单元弧形发射基阵，其特征在于：所述压电陶瓷颗粒外表面设置有匹配层，匹配层的厚度为u(按朝向弧形中心点计算)，所述压电陶瓷颗粒朝向弧形中心点的高度为l1，满足u≤l1。10.一种非均匀厚度匹配层弧形发射基阵的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：技术总结本发明公开了一种非均匀压电单元弧形发射基阵，包括两组以上沿圆柱轴方向排列而成的弧形发射单元，所述弧形发射单元包括m组沿弧形边内排列且并联电连接的压电陶瓷颗粒，每组压电单元包括n个压电陶瓷颗粒，各个压电陶瓷颗粒的高度不均匀，从弧形边±90度到0度方向各个压电陶瓷颗粒对称分布且高度存在递减趋势。该弧形发射基阵的安装方法包括形成弧形发射单元、构成弧形发射基阵和灌注防水透声层的步骤。本发明可以应用于多波束测深声纳等成像声纳，能解决现有技术混响严重及边缘波束物理分辨力低的问题，同时与AUV等常用安装平台形状更匹配，安装和维护更方便。技术研发人员：张凯,林康,唐义政,钟琴琴,唐军,刘鹏受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一五研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/16