适用于远距离高分辨率鱼探仪的宽带声基元
技术领域
本发明涉及鱼探仪技术领域，具体地，涉及一种适用于远距离高分辨率鱼探仪的宽带声基元。
背景技术
世界各沿海国家都把开发海洋、发展海洋经济和海洋产业定为基本国策。其中海洋生物资源勘探、开发和保护技术成为主要的内容。鱼探仪是利用声波回声原理探测海中鱼群的重要仪器设备。就目前而言，世界上各国鱼群探测设备总体上只有两种，一种是垂直鱼探仪，一种是水平鱼探仪。由于垂直鱼探仪需要船只航行到鱼群上方才能进行探测使用且无法探测船体四周的鱼群，所以可实现垂直和水平两维扫描的水平鱼探仪是近年来的研究热点。美国、挪威和日本均自主研发了多个系列的水平鱼探仪。我国多数拖网渔船仍使用垂直鱼探仪，在自主研发水平鱼探仪技术上缺乏经验。结合国外先进水平鱼探仪的技术特点，大多数水平鱼探仪是具有宽带、高分辨率和远距离工作的优势且多为圆柱阵。鱼探仪的声基元多为纵振子换能器。该类型换能器具有大功率、稳定性高、易加工等特点。但传统纵振子换能器工作带宽窄且多为单频工作，不能满足成阵后鱼探仪宽带的使用要求。批量加工时很难保证声基元阻抗的一致性，同时随着鱼探仪小型化的要求对基元安装方式提出了更高的要求。
目前拓展纵振子换能器带宽的方式有纵弯耦合技术、匹配层技术、电路匹配等技术。纵弯耦合技术需要前盖板较薄，组成圆柱阵时不便于安装；匹配层技术虽拓展了工作带宽，但降低了换能器的发射电压响应。本发明将换能器和匹配电路定义为声基元，利用电路匹配技术拓宽声基元工作频带，显著提高鱼探仪声基元发射电压响应，保证批量生产时声基元阻抗一致性，同时该基元结构可适用于小型化鱼探仪成阵的安装。
专利文献CN111025304A公开了一种能够自动切换无线通讯方式的新型鱼探仪，包含MCU微控制器、复位模块、晶振模块、保险丝模块、滤波模块、电源模块、驱动模块、通信模块、ADC模数转换模块、超声波发射模块、超声波接收模块和换能器；所述的控制复位电路、晶振电路、保险丝电路、滤波电路、驱动模块、ADC模数转换模块和超声波发射模块分别与MCU微控制器电性连接，电源模块为整个系统供电。该专利在结构和性能仍然有待提高的空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于远距离高分辨率鱼探仪的宽带声基元。
根据本发明提供的一种适用于远距离高分辨率鱼探仪的宽带声基元，包括：前盖板1、电极片2、压电晶堆3、后盖板4、预应力螺杆5、四脚支架6以及匹配电路7；所述预应力螺杆5包括：所述前盖板1、电极片2、压电晶堆3和后盖板4相连接；所述前盖板1、电极片2、压电晶堆3和后盖板4之间的连接采用预应力螺杆5紧固；所述四脚支架6套在预应力螺杆5的螺帽上并用粘接剂固定；所述匹配电路7安装在四脚支架6的定位槽中并采用粘接剂紧固连接。
优选地，所述O型密封圈8；所述O型密封圈8安装在前盖板1密封槽中。
优选地，还包括：纵振子换能器、导线部件；所述匹配电路7的输出端与纵振子换能器的输入端通过双绞导线相连；所述导线部件包括：双绞导线；所述匹配电路7的输入端与导线相连。
优选地，所述四脚支架6采用四脚塑料支架；所述压电晶堆3采用压电陶瓷晶堆；所述前盖板1、电极片2、压电晶堆3和后盖板4通过粘接剂相连接；所述四脚支架6套在预应力螺杆5的螺帽上并用粘接剂固定；所述匹配电路7安装在四脚支架6的定位槽中并采用粘接剂紧固连接；
优选地，还包括：夹具和压力机；所述前盖板1、电极片2、压电晶堆3、后盖板4通过环氧树脂粘接剂组成一体后，安装在夹具中利用压力机施加20kN压力，再用预应力螺杆5紧固，最后放入80℃高温环境固化。
优选地，所述的前盖板1采用圆柱加圆台型结构，即所述前盖板1的头部采用圆柱型结构，所述前盖板1的尾部采用8圆台型结构，且所述的前盖板1的头部半径大于前盖板1的尾部半径；所述的前盖板1中心设有10mm深的螺纹孔；所述的前盖板1的头部设有密封槽；所述的前盖板1的尾部设有1mm高的圆柱型凸台。
优选地，所述电极片2采用中心带孔的铜圆片；所述电极片2的直径与压电晶堆3的直径相同；所述的电极片2的边缘设有直径为2mm的半圆形结构。
优选地，所述四脚支架6包括：中间通孔部件，四脚支架结构；所述四脚支架结构设置于所述四脚支架6的两面。所述四脚支架一面套在所述预应力螺杆5的螺帽上，另一面固定所述的匹配电路7。
优选地，所述匹配电路7包括：可调电感L、电阻R与旋转螺杆；通过旋转螺杆调节可调变压器T和可调电感L的数值。
优选地，所述的可调电感L的线圈外部采用直径为20mm且具有磁性的罐体。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明中，纵振子换能器有源材料选型中，选用具有高抗张强度、稳定性高、机械Q值高的PZT-8型压电陶瓷作为换能器的驱动元件，可承受较大电压，增加换能器的声源级；
2、本发明中，纵振子换能器由前盖板、压电陶瓷晶堆、后盖板和预应力螺杆组成。与传统的纵振子换能器相比添加了匹配电路，且由于匹配电路的作用，增加了声基元的工作带宽，提高了声基元的发射电压响应。同时优化纵振子换能器前盖板的结构使其具有较宽指向性，波束开角约为70°；
3、本发明中，匹配电路由可调变压器T、可调电感L、电阻R与螺杆组成，旋转螺杆调节可调变压器T和可调电感L的数值。通过合理地调整变压器T与电感L的数值可以保障批量生产声基元阻抗的一致性。相较于传统的LC匹配电路，可以增加调节精度并提高纵振子换能器的输入电压；
4、本发明中，O型密封圈不仅提供水密功能，还具有纵振子换能器与金属壳体之间的去耦作用，保证纵振子换能器前盖板的自由边界条件。该结构可适用于小型化鱼探仪声基元成阵的安装。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中的鱼探仪基元结构示意图。
图2为本发明实施例中的匹配电路原理示意图。
图3为本发明实施例中的不同电路匹配方案理论仿真对比示意图。
图4为本发明实施例中的实测匹配后声基元发射电压响应曲线示意图。
图5为本发明实施例中的实测匹配后声基元波束示意图。
图中：
前盖板1、电极片2、压电晶堆3、后盖板4、预应力螺杆5、四脚支架6、匹配电路7、O型密封圈8。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-5所示，根据本发明提供的一种适用于远距离高分辨率鱼探仪的宽带声基元，包括：前盖板1、电极片2、压电晶堆3、后盖板4、预应力螺杆5、四脚支架6以及匹配电路7；所述预应力螺杆5包括：所述前盖板1、电极片2、压电晶堆3和后盖板4相连接；所述前盖板1、电极片2、压电晶堆3和后盖板4之间的连接采用预应力螺杆5紧固；所述四脚支架6套在预应力螺杆5的螺帽上并用粘接剂固定；所述匹配电路7安装在四脚支架6的定位槽中并采用粘接剂紧固连接。
优选地，所述O型密封圈8；所述O型密封圈8安装在前盖板1密封槽中。
优选地，还包括：纵振子换能器、导线部件；所述匹配电路7的输出端与纵振子换能器的输入端通过双绞导线相连；所述导线部件包括：双绞导线；所述匹配电路7的输入端与导线相连。
优选地，所述四脚支架6采用四脚塑料支架；所述压电晶堆3采用压电陶瓷晶堆；所述前盖板1、电极片2、压电晶堆3和后盖板4通过粘接剂相连接；所述四脚支架6套在预应力螺杆5的螺帽上并用粘接剂固定；所述匹配电路7安装在四脚支架6的定位槽中并采用粘接剂紧固连接；
优选地，还包括：夹具和压力机；所述前盖板1、电极片2、压电晶堆3、后盖板4通过环氧树脂粘接剂组成一体后，安装在夹具中利用压力机施加20kN压力，再用预应力螺杆5紧固，最后放入80℃高温环境固化。
优选地，所述的前盖板1采用圆柱加圆台型结构，即所述前盖板1的头部采用圆柱型结构，所述前盖板1的尾部采用8圆台型结构，且所述的前盖板1的头部半径大于前盖板1的尾部半径；所述的前盖板1中心设有10mm深的螺纹孔；所述的前盖板1的头部设有密封槽；所述的前盖板1的尾部设有1mm高的圆柱型凸台。
优选地，所述电极片2采用中心带孔的铜圆片；所述电极片2的直径与压电晶堆3的直径相同；所述的电极片2的边缘设有直径为2mm的半圆形结构。
优选地，所述四脚支架6包括：中间通孔部件，四脚支架结构；所述四脚支架结构设置于所述四脚支架6的两面。所述四脚塑料支架一面套在所述预应力螺杆5的螺帽上，另一面固定所述的匹配电路7。
优选地，所述匹配电路7包括：可调电感L、电阻R与旋转螺杆；通过旋转螺杆调节可调变压器T和可调电感L的数值。
优选地，所述的可调电感L的线圈外部采用直径为20mm且具有磁性的罐体。
具体地，在一个实施例中，如图1所示，一种适用于远距离高分辨率鱼探仪的宽带声基元，包括前盖板1、电极片2、压电陶瓷晶堆、后盖板4、预应力螺杆5、四脚塑料支架、匹配电路7、O型密封圈8。前盖板1、电极片2、压电陶瓷晶堆和后盖板4通过粘接剂连接并用预应力螺杆5紧固。匹配电路7安装在四脚塑料支架的定位槽中并用粘接剂固定，四脚塑料支架中心具有与所述的预应力螺杆5的螺帽直径相同的通孔，四脚塑料支架套在预应力螺杆5的螺帽上并用粘接剂固定。匹配电路7输出端与纵振子换能器输入端通过双绞导线相连。匹配电路7输入端与导线相连。O型密封圈8安装在所述的前盖板1密封槽中。
所述的纵振子换能器在制作时，首先将前盖板1、电极片2、压电陶瓷晶堆、后盖板4表面均匀涂抹环氧树脂粘接剂，待粘接为一体后，施加20kN压力并用预应力螺杆5紧固，最后放入80℃的高温环境中固化即可。
所述的前盖板1采用圆柱加圆台型结构，前盖板1辐射面为头部，辐射面背向为前盖板1尾部，前盖板1头部靠近辐射面一端为圆柱体，背离辐射面一端为圆台型，且前盖板1头部半径大于尾部半径。所述的前盖板1尾部设有1mm高的圆柱型凸台，该凸台直径与压电陶瓷晶堆直径相同。该凸台为导线与电极片2之间的焊接提供便利性。所述的前盖板1尾部中心处设有10mm深的螺纹孔，以便预应力螺杆5进行紧固连接。所述的前盖板1头部靠近辐射面一端的圆柱体设有密封槽，且距离辐射面2mm。将O型密封圈8安装在密封槽中不仅可以提供水密功能，还可以起到纵振子换能器与金属壳体之间的去耦作用，保证纵振子换能器前盖板1的自由边界条件。该基元结构可适用于小型化鱼探仪成阵的安装。
所述的后盖板4为圆柱型结构，后盖板4靠近压电陶瓷晶堆的一端为后盖板4头部，靠近匹配电路7一端为后盖板4尾部，后盖板4头部设有1mm高的圆柱型凸台，该凸台直径与压电陶瓷晶堆直径相同。该凸台为导线与电极片2之间的焊接提供便利性。
所述的电极片2为中心带孔的圆片结构且电极片2直径与压电陶瓷晶堆直径相同。在电极片2边缘设有直径为2mm的半圆形结构。该半圆形结构用于焊接导线。
所述的四脚塑料支架为两面均有四脚支架结构。靠近后盖板4一端，四脚支架内直径等于所述的后盖板4直径且中心通孔直径与所述的预应力螺杆5的螺帽直径相同。四脚塑料支架靠近后盖板4一端套在预应力螺杆5的螺帽上，四脚支架套在后盖板4尾部，并用粘接剂固定。四脚塑料支架靠近匹配电路7一端设有四脚定位卡槽，该定位槽内直径与匹配电路7罐体外直径相同，通过粘接剂将匹配电路7固定于四脚塑料支架。
所述的匹配电路7包括可调变压器T、可调电感L、电阻R与螺杆。其中，导线与可调变压器T的初级线圈相连，可调变压器T的次级线圈与可调电感L及电阻R串联，最后与所述的纵振子换能器输入端并联。可调变压器T的线圈外部是直径为20mm具有磁性的罐体，通过旋转螺杆调节可调变压器T和可调电感L的数值。
根据公式可计算出纵振子换能器电源两端的阻抗为：
Z1＝(n1/n2)2*(Z0+ZL)+ZT；
其中，Z1为电源两端阻抗，Z0为纵振子换能器等效阻抗，ZL为可调电感L等效阻抗，ZT为可调变压器T等效阻抗，n1为可调变压器T的初级线圈数，n2为可调变压器T的次级线圈数。
为了达到理想匹配，电路模型还需满足：
R1＝(n1/n2)2(R0+R)
1/(wC0)＝[LT+(n1/n2)2L]*w；
其中，R1为电源两端等效电阻，R0为纵振子换能器等效电阻，C0为纵振子换能器静态电容，LT为可调变压器T的等效电感，L为可调电感，w为角频率。
通过调整可调变压器T、可调电感L和电阻R的参数，可以得到两个谐振，合理的设计两个谐振频率可以有效拓宽声基元工作频段，同时提高声基元发射电压响应，增加探测距离。通过调节匹配电路的参数可以保证批量生产声基元阻抗的一致性。
具体纵振子换能器与匹配电路设计方案如下：
1、利用有限元软件对纵振子换能器进行模型分析，得到谐振频率为23.5kHz的结构模型。
2、利用有限元多物理场共同运算的特点将电路物理场加入到声-压电耦合物理场中。
3、将传统的LC电路匹配方式与本发明设计的匹配电路仿真结果对比。
4、制作声基元进行验证。
通过有限元软件实现多物理场耦合用于计算换能器与电路匹配，得到传统电路匹配形式与本发明设计的匹配形式对比，如图3所示。本发明设计的匹配形式可以显著提高声基元的发射电压响应，并且在工作频带内减小了发射电响应的起伏，使曲线更加平坦。实际制作声基元有无电路匹配的发射电压响应曲线对比，如图4。可以看出本发明设计的匹配方式，不仅拓宽声基元的工作频带，还显著提高声基元的发射电压响应，在工作带宽内最大发射电压响应为159dB。图5为声基元波束图，自然波束开角为70°。
具体地，在一个实施例中，一种适用于远距离高分辨率鱼探仪的宽带声基元，由前盖板1、电极片2、压电陶瓷晶堆、后盖板4、预应力螺杆5、四脚塑料支架、匹配电路7、O型密封圈8组成。与仅用传统纵振子换能器作为声基元的形式相比，采用本发明的设计方法，可以有效拓展声基元工作频带，显著提高声基元的发射电压响应，通过调节匹配电路7保证了批量制作声基元阻抗的一致性。该基元结构可适用于小型化鱼探仪成阵的安装。本发明设计的声基元可满足海底探测、海洋资源开发的需求，尤其适用于远洋渔业捕捞装备鱼探仪。
本发明中，纵振子换能器有源材料选型中，选用具有高抗张强度、稳定性高、机械Q值高的PZT-8型压电陶瓷作为换能器的驱动元件，可承受较大电压，增加换能器的声源级；本发明中，纵振子换能器由前盖板、压电陶瓷晶堆、后盖板和预应力螺杆组成。与传统的纵振子换能器相比添加了匹配电路，且由于匹配电路的作用，增加了声基元的工作带宽，提高了声基元的发射电压响应。同时优化纵振子换能器前盖板的结构使其具有较宽指向性，波束开角约为70°；本发明中，匹配电路由可调变压器T、可调电感L、电阻R与螺杆组成，旋转螺杆调节可调变压器T和可调电感L的数值。通过合理地调整变压器T与电感L的数值可以保障批量生产声基元阻抗的一致性。相较于传统的LC匹配电路，可以增加调节精度并提高纵振子换能器的输入电压；本发明中，O型密封圈不仅提供水密功能，还具有纵振子换能器与金属壳体之间的去耦作用，保证纵振子换能器前盖板的自由边界条件。该结构可适用于小型化鱼探仪声基元成阵的安装。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
