[發(fā)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?zhí)枺?/td>: 202010797700.3
• 申請日: 2020-08-10
• 公開（公告）號: CN112040382B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 卞加聰;王艷;沈明杰;趙慧;孫逸來
• 申請（專利權(quán)）人: 上海船舶電子設(shè)備研究所（中國船舶重工集團(tuán)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(wù)所 31334
• 代理人: 李佳俊;郭國中

本發(fā)明提供了一種基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器，包括背襯、有源材料層、均勻匹配層、梯度匹配層和防水透聲層；背襯、有源材料層、均勻匹配層、梯度匹配層和防水透聲層依次設(shè)置；背襯與有源材料層緊固連接；均勻匹配層與有源材料層緊固連接；梯度匹配層與均勻匹配層緊固連接；防水透聲層與梯度匹配層緊固連接；梯度匹配層包括梯度匹配層框架和填充圓錐，梯度匹配層的特性阻抗值在聲傳播方向上呈指數(shù)衰減變化。本發(fā)明提供的基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器解決了壓電材料與水之間阻抗失配導(dǎo)致透射效率低而無法實現(xiàn)換能器在水中發(fā)射高頻寬帶信號的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水聲換能器領(lǐng)域，具體地，涉及基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器。

背景技術(shù)

隨著聲納系統(tǒng)中水聲信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展以及海洋開發(fā)的日益深入，高頻聲納越來越受到重視。高頻聲納常需要寬帶工作，高頻寬帶聲納，一方面能獲取目標(biāo)更多的信息特征，提高對目標(biāo)的探測效果；另一方面還可以選頻工作，有效避免協(xié)同作戰(zhàn)時的同頻干擾。高頻寬帶水聲換能器是高頻寬帶聲納信號產(chǎn)生和獲取的基礎(chǔ)。因此高頻換能器的寬帶特性是目前重要的研究方向之一。

高頻寬帶水聲換能器實現(xiàn)的主要困難在于壓電材料(聲阻抗35MRayls左右)與水(聲阻抗1.5MRayls)之間的阻抗失配降低了換能器在水中的透射效率，傳統(tǒng)的單層或雙層均勻匹配層換能器不能很好的實現(xiàn)阻抗的過渡，因而無法實現(xiàn)換能器在水中的高頻寬帶信號發(fā)射。

專利文獻(xiàn)CN203787081U公開了一種水聲換能器，包括壓電復(fù)合材料片、背襯、電極引線、外殼、保護(hù)層、邊條和金屬板。其技術(shù)方案的不足之處在于壓電復(fù)合材料片和水之間的阻抗失配，降低了換能器在水中的透射效率，無法實現(xiàn)換能器在水中的高頻寬帶信號發(fā)射。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器。

根據(jù)本發(fā)明提供的基于聲阻抗梯度匹配層的高頻寬帶水聲換能器，包括背襯、有源材料層、均勻匹配層、梯度匹配層和防水透聲層；

背襯、有源材料層、均勻匹配層、梯度匹配層和防水透聲層依次設(shè)置；

背襯與有源材料層緊固連接；

均勻匹配層與有源材料層緊固連接；

梯度匹配層與均勻匹配層緊固連接；

防水透聲層與梯度匹配層緊固連接；

梯度匹配層包括梯度匹配層框架和填充圓錐，梯度匹配層的特性阻抗值在聲傳播方向上呈指數(shù)衰減變化。

優(yōu)選地，梯度匹配層框架為設(shè)置有均布圓錐形空間的矩形結(jié)構(gòu)；

填充圓錐填充在梯度匹配層框架的圓錐形空間內(nèi)。

優(yōu)選地，多個填充圓錐緊密排列在梯度匹配層框架內(nèi)部且排列方向一致；

填充圓錐底部設(shè)置在均勻匹配層一側(cè)；

填充圓錐頂部設(shè)置在防水透聲層一側(cè)；

填充圓錐的材料聲速與梯度匹配層框架的材料聲速相同。

優(yōu)選地，有源材料層、均勻匹配層和梯度匹配層的特性阻抗值具有如下關(guān)系：

其中，Z₀為均勻匹配層的特性阻抗值；

Z_p為有源材料層的特性阻抗值；

Z₁為填充圓錐底面的特性阻抗值，即梯度匹配層(4)高阻抗端特性阻抗值。

優(yōu)選地，梯度匹配層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：