專利名稱：聲納系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種聲納系統(tǒng)，尤其涉及一種主動聲納系統(tǒng)。
背景技術：
聲納系統(tǒng)是采用聲波進行探測的裝置。聲納系統(tǒng)在汽車監(jiān)視器、魚雷定位、水 中探測等領域有著廣泛應用。由于光和電磁波在水中衰減很快，而聲波衰減較慢，所 以聲納系統(tǒng)成為水下監(jiān)視使用的主要技術，用于對水下目標進行探測、分類、定位和跟
S示ο按工作方式聲納系統(tǒng)可以分為主動聲納系統(tǒng)和被動聲納系統(tǒng)。主動聲納系統(tǒng) 指聲納系統(tǒng)主動發(fā)射聲波"照射"目標，而后接收水中目標反射的回波以測定目標的參 數(shù)。被動聲吶系統(tǒng)指聲吶系統(tǒng)被動接收艦船等水中目標產生的輻射噪聲和水聲設備發(fā)射 的信號，以測定目標的方位。主動聲納系統(tǒng)一般由發(fā)射基陣、接收基陣、電子機柜和輔助設備四部分組成。 其中，發(fā)射基陣和接收基陣分別包括多個換能器，由多個換能器以一定幾何圖形排列組 合而成，其外形通常為球形、柱形、平板形或線列行。電子機柜一般有發(fā)射、接收、顯 示和控制等系統(tǒng)。輔助設備包括電源設備，連接電纜，水下接線箱和增音機，與發(fā)射 基陣或接收基陣的傳動控制相配套的升降、回轉、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等裝 置，以及聲納導流罩等。換能器是發(fā)射基陣及接收基陣中的重要器件，它是聲能與其它形式的能如機 械能、電能、磁能等相互轉換的裝置。換能器有兩個用途一是在水下發(fā)射聲波，稱 為“發(fā)射換能器”，相當于空氣中的揚聲器；二是在水下接收聲波，稱為“接收換能 器”，相當于空氣中的傳聲器(俗稱“麥克風”或“話筒”)。發(fā)射基陣包括發(fā)射換能 器陣列，接收基陣包括接收換能器陣列。傳統(tǒng)換能器的工作原理是利用某些材料在電場或磁場的作用下發(fā)生伸縮的壓電 效應或磁致伸縮效應。目前，常用的換能器為由壓電陶瓷制備的壓電換能器、由稀土合 金制備的超磁致伸縮換能器以及由鐵電體材料制備的電致伸縮換能器。然而，上述換能 器通常需要電場或磁場才能夠工作，所以需要專門提供電場或磁場的原件，導致采用該 換能器的聲納系統(tǒng)結構復雜。而且上述換能器采用壓電陶瓷，稀土合金或鐵電體材料制 備，導致采用該換能器的聲納系統(tǒng)重量較大。

發(fā)明內容
有鑒于此，確有必要提供一種結構簡單且重量較小的聲納系統(tǒng)。一種聲納系統(tǒng)，其包括至少一發(fā)射基陣用于發(fā)射聲波；至少一接收基陣用于 接收聲波；以及一電子機柜用于控制所述發(fā)射基陣和接收基陣工作，其中，所述發(fā)射基 陣包括至少一碳納米管換能器，所述碳納米管換能器包括一發(fā)聲元件，該發(fā)聲元件包 括一碳納米管結構；以及至少兩個間隔設置的電極，且該至少兩個電極與所述發(fā)聲元件電連接。一種聲納系統(tǒng)，其包括至少一發(fā)射基陣用于發(fā)射聲波；至少一接收基陣用 于接收聲波；以及一電子機柜用于控制所述發(fā)射基陣和接收基陣工作，其中，所述發(fā)射 基陣包括一絕緣基底；多個行電極與多個列電極設置于絕緣基底的表面，該多個行電 極與多個列電極相互交叉設置，每兩個相鄰的行電極與每兩個相鄰的列電極形成一個網(wǎng) 格，且行電極與列電極之間電絕緣；以及多個碳納米管換能器，每個碳納米管換能器對 應一個網(wǎng)格設置，每個碳納米管換能器包括一第一電極、一第二電極和一發(fā)聲元件； 所述第一電極與第二電極絕緣間隔設置于所述每個網(wǎng)格中，且分別與所述行電極和列電 極電連接；所述發(fā)聲元件與所述第一電極和第二電極電連接，且所述發(fā)聲元件包括一碳 納米管結構。相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供的采用碳納米管換能器作為發(fā)射基陣的聲納系統(tǒng) 中，碳納米管換能器通過熱聲效應發(fā)聲，無需專門提供電場或磁場的原件，所以采用該 碳納米管換能器的聲納系統(tǒng)結構簡單，且重量較輕。


圖1為本發(fā)明第一實施例提供的聲納系統(tǒng)的結構示意圖。圖2為本發(fā)明第一實施例提供的聲納系統(tǒng)的平面發(fā)射換能器的結構示意圖。圖3為本發(fā)明第一實施例提供的聲納系統(tǒng)采用的碳納米管拉膜的掃描電鏡照 片。圖4為本發(fā)明第一實施例的聲納系統(tǒng)采用的非扭轉的碳納米管線的掃描電鏡照 片。圖5為本發(fā)明第一實施例的聲納系統(tǒng)采用的扭轉的碳納米管線的掃描電鏡照 片。圖6為圖2的平面發(fā)射換能器在空氣中的頻率響應特性曲線。圖7為圖2的平面發(fā)射換能器在水中的頻率響應特性曲線。圖8為本發(fā)明第一實施例提供的聲納系統(tǒng)的立體發(fā)射換能器的結構示意圖。圖9為本發(fā)明第一實施例提供的聲納系統(tǒng)的方框圖。圖10為本發(fā)明第二實施例的聲納系統(tǒng)的結構示意圖。圖11為本發(fā)明第二實施例提供的聲納系統(tǒng)的發(fā)射基陣的俯視圖。圖12為沿圖11中XII-XII線的剖面圖。
具體實施例方式以下將結合附圖對本發(fā)明提供的聲納系統(tǒng)作進一步的詳細說明。 請參閱圖1，本發(fā)明第一實施例提供一種聲納系統(tǒng)30，其包括至少一發(fā)射基陣 306、至少一接收基陣308，一電子機柜302以及收容該發(fā)射基陣306、接收基陣308和電 子機柜302的水下載體304。所述發(fā)射基陣306和接收基陣308分別與電子機柜302通 過電纜(圖未示)相連接。當所述聲納系統(tǒng)30在水下工作時可以通過一吊放系統(tǒng)(圖未 示)放入水中。所述水下載體304保護上述發(fā)射基陣306、接收基陣308和電子機柜302 不被水破壞。當所述聲納系統(tǒng)30包括多個發(fā)射基陣306和多個接收基陣308時，每一個發(fā)射基陣306與一接收基陣308成對設置于水下載體304的不同方位。本實施例中，所 述聲納系統(tǒng)30僅包括一個發(fā)射基陣306和一個接收基陣308。所述發(fā)射基陣306包括至少一碳納米管發(fā)射換能器40，請參閱圖2。所述發(fā)射 基陣306用來將電信號轉換為聲波信號，并發(fā)射出去。所述接收基陣308包括一接收換 能器陣列。所述接收換能器陣列可以為線陣或矩陣。所述接收換能器陣列中的接收換能 器可以為由壓電陶瓷制備的壓電換能器、由稀土合金制備的超磁致伸縮換能器以及由鐵 電體材料制備的電致伸縮換能器中的一種或多種。本實施例中，所述接收基陣308包括 8X8個(共8行，每行8個)由壓電陶瓷制備的壓電換能器。所述接收基陣308的工作 頻率范圍為30KHz至1200KHZ。所述接收基陣308用來接收聲波信號，并將聲波信號轉 換為電信號。請參閱圖2，本實施例中，所述碳納米管發(fā)射換能器40為一平面發(fā)射換能器， 其包括一第一電極402，一第二電極404以及一與該第一電極402和第二電極404分別電 連接的發(fā)聲元件406。所述發(fā)聲元件406包括一碳納米管結構。該碳納米管結構具有較 大的比表面積，從而具有與介質接觸的較大表面積。所述碳納米管結構的單位面積熱容 小于2X10—4焦耳每平方厘米開爾文，優(yōu)選地，所述碳納米管結構的單位面積熱容小于或 等于1.7X 10_6焦耳每平方厘米開爾文。所述碳納米管結構為一自支撐結構。所謂“自支撐結構”即該碳納米管結構無 需通過一支撐體支撐，也能保持自身特定的形狀。該自支撐結構的碳納米管結構包括多 個碳納米管，該多個碳納米管通過范德華力相互吸引，從而使碳納米管結構具有特定的 形狀。所述碳納米管結構中的碳納米管包括單壁碳納米管、雙壁碳納米管及多壁碳納米 管中的一種或多種。所述單壁碳納米管的直徑為0.5納米 50納米，所述雙壁碳納米管 的直徑為1.0納米 50納米，所述多壁碳納米管的直徑為1.5納米 50納米。所述碳納 米管的長度不限，優(yōu)選地，碳納米管的長度大于100微米。該碳納米管結構可以為面狀 或線狀結構。由于該碳納米管結構具有自支撐性，故該碳納米管結構在不通過支撐體支 撐時仍可保持面狀或線狀結構。由于該碳納米管結構中的碳納米管具有很好的柔韌性， 使得該碳納米管結構具有很好的柔韌性，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。所述碳納米管結構包括至少一碳納米管膜、至少一碳納米管線狀結構或其組 合。具體地，所述碳納米管膜可以為碳納米管拉膜、碳納米管絮化膜或碳納米管碾壓 膜。所述碳納米管線狀結構可以包括至少一個碳納米管線。當碳納米管線狀結構包括多 個碳納米管線時，多個碳納米管線平行排列組成束狀結構或多個碳納米管線相互扭轉組 成絞線結構。當碳納米管結構包括多個碳納米管膜時，所述多個碳納米管膜可以層疊設 置或共面設置。當碳納米管結構僅包括一個碳納米管線狀結構時，該碳納米管線狀結構 可以折疊或盤繞形成一層狀結構。當碳納米管結構包括多個碳納米管線狀結構時，所述 多個碳納米管線狀結構可以相互平行設置、交叉設置或編織設置形成一層狀結構。當碳 納米管結構同時包括碳納米管膜和碳納米管線狀結構時，所述碳納米管線狀結構可設置 于至少一碳納米管膜的至少一表面。所述碳納米管結構的長度，寬度以及厚度不限，可 以根據(jù)實際需要制備。 所述碳納米管膜包括均勻分布的碳納米管，碳納米管之間通過范德華力緊密結 合。該碳納米管膜中的碳納米管為無序排列或有序排列。這里的無序排列指碳納米管的排列無規(guī)則，這里的有序排列指至少多數(shù)碳納米管的排列方向具有一定規(guī)律。具體地， 當碳納米管膜包括無序排列的碳納米管時，碳納米管相互纏繞或者該碳納米管膜為各向 同性；當碳納米管膜包括有序排列的碳納米管時，碳納米管沿一個方向擇優(yōu)取向排列或 者該碳納米管膜包括多個部分，每個部分中的碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向排列，相鄰 兩個部分中的碳納米管的排列方式可相同或不同。請參閱圖3，所述碳納米管拉膜為從碳納米管陣列中直接拉取獲得的一種具有自 支撐性的碳納米管膜。每一碳納米管膜包括多個基本相互平行且基本平行于碳納米管膜 表面排列的碳納米管。具體地，所述碳納米管膜包括多個所述碳納米管通過范德華力首 尾相連且基本沿同一方向擇優(yōu)取向排列。每一碳納米管拉膜包括多個連續(xù)且定向排列的 碳納米管片段。該多個碳納米管片段通過范德華力首尾相連。每一碳納米管片段包括多 個相互平行的碳納米管，該多個相互平行的碳納米管通過范德華力緊密結合。該碳納米 管片段具有任意的寬度、厚度、均勻性及形狀。所述碳納米管拉膜的厚度為0.5納米 100微米，寬度與拉取該碳納米管拉膜的碳納米管陣列的尺寸有關，長度不限。所述碳納 米管拉膜及其制備方法具體請參見范守善等人于2007年2月9日申請的，于2008年8月 13日公開的第CN101239712A號中國公開專利申請“碳納米管膜結構及其制備方法”。 為節(jié)省篇幅，僅引用于此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發(fā)明申請技術揭露的一 部分。當所述碳納米管結構包括層疊設置的多層碳納米管拉膜時，相鄰兩層碳納米管 拉膜中的擇優(yōu)取向排列的碳納米管之間形成一交叉角度α，且α大于等于0度小于等于 90 度(0°《α《90° )。 本發(fā)明實施例的碳納米管結構可以包括多個沿相同方向層疊設置的碳納米管拉 膜，從而使碳納米管結構中的碳納米管均沿同一方向擇優(yōu)取向排列。本實施例中，所述 碳納米管結構為一單層碳納米管拉膜。所述碳納米管碾壓膜包括均勻分布的碳納米管，碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向 排列、碳納米管碾壓膜為各向同性，或該碳納米管膜包括多個部分，每個部分中的碳納 米管沿同一方向擇優(yōu)取向排列，相鄰兩個部分中的碳納米管的排列方式可相同或不同。 所述碳納米管碾壓膜中的碳納米管相互部分交疊，并通過范德華力相互吸引，緊密結 合，使得該碳納米管結構具有很好的柔韌性，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。且由 于碳納米管碾壓膜中的碳納米管之間通過范德華力相互吸引，緊密結合，使碳納米管碾 壓膜為一自支撐的結構。所述碳納米管碾壓膜可通過碾壓一碳納米管陣列獲得。所述 碳納米管碾壓膜中的碳納米管與形成碳納米管陣列的生長基底的表面形成一夾角β，其 中，β大于等于0度且小于等于15度(0《β《15° )，該夾角β與施加在碳納米管陣列 上的壓力有關，壓力越大，該夾角越小，優(yōu)選地，該碳納米管碾壓膜中的碳納米管平行 于該生長基底排列。該碳納米管碾壓膜中碳納米管的長度大于50微米。所述碳納米管 碾壓膜及其制備方法具體請參見范守善等人于2007年6月1日申請的，于2008年12月 3日公開的第CN101314464A號中國公開專利申請“碳納米管膜的制備方法”。為節(jié)省 篇幅，僅引用于此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發(fā)明申請技術揭露的一部分。所述碳納米管結構可包括至少一碳納米管絮化膜，該碳納米管絮化膜包括相互 纏繞且均勻分布的碳納米管。碳納米管的長度大于10微米，優(yōu)選地，碳納米管的長度大于等于200微米且小于等于900微米。所述碳納米管之間通過范德華力相互吸引、纏 繞，形成網(wǎng)絡狀結構。所述碳納米管絮化膜中的碳納米管為均勻分布，無規(guī)則排列，使 得該碳納米管絮化膜各向同性。由于在碳納米管絮化膜中，碳納米管相互纏繞，因此該 碳納米管絮化膜具有很好的柔韌性，且為一自支撐結構，可以彎曲折疊成任意形狀而不 破裂。所述碳納米管絮化膜的面積及厚度均不限，厚度為1微米 1毫米，優(yōu)選為100 微米。所述碳納米管絮化膜及其制備方法具體請參見范守善等人于2007年4月13日申 請的，于2008年10月15日公開的第CN101284662A號中國公開專利申請“碳納米管膜 的制備方法”。為節(jié)省篇幅，僅引用于此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發(fā)明申 請技術揭露的一部分。所述碳納米管線包括多個沿碳納米管線軸向定向排列的碳納米管。所述碳納米 管線可以為非扭轉的碳納米管線或扭轉的碳納米管線。該非扭轉的碳納米管線為將碳納 米管拉膜通過有機溶劑處理得到。請參閱圖4，該非扭轉的碳納米管線包括多個沿碳納 米管線軸向排列的碳納米管，即碳納米管的軸向與碳納米管線的軸向基本平行。該扭轉 的碳納米管線為采用一機械力將所述碳納米管拉膜兩端沿相反方向扭轉獲得。請參閱圖 5，該扭轉的碳納米管線包括多個繞碳納米管線軸向螺旋排列的碳納米管，即碳納米管的 軸向沿碳納米管線的軸向螺旋延伸。該非扭轉的碳納米管線與扭轉的碳納米管線長度不 限，直徑為0.5納米 100微米。所述碳納米管線及其制備方法具體請參見范守善等人于 2002年9月16日申請的，于2008年8月20日公告的第CN100411979C號中國公告專利
“一種碳納米管繩及其制造方法”，以及于2005年12月16日申請的，于2007年6月20 日公開的第CN1982209A號中國公開專利申請“碳納米管絲及其制作方法”。為節(jié)省篇 幅，僅引用于此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發(fā)明申請技術揭露的一部分。進一步地，可采用一揮發(fā)性有機溶劑處理該扭轉的碳納米管線。在揮發(fā)性有機 溶劑揮發(fā)時產生的表面張力的作用下，處理后的扭轉的碳納米管線中相鄰的碳納米管通 過范德華力緊密結合，使扭轉的碳納米管線的直徑及比表面積減小，密度及強度增大。由于該碳納米管線為采用有機溶劑或機械力處理上述碳納米管拉膜獲得，該碳 納米管拉膜為自支撐結構，所以該碳納米管線為自支撐結構。所述第一電極402與第二電極404的具體結構和形式不限，其可以為導線、導電 片、導電膜等。所述導線可以為碳納米管線，所述導電膜可以為碳納米管膜。進一步， 所述碳納米管發(fā)射換能器40還可以包括一支撐結構410，所述第一電極402、第二電極 404以及發(fā)聲元件406設置于該支撐結構410上。由于碳納米管發(fā)射換能器40為一平面 發(fā)射換能器，其發(fā)出的聲波具有很好的定向性，所以可采用單個大面積的碳納米管發(fā)射 換能器40代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)射基陣。本實施例中，所述第一電極404與第二電極406為金屬銅片，所述支撐結構410 為一玻璃板，所述碳納米管結構為一 16層相互重疊設置的碳納米管拉膜，且相鄰碳納米 管拉膜中的碳納米管之間具有90度夾角。 可以理解，所述碳納米管發(fā)射換能器40還可以包括多個第一電極404與多個第 二電極406，第一電極404與第二電極406平行間隔設置，且多個第一電極404電連接， 多個第二電極406電連接。 所述碳納米管發(fā)射換能器40可以在氣態(tài)介質或液態(tài)介質中工作。由于所述碳納米結構的單位面積熱容小于2X 10_4焦耳每平方厘米開爾文，當所述發(fā)聲元件406接收到 信號后，所述發(fā)聲元件406中的碳納米管結構將電能轉換為熱能，并迅速與周圍的介質 產生熱交換，使周圍介質的密度發(fā)生改變。當所述信號為周期變化的交流電信號或經(jīng)過 調制后的音頻電信號時，所述碳納米管結構產生的熱能也會同步發(fā)生改變 ，使所述發(fā)聲 元件406周圍的介質的密度也會產生變化，從而發(fā)出聲波。當所述碳納米管發(fā)射換能器40在氣態(tài)介質中工作時，其發(fā)聲頻率范圍為1赫茲 至10萬赫茲(即IHz 100kHz)。圖6為采用長寬均為30毫米且碳納米管首尾相連且 沿同一方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管膜用作所述發(fā)聲元件406，輸入電壓為50伏時，將 一麥克風放在距發(fā)聲元件406大約5厘米的位置時測得的所述碳納米管發(fā)射換能器40的 頻率響應特性曲線。從圖6中可以看出，所述發(fā)聲裝置的聲壓級大于50分貝，甚至可達 105分貝，所述發(fā)聲裝置的發(fā)聲頻率范圍為100赫茲至10萬赫茲(即IOOHz 100kHz)， 所述碳納米管發(fā)射換能器40在500赫茲 4萬赫茲頻率范圍內的失真度可小于3%，具有 較好的發(fā)聲效果。由此可見，該碳納米管發(fā)射換能器40能夠發(fā)出頻率大于10千赫茲的 超聲波，可以用作發(fā)射基陣。當所述碳納米管發(fā)射換能器40在液態(tài)介質中工作時，可以全部浸沒在液態(tài)介質 (圖未示)中。利用液態(tài)介質良好的導熱性，可以對所述發(fā)聲元件406及時散熱。為保 證所述發(fā)聲元件406的電熱轉換效率，所述液態(tài)介質的電阻率應大于2 X 10_2歐姆·米。 優(yōu)選地，所述液態(tài)介質為非電解質溶液、純水、海水、淡水及有機溶劑中的一種或任意 組合。在本實施例中，所述液態(tài)介質為純水。所述純水不僅電導率達到1.5X IO7歐 姆·米，且所述純水的比熱容也較大，可以迅速吸收碳納米管結構表面的熱量，對所述 碳納米管結構進行快速散熱。圖7為所述碳納米管發(fā)射換能器40在純水水面下0.1厘米的深度時分別加40V、 50V及60V電壓得到的頻率響應特性曲線。所述碳納米管發(fā)射換能器40的發(fā)聲元件406 為采用16層同向重疊設置的碳納米管拉膜所制成。在靠近所述水面的地方設置一麥克風 用于測試所述碳納米管發(fā)射換能器40自所述水面下發(fā)出的聲波。從圖7可以看出，所述 發(fā)聲元件406的發(fā)聲強度超過60分貝每瓦聲壓級，最高可達95分貝每瓦聲壓級。所述 發(fā)聲元件406在水中也可發(fā)出頻率大于10千赫茲以上的超聲波。因此所述碳納米管發(fā)射 換能器40可以用作發(fā)射基陣。可以理解，本發(fā)明還可以通過一旋狀裝置(圖未示)控制該碳納米管發(fā)射換能器 40使其可以旋轉至任意方向，或在聲納系統(tǒng)的四個方位、八個方位或多個方位分別設置 碳納米管發(fā)射換能器40，從而實現(xiàn)對多個方向的探測?？蛇x擇地，本實施例中，所述碳納米管發(fā)射換能器40還可以為一立體發(fā)射換能 器。請參閱圖8，本發(fā)明實施例提供的聲納系統(tǒng)30采用一種立體碳納米管發(fā)射換能器 50。該立體碳納米管發(fā)射換能器50可以包括四個棒狀電極502，即第一電極502a，第 二電極502b，第三電極502c及第四電極502d。所述第一電極502a，第二電極502b，第 三電極502c及第四電極502d空間平行間隔設置。所述發(fā)聲元件504環(huán)繞所述第一電極 502a,第二電極502b，第三電極502c及第四電極502d設置，并與所述第一電極502a， 第二電極502b，第三電極502c及第四電極502d分別電連接，形成一環(huán)形發(fā)聲元件504。 任意兩個相鄰的電極均分別與一發(fā)射機(圖未示)的兩端電連接，以使位于相鄰電極之間的發(fā)聲元件504接入輸入信號。具體地，先將不相鄰的兩個電極電連接后與所述發(fā)射機 的一端電連接，剩下的兩個電極電連接后與所述發(fā)射機的另一端電連接。本實施例中， 可先將所述第一電極502a及第三電極502c電連接后與所述發(fā)射機的一端電連接，再將所 述第二電極502b及第四電極502d電連接后與所述發(fā)射機的另一端電連接。上述連接方式 可實現(xiàn)相鄰電極之間的碳納米管結構的并聯(lián)。并聯(lián)后的碳納米管結構具有較小的電阻， 可降低工作電壓。另外，當所述發(fā)聲元件504的面積較大時，所述第三電極502c及第四 電極502d也可進一步起到支撐所述發(fā)聲元件504的作用?？梢岳斫?，所述碳納米管發(fā)射 換能器50的電極數(shù)量不限于四個，只要電極數(shù)量大于二即可，如電極數(shù)量還可以為五 個、六個、八個等。由于上述碳納米管發(fā)射換能器50的碳納米管結構為一立體結構，且 該立體碳納米管結構包括多個面朝向不同方位，可同時向多個方向傳播聲波，所以采用 該碳納米管發(fā)射換能器50的聲納系統(tǒng)30可以無需旋轉裝置而對多個方位進行探測?？?以理解，所述碳納米管結構也可以通過支撐柱(圖未示)形成一立體結構，并將該碳納米 管結構與兩個電極電連接。請參閱圖9，所述電子機柜302包括主控計算機、硬盤、傳感器、輸入輸出控制 器、處理器、A/D轉換器、發(fā)射機以及接收機。本實施例中，所述處理器為高速數(shù)字信 號處理器。所述A/D轉換器為多通道A/D轉換器。所述傳感器包括姿態(tài)傳感器或/和 溫度傳感器。所述電子機柜302的發(fā)射機和接收機，該發(fā)射機和接收機分別與發(fā)射基陣 306和接收基陣308連接，且該發(fā)射機和接收機分別通過輸入輸出控制器與主控計算機連 接。所述接收機通過A/D轉 換器與處理器連接。所述處理器與主控計算機連接。所述 硬盤與主控計算機連接。所述傳感器與輸入輸出控制器連接。進一步，當所述聲納系統(tǒng) 30在水下工作時，主控計算機可以通過以太網(wǎng)與一水上計算機連接。所述聲納系統(tǒng)30工作過程如下。由主控計算機通過輸入輸出控制器向發(fā)射機發(fā) 出門控信號，使發(fā)射機產生大功率電脈沖信號。所述電脈沖信號分別驅動發(fā)射基陣306， 使發(fā)射基陣306發(fā)射聲脈沖信號。發(fā)射完畢后，主控計算機命令處理器啟動A/D轉換 器。同時，主控計算機通過輸入輸出控制器發(fā)出時變增益控制(TGC)信號。接收機開 始接收由接收基陣308收到的信號，經(jīng)過接收機放大、濾波、正交解調后，通過A/D轉 換器將該信號轉換為數(shù)字信號，并輸入到處理器。該處理器對該數(shù)字信號進行處理后， 將處理結果輸入到主控計算機并保存至硬盤。同時，傳感器的數(shù)據(jù)也通過輸入輸出控制 器傳到主控計算機并保存至硬盤。進一步，所述主控計算機還可以通過對傳感器傳回的 數(shù)據(jù)進行分析處理后，再次發(fā)出門控信號。請參閱圖10，本發(fā)明第二實施例提供一種聲納系統(tǒng)10，其包括一電子機柜 102，一第一發(fā)射基陣106，一第一接收基陣104，一第二發(fā)射基陣110，一第二接收基陣 108，以及收容該電子機柜102、第一發(fā)射基陣106，第一接收基陣104，第二發(fā)射基陣 110，第二接收基陣108的水下載體100。所述第一發(fā)射基陣106，第一接收基陣104， 第二發(fā)射基陣110，第二接收基陣108分別與電子機柜102通過電纜(圖未示)相連接。 當所述聲納系統(tǒng)10在水下工作時可以通過一吊放系統(tǒng)(圖未示)放入水中。本發(fā)明第二 實施例提供的聲納系統(tǒng)10與本發(fā)明第一實施例提供的聲納系統(tǒng)30的結構基本相同，其區(qū) 別在于所述聲納系統(tǒng)30包括兩個發(fā)射基陣和兩個接收基陣，每個發(fā)射基陣與一接收基陣 對應設置，每對發(fā)射基陣與接收基陣設置在聲納系統(tǒng)30的不同部位，且所述發(fā)射基陣包括一碳納米管發(fā)射換能器陣列。請參閱圖11及圖12，本實施例提供的發(fā)射基陣20，其包括一絕緣基底202，多 個行電極204、多個列電極206以及多個碳納米管發(fā)射換能器220。所述多個行電極204 與多個列電極206設置于該絕緣基底202上，并相互平行間隔設置。每兩個相鄰的行電 極204與兩個相鄰的列電極206形成一網(wǎng)格214，且每個網(wǎng)格214定位一個碳納米管發(fā)射 換能器220，即碳納米管發(fā)射換能器220與網(wǎng)格214 —一對應。所述的絕緣基底202為一絕緣基板，如陶瓷基板、玻璃基板、樹脂基板及石英 基板等中的一種或多種。所述絕緣基底202的大小與厚度不限，本領域技術人員可以根 據(jù)實際需要，如根據(jù)發(fā)射基陣20的預定大小，設置絕緣基底202的尺寸。本實施例中， 所述絕緣基底202優(yōu)選為一石英基板，其厚度約1毫米，邊長為48毫米。所述多個行電極204與多個列電極206相互交叉設置，而且，在行電極204與列 電極206交叉處設置有一介質絕緣層216，該介質絕緣層216可確保行電極204與列電極 206之間電絕緣，以防止短路。多個行電極204或列電極206之間可以等間距設置，也可 以不等間距設置。優(yōu)選地，多個行電極204或列電極206之間等間距設置。所述行電極 204與列電極206為導電材料或涂有導電材料層的絕緣材料。本實施例中，該多個行電極 204與多個列電極206優(yōu)選為采用導電漿料印制的平面導電體，且該多個行電極204的行 間距為50微米 2厘米，多個列電極206的列間距為50微米 2厘米。該行電極204 與列電極206的寬度為30微米 100微米，厚度為10微米 50微米。本實施例中，該 行電極204與列電極206的交叉角度為10度到90度，優(yōu)選為90度。本實施例中，可通 過絲網(wǎng)印刷法將導電漿料印制于絕緣基底202上制備行電極204與列電極206。該導電漿 料的成分包括金屬粉、低熔點玻璃粉和粘結劑。其中，該金屬粉優(yōu)選為銀粉，該粘結劑 優(yōu)選為松油醇或乙基纖維素。該導電漿料中，金屬粉的重量比為50% 90%，低熔點玻 璃粉的重量比為2% 10%，粘結劑的重量比為8% 40%。所述多個碳納米管發(fā)射換能器220分別一一對應設置于上述多個網(wǎng)格214中。每 個碳納米管發(fā)射換能器220包括一第一電極210，一第二電極212以及一發(fā)聲元件208。 該第一電極210與第二電極212對應且絕緣間隔設置。每個網(wǎng)格214內的第一電極210和 第二電極212之間的距離不限，優(yōu)選為10微米 2厘米。該發(fā)聲元件208設置于第一電 極210與第二電極212之間，且分別與第一電極210及第二電極212電連接。該發(fā)聲元 件208與絕緣基底202間隔設置。所述發(fā)聲元件208與絕緣基底202之間的距離不限， 優(yōu)選地，發(fā)聲元件208與絕緣基底202之間的距離為10微米 2厘米。本實施例中，同 一行的碳納米管發(fā)射換能器220中的第一電極210與同一行電極204電連接，同一列的碳 納米管發(fā)射換能器220中的第二電極212與同一列電極206電連接，發(fā)聲元件208與絕緣 基底202之間的距離為1毫米。所述發(fā)聲元件208包括一碳納米管結構。所述碳納米管結構與本發(fā)明第一實施 例采用的碳納米管結構相同。 所述第二電極212與第一電極210為導電體，如金屬層等。該第一電極210可 以是行電極204的延伸部分，該第二電極212可以是列電極206的延伸部分。第一電極 210和行電極204可以一體成型，第二電極212和列電極206也可一體成型。本實施例 中，該第一電極210與第二電極212均為平面導電體，其尺寸由網(wǎng)格214的尺寸決定。該第一電極210直接與行電極204電連接，該第二電極212直接與列電極206電連接。所 述第一電極210與第二電極212的長度為20微米 1.5厘米，寬度為30微米 1厘米， 厚度為10微米 500微米。優(yōu)選地，所述第二電極212與第一電極210的長度為100微 米 700微米，寬度為50微米 500微米，厚度為20微米 100微米。本實施例中， 該第一電極210與第二電極212的材料為導電漿料，通過絲網(wǎng)印刷法印制于絕緣基底202 上。該導電漿料的成分與上述行電極204，列電極206所用的導電漿料的成分相同。 所述碳納米管發(fā)射換能器220進一步包括多個固定電極224設置于第一電極210 與第二電極212上。該固定電極224與第一電極210或第二電極212 —一對應。優(yōu)選 地，該固定電極224形狀大小以及材料與第一電極210與第二電極212的形狀大小以及材 料相同。該固定電極224可確保將發(fā)聲元件208更牢固地固定在第一電極210與第二電 極212上。本實施例中，在邊長為48毫米的絕緣基底202上制備了 8X8個(共8行，每行 8個)碳納米管發(fā)射換能器220。每個碳納米管發(fā)射換能器220中的發(fā)聲元件208為一碳 納米管拉膜，且每個碳納米管拉膜的長度為800微米，寬度為300微米。該碳納米管拉 膜中的碳納米管首尾相連，且從第一電極210向第二電極212延伸。該碳納米管拉膜可 以通過自身的粘性固定于第一電極210與第二電極212上，或通過一導電粘結劑固定于第 一電極210與第二電極212上。進一步，所述發(fā)射基陣20還可以包括一保護殼(圖未示)設置于絕緣基底202 上以覆蓋所述行電極204，列電極206、第一電極210與第二電極212以及發(fā)聲元件208。 所述保護殼可以采用具有一定硬度的材料制作，如金屬或玻璃等。本實施例中，優(yōu)選 地，保護殼上形成多個開孔，以使發(fā)聲元件208發(fā)出的聲波有效傳播出去。所述保護殼 用來防止該發(fā)射基陣20在使用時不會被外力破壞。所述發(fā)射基陣20在使用時，可進一步包括一驅動電路，通過驅動電路可選擇性 地對行電極204和列電極206通入電流，使與該行電極204和列電極206電連接的碳納米 管發(fā)射換能器220工作，即可使該發(fā)射基陣20發(fā)出不同相位的聲波，進而實現(xiàn)對不同方 位的探測。如果使發(fā)射基陣20的所有碳納米管發(fā)射換能器220同時工作，還可以進一步 提高發(fā)射基陣20的發(fā)射功率和發(fā)射聲波的指向性。本發(fā)明實施例提供的聲納系統(tǒng)可用于魚雷制導、水雷引信，以及魚群探測、海 洋石油勘探、船舶導航、水下作業(yè)、水文測量和海底地質地貌的勘測等方面。本發(fā)明實施例提供的聲納系統(tǒng)具有以下優(yōu)點第一，由于碳納米管換能器通過 熱聲效應發(fā)聲，無需專門提供電場或磁場的原件，所以采用該碳納米管換能器的聲納系 統(tǒng)結構簡單，且重量較輕。第二，由于碳納米管換能器中的碳納米管結構可以為膜狀， 所以可采用單個大面積的碳納米管換能器作為發(fā)射基陣而取代現(xiàn)有的換能器陣列，從而 使聲納系統(tǒng)結構簡單，易于制備，有利于降低聲納系統(tǒng)的成本。第三，由于碳納米管換 能器將電能轉換為熱能，并迅速與周圍的介質產生熱交換，使周圍介質的密度發(fā)生改變 從而發(fā)出聲波，所以采用該發(fā)射換能器的聲納系統(tǒng)發(fā)出的聲波具有更好的定向性，從而 提高了聲納系統(tǒng)的定位準確性。另外，本領域技術人員還可在本發(fā)明精神內做其他變化，當然，這些依據(jù)本發(fā) 明精神所做的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內。
權利要求
1.一種聲納系統(tǒng)，其包括至少一發(fā)射基陣用于發(fā)射聲波；至少一接收基陣用于接收聲波；以及一電子機柜用于控制所述發(fā)射基陣和接收基陣工作；其特征在于，所述發(fā)射基陣包括至少一碳納米管換能器，所述碳納米管換能器包 括一發(fā)聲元件，該發(fā)聲元件包括一碳納米管結構；以及至少兩個間隔設置的電極，且該至少兩個電極與所述發(fā)聲元件電連接。
2.如權利要求1所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述碳納米管結構包括至少一碳納米 管膜、至少一碳納米管線狀結構或其任意組合。
3.如權利要求2所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述碳納米管膜包括多個碳納米管基 本相互平行且平行于碳納米管膜表面。
4.如權利要求2所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述碳納米管膜包括多個碳納米管通 過范德華力首尾相連且基本沿同一方向擇優(yōu)取向排列。
5.如權利要求2所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述碳納米管膜包括多個碳納米管相 互纏繞。
6.如權利要求2所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述碳納米管線狀結構包括至少一碳 納米管線，所述碳納米管線包括多個碳納米管沿該碳納米管線長度方向平行排列或呈螺 旋狀排列。
7.如權利要求1所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述碳納米管結構的單位面積熱容小 于2 X ΙΟ"4焦耳每平方厘米開爾文。
8.如權利要求1所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述碳納米管換能器進一步包括一支 撐結構，所述至少兩個電極以及發(fā)聲元件設置于該支撐結構并通過支撐結構支撐。
9.如權利要求1所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述電極數(shù)量大于三個，且間隔的兩 個電極電連接。
10.如權利要求1所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述碳納米管結構為一立體結構， 且該立體碳納米管結構包括多個面朝向不同方位。
11.如權利要求1所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述接收基陣包括一接收換能器陣 列，所述接收換能器陣列中的接收換能器為壓電換能器、超磁致伸縮換能器以及電致伸 縮換能器中的一種或多種。
12.如權利要求1所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述聲納系統(tǒng)進一步包括一水下載 體，所述電子機柜、發(fā)射基陣以及接收基陣收容于該水下載體中。
13.—種聲納系統(tǒng)，其包括至少一發(fā)射基陣用于發(fā)射聲波； 至少一接收基陣用于接收聲波；以及 一電子機柜用于控制所述發(fā)射基陣和接收基陣工作； 其特征在于，所述發(fā)射基陣包括 一絕緣基底；多個行電極與多個列電極設置于絕緣基底的表面，該多個行電極與多個列電極相互 交叉設置，每兩個相鄰的行電極與每兩個相鄰的列電極形成一個網(wǎng)格，且行電極與列電極之間電絕緣；以及多個碳納米管換能器，每個碳納米管換能器對應一個網(wǎng)格設置，每個碳納米管 換能器包括一第一電極、一第二電極和一發(fā)聲元件；所述第一電極與第二電極絕緣間 隔設置于所述每個網(wǎng)格中，且分別與所述行電極和列電極電連接；所述發(fā)聲元件與所述 第一電極和第二電極電連接，且所述發(fā)聲元件包括一碳納米管結構。
14.如權利要求13所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述行電極與列電極的交叉角度為 10度到90度。
15.如權利要求13所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)聲元件與絕緣基底間隔設置。
16.如權利要求13所述的聲納系統(tǒng)，其特征在于，所述碳納米管發(fā)射換能器進一步包 括多個固定電極設置于第一電極與第二電極上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聲納系統(tǒng)，其包括至少一發(fā)射基陣用于發(fā)射聲波；至少一接收基陣用于接收聲波；以及一電子機柜用于控制所述發(fā)射基陣和接收基陣工作，其中，所述發(fā)射基陣包括至少一碳納米管換能器，所述碳納米管換能器包括一發(fā)聲元件，該發(fā)聲元件包括一碳納米管結構；以及至少兩個間隔設置的電極，且該至少兩個電極與所述發(fā)聲元件電連接。
文檔編號G01S7/524GK102023297SQ20091019041
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權日2009年9月11日
發(fā)明者馮辰, 劉亮, 姜開利, 潛力, 范守善 申請人:清華大學, 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司