[發明專利]基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器

有效

• 申請號: 202010797700.3
• 申請日: 2020-08-10
• 公開（公告）號: CN112040382B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 卞加聰;王艷;沈明杰;趙慧;孫逸來
• 申請（專利權）人: 上海船舶電子設備研究所（中國船舶重工集團公司第七二六研究所）
• 主分類號: H04R17/00
• 分類號: H04R17/00;H04R1/44
• 代理公司: 上海段和段律師事務所 31334
• 代理人: 李佳俊;郭國中

1.一種基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器，其特征在于，包括背襯(1)、有源材料層(2)、均勻匹配層(3)、梯度匹配層(4)和防水透聲層(5)；

所述背襯(1)、有源材料層(2)、均勻匹配層(3)、梯度匹配層(4)和防水透聲層(5)依次設置；

所述背襯(1)與有源材料層(2)緊固連接；

所述均勻匹配層(3)與有源材料層(2)緊固連接；

所述梯度匹配層(4)與均勻匹配層(3)緊固連接；

所述防水透聲層(5)與梯度匹配層(4)緊固連接；

所述梯度匹配層(4)包括梯度匹配層框架(6)和填充圓錐(7)，梯度匹配層(4)的特性阻抗值在聲傳播方向上呈指數衰減變化；

所述有源材料層(2)、均勻匹配層(3)和梯度匹配層(4)的特性阻抗值具有如下關系：

其中，Z₀為均勻匹配層(3)的特性阻抗值；

Z_p為有源材料層(2)的特性阻抗值；

Z₁為填充圓錐(7)底面的特性阻抗值，即梯度匹配層(4)高阻抗端特性阻抗值。

2.根據權利要求1所述的基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器，其特征在于，所述梯度匹配層框架(6)為設置有均布圓錐形空間的矩形結構；

所述填充圓錐(7)填充在梯度匹配層框架(6)的圓錐形空間內。

3.根據權利要求2所述的基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器，其特征在于，多個所述填充圓錐(7)緊密排列在梯度匹配層框架(6)內部且排列方向一致；

所述填充圓錐(7)底部設置在均勻匹配層(3)一側；

所述填充圓錐(7)頂部設置在防水透聲層(5)一側；

所述填充圓錐(7)的材料聲速與梯度匹配層框架(6)的材料聲速相同。

4.根據權利要求1所述的基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器，其特征在于，所述梯度匹配層(4)采用聲阻抗梯度匹配層材料，材料的特性阻抗值Z滿足如下公式：

Z＝ρc

其中，ρ為密度；

c為梯度匹配層(4)的聲速；

所述聲阻抗梯度匹配層材料在聲傳播方向保持聲速c不變僅改變密度ρ實現特性阻抗值Z的變化。

5.根據權利要求1所述的基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器，其特征在于，所述梯度匹配層(4)的特性阻抗值Z(x)滿足如下公式：

Z(x)＝Z₁e^2αx

其中，Z₂為填充圓錐(7)頂點面的特性阻抗值，即梯度匹配層(4)低阻抗端特性阻抗值；

d為梯度匹配層(4)的厚度，d大于等于波長λ的一半；

x方向為聲波傳播方向，即從均勻匹配層(3)到防水透聲層(5)的方向；

α為衰減系數；

所述梯度匹配層(4)的特性阻抗值Z(x)按照Z(x)＝Z₁e^2αx在聲波傳播方向上指數衰減變化。

6.根據權利要求2所述的基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器，其特征在于，所述梯度匹配層框架(6)通過3D打印制成。

7.根據權利要求1所述的基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器，其特征在于，所述背襯(1)與有源材料層(2)通過導電膠粘接。

8.根據權利要求1所述的基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器，其特征在于，所述有源材料層(2)、均勻匹配層(3)和梯度匹配層(4)通過壓力機施加壓力無縫粘接。

9.根據權利要求1所述的基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器，其特征在于，所述背襯(1)的材料為聲阻抗值遠低于有源材料層(2)的特性阻抗值的反聲或者吸聲材料。