本发明涉及一种阵列式电磁脉冲声源。所述电磁脉冲声源包括脉冲声源外壳(1),所述电磁脉冲声源还包括设置在脉冲声源外壳(1)内的脉冲电容(2)、触发系统、发射单元(4)、第一恒流式充电电源(5)、第二恒流式充电电源(6)、控制电路(7),所述阵列式电磁脉冲声源包括若干电磁脉冲声源和脉冲声源发送时间延迟控制系统;控制电路(7)与触发控制模块和第一恒流式充电电源(5)相连接,触发系统通过真空触发管(3)与发射单元(4)的电感线圈(61)连接;脉冲声源发送时间延迟控制系统控制各个脉冲声源发送和延迟时间,使各个声源同一时间到达目标位置,实现脉冲声波同相叠加。通过本发明的阵列式的设计,使声源级得到极大提高。
1.一种阵列式电磁脉冲声源,所述电磁脉冲声源包括脉冲声源外壳(1),其特征在于,所述电磁脉冲声源还包括设置在脉冲声源外壳(1)内的第一脉冲电容(2)、触发系统、发射单元(4)、第一恒流式充电电源(5)、第二恒流式充电电源(6)、控制电路(7),所述阵列式电磁脉冲声源包括若干电磁脉冲声源和脉冲声源发送时间延迟控制系统;所述触发系统包括真空触发管(3)和触发控制模块,所述触发控制模块包括第一MOSFET、第二电容(N)和变压器(31),所述的第一MOSFET的栅极连接驱动芯片,第一MOSFET的源极连接变压器(31)的初级线圈,第一MOSFET的漏极连接第二电容(N)一端,第二电容(N)的另一端与变压器(31)的初级线圈连接;所述的变压器(31)的次级线圈的一端与真空触发管(3)的触发端(A)连接,另一端与真空触发管(3)的阴极(B)连接并接地;所述的真空触发管(3)的阳极(D)连接至第一脉冲电容(2),该第一脉冲电容(2)与第二恒流式充电电源(6)连接,用于对第一脉冲电容(2)的充电;所述发射单元(4)包括一换能器,该换能器包括震动片(45)、电感线圈(61)、底座(47)和外壳(48),所述的电感线圈(61)采用平面金属板进行电火花线切割而成,电感线圈(61)之间的空隙采用绝缘带(14)填塞;所述的电感线圈(61)和震动片(45)同轴粘接后嵌设于外壳(48)形成的凹槽中,并用底座(47)扣合密封后,通过环氧胶灌注为一体;所述控制电路(7)包括一单片机、CAN总线芯片、MOSFET驱动芯片、高低电压电源驱动芯片、第三电容和至少1个第二MOSFET;所述单片机的CAN总线接口通过CAN总线芯片与计算机连接,用于接收计算机发出的控制指令;所述单片机的输入、输出端口连接高低电压电源驱动芯片的输入端口,所述高低电压电源驱动芯片的输出端口连接若干继电器,用于控制第二电容(N)和外部脉冲电容的充电,其中第一恒流式充电电源(5)对第二电容(N)连接并对其进行充电;所述单片机输入、输出端口连接MOSFET驱动芯片的输入端口,所述MOSFET驱动芯片的输出端口连接第二MOSFET的栅极,所述第二MOSFET的漏极接第二电容(N),源极接地,用于控制第二电容(N)并通过变压器实现外部脉冲电容的放电;所述控制电路(7)与触发控制模块和第一恒流式充电电源(5)相连接,所述触发系统通过真空触发管(3)与发射单元(4)的电感线圈(61)连接;所述脉冲声源发送时间延迟控制系统用于控制各个脉冲声源的发送和延迟时间,使各个声源同一时间到达目标位置,实现脉冲声波同相叠加。
2.根据权利要求1所述的阵列式电磁脉冲声源,其特征在于,所述控制电路(7)还包括一防护电路,该一防护电路设置在CAN总线和计算机之间,包括三路并联设置在CAN总线的两端的两个串联的瞬态抑制二极管、两个串联的防雷管和另一个防雷管,其中,两个串联的瞬态抑制二极管之间接地,两个串联的防雷管之间接地,用于消除放电瞬间产生的强电磁场对控制电路中芯片的破坏和干扰。
3.根据权利要求1所述的阵列式电磁脉冲声源,其特征在于,所述的真空触发管(3)的耐压为5~10KV,所述的第一MOSFET的耐压为500V。
4.根据权利要求1所述的阵列式电磁脉冲声源,其特征在于,在所述发射单元(4)的换能器中;所述的电感线圈(61)和震动片(45)之间同轴设置有绝缘垫(44);所述的震动片(45)的上面覆盖与外壳(48)匹配的圆形密封垫(43),该密封垫(43)通过螺栓(42)固定于压环(41)和外壳(48)之间;电极(13)上套设有绝缘端子(49);所述的震动片(45)采用轻质高导电率的金属薄片,所述金属薄片的材质为铝合金、钛合金和镁铝合金中的任一种;所述的外壳(48)采用导磁材料;所述的绝缘带(14)的厚度与电感线圈(61)的厚度一致,为6~8mm;所述的平面金属板的材料为铜、铝、铝合金、钛合金和镁铝合金的任一种;所述的平面金属板的平面度≤0.01。
5.根据权利要求1所述的阵列式电磁脉冲声源,其特征在于,所述脉冲声源外壳(1)包括声源外壳前面板(8)、声源外壳主体(9)、声源外壳后面板(10),声源外壳前面板(8)、声源外后面板(10)和声源外壳主体(9)之间通过螺栓固定,声源外壳主体(9)上有密封条安装槽;所述第一脉冲电容(2)设置于外壳主体的底部;真空触发管(3)设置于外壳主体的顶部,位于所述第一脉冲电容的正上方。技术领域
本发明涉及脉冲功率技术领域,具体地,本发明涉及一种阵列式电磁脉冲声源。
背景技术
电磁脉冲声源的原理是高压储能电容器通过电感线圈放电,使线圈上覆盖的振膜感应产生电磁场,振膜磁场与线圈磁场相互作用产生排斥力,激发周围介质形成声波。与其它声源相对比,电磁脉冲声源有以下特点:(1)这种声源所辐射的声脉冲特性,主要取决于声源本身的电声结构,辐射的声脉冲的波形十分规则,具有极佳的宽带谱结构,而且能够根据要求很方便地改变声脉冲的峰值压力和宽度;(2)安全可靠,信号可重复性好,可以作为水声物理实验、地质勘探和非线性声学的研究等领域的宽带声源。电磁式脉冲声源通常由储能电容、开关、发射线圈等部分组成。参考文献有:专利权人为华乐荪、胡嘉忠,专利申请号为85100714的电磁脉冲换能器。专利85100714针对小能量激励情况下电磁式脉冲换能器电声转换效率低的问题,提出了一种新的设计方法,可以提高电声转换效率,声源级达到107分贝。专利85100714所述设计方法局限于小能量激励换能器的情况,对于大能量激励换能器的情况并不适用;声源级低,只有107分贝,大大限制了电磁式脉冲声源的使用范围;控制方式简单,不支持总线通讯;仅适合单一声源工作的方式,不能组成阵列协同工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阵列式电磁脉冲声源。根据本发明的阵列式电磁脉冲声源,所述电磁脉冲声源包括脉冲声源外壳1,所述电磁脉冲声源还包括设置在脉冲声源外壳1内的脉冲电容2、触发系统、发射单元4、第一恒流式充电电源5、第二恒流式充电电源6、控制电路7,所述阵列式电磁脉冲声源包括若干电磁脉冲声源和脉冲声源发送时间延迟控制系统;所述触发系统包括真空触发管3和触发控制模块,所述触发控制模块包括MOSFET、电容N和变压器31;所述的MOSFET的栅极连接驱动芯片,MOSFET的源极连接变压器31的初级线圈,MOSFET的漏极连接电容N一端,电容N的另一端与变压器31的初级线圈连接;所述的变压器31的次级线圈的一端与真空触发管3的触发端A连接,另一端与真空触发管3的阴极B连接并接地;所述的真空触发管3的阳极D连接至脉冲电容2,该脉冲电容2与第二恒流式充电电源6连接,用于对脉冲电容2的充电;所述发射单元4包括一换能器,该换能器包括震动片45、电感线圈61、底座47和外壳48,所述的电感线圈61采用平面金属板进行电火花线切割而成,电感线圈61之间的空隙采用绝缘带14填塞;所述的电感线圈61和震动片45同轴粘接后嵌设于外壳48形成的凹槽中,并用底座47扣合密封后,通过环氧胶灌注为一体;所述控制电路7包括一单片机、CAN总线芯片、MOSFET驱动芯片、高低电压电源驱动芯片、电容和至少1个MOSFET;所述单片机的CAN总线接口通过CAN总线芯片与所述计算机连接,用于接收计算机发出的控制指令;所述单片机的输入、输出端口连接高低电压电源驱动芯片的输入端口,所述高低电压电源驱动芯片的输出端口连接若干继电器,用于控制电容N和外部脉冲电容的充电;所述单片机输入、输出端口连接MOSFET驱动芯片的输入端口,所述MOSFET驱动芯片的输出端口连接第二MOSFET的栅极,所述第二MOSFETxa0C的漏极接电容N,源极接地,用于控制电容N并通过变压器实现外部脉冲电容的放电,其中第一恒流式充电电源5对电容N连接并对其进行充电;所述控制电路7与触发控制模块和第一恒流式充电电源5相连接,所述触发系统通过真空触发管3与发射单元4的电感线圈61连接;所述脉冲声源发送时间延迟控制系统用于控制各个脉冲声源的发送和延迟时间,使各个声源同一时间到达目标位置,实现脉冲声波同相叠加。所述控制电路7还包括一防护电路,该一防护电路设置在CAN总线和计算机之间,包括三路并联设置在CAN总线的两端的两个串联的瞬态抑制二极管、两个串联的防雷管和另一个防雷管,其中,两个串联的瞬态抑制二极管之间接地,两个串联的防雷管之间接地,用于消除放电瞬间产生的强电磁场对控制电路中芯片的破坏和干扰。根据本发明的电磁式脉冲声源装置,所述的真空触发管3的耐压为5~10KV,所述的第一MOSFET的耐压为500V。根据本发明的电磁式脉冲声源装置,在所述发射单元4的换能器中;所述的电感线圈61和震动片45之间同轴设置有绝缘垫44;所述的震动片45的上面覆盖与外壳48匹配的圆形密封垫43,该密封垫43通过螺栓42固定于压环41和外壳48之间;所述的电极13上套设有绝缘端子49;所述的震动片45采用轻质高导电率的金属薄片,包括选自铝合金、钛合金和镁铝合金中的任一种;所述的外壳48采用导磁材料;所述的绝缘带14的厚度与电感线圈61的厚度一致,为6~8mm;所述的平面金属板的材料包括选自铜、铝、铝合金、钛合金和镁铝合金的任一种;所述的平面金属板的平面度≤0.01。根据本发明的电磁式脉冲声源装置,所述脉冲声源外壳1包括声源外壳前面板8、声源外壳主体9、声源外壳后面板10,声源外壳前面板8、声源外后面板10和声源外壳主体9之间通过螺栓固定,声源外壳主体9上有密封条安装槽;所述脉冲电容2设置于外壳主体的底部;真空触发管3设置于外壳主体的顶部,位于脉冲电容的正上方。本发明的阵列式电磁脉冲声源控制方法包括以下步骤:通过控制电路7第一恒流式充电电源5对脉冲电容2进行充电,充电完成后控制触发控制模块触发真空触发管3导通,脉冲电容脉冲电容2通过真空触发管3向电感线圈61进行放电,推动金属板发射面远离电感线圈61,产生脉冲声信号,。根据本发明哦电磁式脉冲声源装置的控制方法,所述触发控制模块触发真空触发管3导通的方法为:控制电路7发出指令后,由电路中的单片机的一个输出端口输出高电平,而后驱动芯片输出的高电压使MOSFET导通,初级回路接通,并在次级回路产生高电压,促使真空触发管3导通。根据本发明的电磁式脉冲声源装置的控制方法,所述控制电路7控制方法为:1)所述单片机通过CAN总线接收到计算机发出的低电压充电的指令后,单片机的输入输出端口打开,并通过与单片机电连接的高低电压电源驱动芯片控制低电压电源对电容N充电,当单片机接收到计算机发出的低电压停止充电的指令后,停止对电容N充电;2)所述单片机通过CAN总线接收到计算机发出的高电压充电的指令后,单片机的输入输出端口打开,并通过与单片机电连接的高低电压电源驱动芯片控制电路外部高电压电源对脉冲电容2充电,当单片机接收到计算机发出的高电压停止充电的指令后,停止对脉冲电容充电;3)所述单片机通过CAN总线接收到计算机发出的发送指令后,单片机的输入输出端口打开,与单片机电连接的MOSFET驱动芯片控制MOSFET导通,MOSFET导通后,与之连接的电容N通过变压器初级线圈放电,进而在次级线圈产生高电压,导通真空触发管3,促使外部脉冲电容2放电。本发明的优点在于,本发明工作电压高,放电电流大,单一声源工作时声源级高,可达240分贝以上;有基于现场总线的通讯系统,单一声源工作时,可随时设定和获取声源的工作参数;支持多个声源组成阵列协同工作,工作方式高效、灵活;通过设定每一个声源的发射时间参数,使每个声源发射的脉冲声波可以同时到达指定位置,脉冲声波同相叠加,从而在该位置获得更高的声压。
附图说明
图1是脉冲声源的组成结构图;图2是脉冲声源外壳结构图;图3是发射单元侧视图;图4是发射单元正视图;图5是发射线圈正视图;图6是发射线圈侧视图;图7为本发明的触发电路示意图;图8为本发明的用于大功率电磁脉冲声源的控制系统的结构示意图;图9为本发明控制系统的防护电路图;图10为单一脉冲声源的工作原理图;图11为多个阵列组成阵列协同工作的原理示意图;图12为多个阵列组成阵列协同工作示意图。附图标识:1、脉冲声源外壳xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa02、脉冲电容xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa03、真空触发管4、发射单元xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa05、第一恒流式充电电源16、第二恒流式充电电源xa0xa0xa0xa0xa0xa07、控制电路8、声源外壳前面板xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa09、声源外壳主体10、声源外壳后面板xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa011、密封条安装槽13、电极xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa014、绝缘带xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa015、振膜41、压环xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa042、螺栓xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa043、密封垫44、绝缘垫xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa045、震动片xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa061、电感线圈47、底座xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa048、外壳xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa049、绝缘端子31、变压器xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa032、真空触发管xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0A、触发端B、阴极xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0D、阳极xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0N、电容C、MOSFETL1~LN、N组并联设置的脉冲声源S1~SN、N组并联设置的脉冲声源到目标位置的距离
具体实施方式
下面结合附图对本发明的阵列电磁脉冲声源进行进一步的说明。如图1所述声源包括脉冲声源外壳1,脉冲电容2、触发系统、发射单元4、第一恒流式充电电源5、第二恒流式充电电源6和控制电路7;所述脉冲声源外壳1包括声源外壳前面板8、声源外壳主体9、声源外壳后面板10,声源外壳前面板8、声源外后面板10和声源外壳主体9之间通过螺栓固定,声源外壳主体上有密封条安装槽11;脉冲电容2外形为长方体,固定在外壳主体的底部;真空触发管3固定在声源外壳主体9的顶部,位于脉冲电容的正上方;如图7所示,所述触发系统包括真空触发管3和触发控制模块,所述触发控制模块包括MOSFET、电容N和变压器31;所述的MOSFET的栅极连接驱动芯片,MOSFET的源极连接变压器31的初级线圈,MOSFET的漏极连接电容N一端,电容N的另一端与变压器31的初级线圈连接;所述的变压器31的次级线圈的一端与真空触发管3的触发端A连接,另一端与真空触发管3的阴极B连接并接地;所述的真空触发管3的阳极D连接至脉冲电容2,该脉冲电容2与第一恒流式充电电源5连接,用于对脉冲电容2的充电;如图3~6所述,所述发射单元4包括一换能器,该换能器包括震动片45、电感线圈61、底座47和外壳48,所述的电感线圈61采用平面金属板进行电火花线切割而成,电感线圈61之间的空隙采用绝缘带14填塞;所述的电感线圈61和震动片45同轴粘接后嵌设于外壳48形成的凹槽中,并用底座47扣合密封后,通过环氧胶灌注为一体;在所述发射单元4的换能器中;所述的电感线圈61和震动片45之间同轴设置有绝缘垫44;所述的震动片45的上面覆盖与外壳48匹配的圆形密封垫43,该密封垫43通过螺栓42固定于压环41和外壳48之间;所述的电极13上套设有绝缘端子49;所述的震动片45采用轻质高导电率的金属薄片,包括选自铝合金、钛合金和镁铝合金中的任一种;所述的外壳48采用导磁材料;所述的绝缘带14的厚度与电感线圈61的厚度一致,为6~8mm;所述的平面金属板的材料包括选自铜、铝、铝合金、钛合金和镁铝合金的任一种;所述的平面金属板的平面度≤0.01。如图8所示,所述控制电路7与触发控制模块和第一恒流式充电电源5相连接,所述触发系统通过真空触发管3与发射单元4的电感线圈61连接。所述控制电路7包括一单片机、CAN总线芯片、MOSFET驱动芯片、高低电压电源驱动芯片、电容和至少1个MOSFET;所述单片机的CAN总线接口通过CAN总线芯片与所述计算机连接,用于接收计算机发出的控制指令;所述单片机的输入、输出端口连接高低电压电源驱动芯片的输入端口,所述高低电压电源驱动芯片的输出端口连接若干继电器,用于控制电容N和外部脉冲电容的充电;所述单片机输入、输出端口连接MOSFET驱动芯片的输入端口,所述MOSFET驱动芯片的输出端口连接MOSFET的栅极,所述MOSFET的漏极接电容N,源极接地,用于控制电容N并通过变压器实现外部脉冲电容的放电。如图9所述,所述控制电路7还包括一防护电路,该一防护电路设置在CAN总线和计算机之间,包括三路并联设置在CAN总线的两端的两个串联的瞬态抑制二极管、两个串联的防雷管和另一个防雷管,其中,两个串联的瞬态抑制二极管之间接地,两个串联的防雷管之间接地,用于消除放电瞬间产生的强电磁场对控制电路中芯片的破坏和干扰。本发明的控制方法为:1)所述单片机通过CAN总线接收到计算机发出的低电压充电的指令后,单片机的输入输出端口打开,并通过与单片机电连接的高低电压电源驱动芯片控制低电压电源对电容N充电,当单片机接收到计算机发出的低电压停止充电的指令后,停止对电容N充电;2)所述单片机通过CAN总线接收到计算机发出的高电压充电的指令后,单片机的输入输出端口打开,并通过与单片机电连接的高低电压电源驱动芯片控制电路外部高电压电源对脉冲电容2充电,当单片机接收到计算机发出的高电压停止充电的指令后,停止对脉冲电容充电;3)所述单片机通过CAN总线接收到计算机发出的发送指令后,单片机的输入输出端口打开,与单片机电连接的MOSFET驱动芯片控制MOSFET导通,MOSFET导通后,初级回路接通,并在次级回路产生高电压,促使真空触发管3导通,真空触发管3导通后,促使外部脉冲电容2放电。实施例1该发明中多个声源组成阵列协同工作控制方法为:(1)脉冲声源L1到脉冲声源LN组成阵列;(2)上位机通过CAN总线向脉冲声源L1到LN发送指令,控制脉冲声源内的恒流式充电电源对电容进行充电,当充电电压达到要求时,充电停止;(3)上位机通过CAN总线向脉冲声源L1到LN发送指令,脉冲声源返回当前充电电压值;(4)上位机通过CAN总线向脉冲声源L1到LN发送发射等待时间信息;(5)上位机通过CAN总线向脉冲声源L1到LN发送发射指令,脉冲声源L1到LN在经过设定的发射等待时间后,完成发射动作。具体的实施方式为:脉冲声源1到脉冲声源N到达目标位置的距离分别为S1到SN,如图12所示:声波从脉冲声源1传播到目标位置的时间为T1,声波从脉冲声源N传播到目标位置的时间为TN,通过脉冲声源发送时间延迟控制系统的软件设定脉冲声源1到脉冲声源N发射脉冲声波的时间延迟分别为D1到DN,当时间延迟和传播时间满足如下关系时:T1+D1=T2+D2=...=TN+DN则从每个脉冲声源处发出的脉冲声波可以同时到达目标位置,脉冲声波同相叠加(脉冲声源电器性能的一致性可以保证脉冲声波到达目标位置时相位相同,如果有细微的误差,可以通过调整时间延迟来解决),从而大大的提高了目标位置的声压。因此,在本发明中每个阵元按照预先计算好的发射时间发射声脉冲,脉冲声波到达指定位置时相位相同,脉冲声波幅度同相叠加,N个幅度为V的脉冲声波叠加后的幅度为N×V,声源级增加20logN,(以N=10为例,声源级增加20dB)极大的提高了声源级。