一种超声波三维点鱼声呐的设计研究

0引言

我国拥有丰富的海洋资源,在水产养殖方面积累了很多经验,随着海洋渔业的快速发展,人们对渔业养殖过程中的智能化需求日益增长。目前,海水网箱养殖在海洋渔业养殖中占据重要地位,传统网箱养殖主要依靠人工观察和养殖人员的经验来进行管理,但海水深度、浑浊度等会干扰监测准确性,如出现恶劣天气、水质污染或其他环境因素的影响,发生网箱内鱼群部分死亡,网箱破损鱼群逃逸现象,则无法及时掌握鱼群数量的动态变化。随着应用于水生生物监测的超声波技术的研究不断深入,利用超声波三维点鱼声呐监测网箱内鱼群的数量、大小和分布等,可掌握网箱内鱼群的生长情况,及时监控鱼群数量的具体变化。此技术可用于渔业资源调查、渔业资产管理、水产养殖监控及渔业生产等多方面,不仅提高了渔业养殖的生产效率,还有助于保护生态和渔业资源,促进海洋渔业的可持续发展。

1 工作原理

超声波三维点鱼声呐其基本工作原理是发射器发射一定的电脉冲信号,通过外壳底部的超声波换能器将发射的电信号转换为在水中传播的超声波,往水中不同的方向发射超声波,超声波信号碰到鱼后会产生散反射,换能器接收到鱼反射回来的超声波信号,处理器对回波数据进行分析,可以利用回波信号的时间信息得到鱼的位置,利用强度信息得到鱼的大小,利用多普勒频移信息得到鱼的移动方向。利用数据分析技术、声学成像技术、回波总能量统计法的回波信号能量统计,就可以得出水域的鱼群数量[1]。

基本公式为:

式中:W为回波信号能量;T为时间;r(t)为接收到的经过检波器后的包络信号。

对于经过模数转换后采集到的数字信号,可以利用下面变换后的公式来计算:

式中:N为采样到的回波样本数;X(t)为r(t)经过模数转换后接收到的数字信号序列[2]。

2 电子部分设计

如图1所示,点鱼声呐的电子部分主要由控制器、发射电路、接收电路、4G无线传输模块、内部供电电池和换能器等组成。由控制器产生信号,脉冲放大电路放大信号后加载在换能器上。由换能器将电信号转换为超声波信号,发射至被测鱼群,再接收鱼群反射的回波信号。接收到的回波信号经过转换、放大、滤波电路,再由控制器进行采集,控制器对信号进行处理后,把数据通过4G无线传输模块传入云平台。用户可以在手机或PC端观察到鱼群的动态情况。

为提高在海洋渔业养殖网箱中使用的便捷性,考虑整机结构的完整性,超声波三维点鱼声呐采用内部电池供电,无须外部电源。电池供电转换器和信号处理电路均采用低功耗电路,以确保点鱼声呐的正常运行和信号的稳定传输。

3   结构总体设计

3.1    整机结构

如图2所示 , 超声波三维点鱼声呐由超声换能器、数据处理电子单元、内部供电电池、外壳结构、密封结构和紧固件等部分组成。在整机设计时 ,从前期的构思、外观设计、功能性设计等整体性设计思维 ,到后期的结构强度设计、浮力设计、内部元器件的配合、装配生产等系统性设计思维 , 需保持整个设计思路的严谨性。

整机壳体主要分为上、下两部分 ,在设计时壳体的结构强度、性能和密封性等都要能达到要求 ,应力分布均匀 ,保证内部空间足够存放所有电子元器件 ,兼顾整体、壁厚和安装部分的合理性 ,方便生产、加工和安装等 。采用壁厚3 mm的均匀分布设计 , 既能保证壳体的整体结构强度 ,又能避免因壁厚不均导致的表面缩水、气孔和熔接痕等问题。

整机主体材料部分 ,上、下壳体采用聚碳酸酯和聚丙烯腈(PC+ABS)合成的工程塑料合金 ,具有高强度、高耐热性、低吸水性、良好的绝缘性及优异的加工流动性,能获得良好的结构性能和外观表面光洁度[3]。换能器外壳采用聚酰亚胺 (PI),是 目前综合性能最佳的有机高分子材料之一,耐高温、耐化学腐蚀,具有优异的力学性能、良好的电绝缘性能、高阻燃性以及良好的加工性能。长期使用温度范围—200~300℃ ,103Hz下介电常数4.0,介电损耗仅0.004~0.007,是一种用在超声波换能器上较优的材料。因该声呐长期在海面上使用,需满足耐腐蚀性要求,所以密封材料选用氟橡胶(FKM)。此材料具有卓越的耐高温、耐化学腐蚀和耐油性,能在—20~200℃温度下保持稳定性能。连接件材料选用316不锈钢,其具备出色的耐蚀性、高强度、高韧性以及良好的加工性能,适用于海洋设备。

整机结构主要组成部分如下:

1)上壳体。

上壳体最大直径φ246 mm,高度70 mm,内部安装了数据处理电子单元和供电电池。在上壳体内部顶端,设计了四个支撑柱,将数据处理电子单元的主电路板及相关部件安装到支撑柱上,用螺钉锁紧,方便装拆。内部供电电池通过螺柱固定到主电路板上。下壳体上的7个换能器和内部供电电池的引出电缆都通过接线端子与主电路板相连。

为便于整机在海面上网箱内的控制、调试和回收,顶部设计可安装牵引绳的两个通孔。上壳体底部与下壳体装配需考虑装配结构强度、安装便捷性与密封性能等,在离最大边沿11 mm处设计了10个均匀分布的φ8 mm沉孔和φ5 mm通孔用于安装。

2)超声波换能器。

超声波换能器简称换能器,主要由外壳、匹配层、压电陶瓷片、引出电缆等部分组成。其中,压电陶瓷片是换能器的核心部件,是一种能够将电能和声能互相转换的功能陶瓷材料,负责将电信号转换为超声波信号。当在压电陶瓷上施加交变电压时,它会发生形变并产生机械振动,这些振动通过匹配层向水中传播,形成超声波并向周围介质传播。换能器壳体直径φ63 mm,高度22 mm,压电陶瓷片安装在换能器底部,通过电缆引出线接入电子单元,内部均用环氧树脂胶封。超声波换能器结构设计精巧,实现了能量高效转换,负责发射超声波信号,并接收从水中物体反射回来的超声波信号,它是声能与电能相互转换的关键部件[4]。

3)下壳体。

下壳体最大直径φ252 mm,高度54 mm,底部设计7个换能器,正中间1个,环形阵列分布6个。底部换能器安装角为30O,在设计时需同时考虑7个换能器的安装、密封和锁紧等结构。因超声波换能器底部需完全露在设备外部,才能达到最优的测量效果,因此考虑从外向内的装配方式,但考虑到换能器本身的重量和需达到稳定的密封性能,要将换能器固定到壳体上,因此在下壳体底部设计7个配合换能器的内孔,在内孔底部分别设计4个锁紧孔位,以便换能器安装时通过顶部4个锁紧孔进行固定。

结合整机内部空间、重量、壁厚等计算浮力,确定浮在水中距水面的具体位置,还要考虑壳体后续批量生产涉及的开模和拔模问题,依此来设计上下壳体的配合面和密封位置。

4)连接部分。

连接部分可分为内、外连接,内部连接主要在壳体内设计支撑柱、安装孔位、定位台阶等,用安装支架、铜柱、螺钉、垫圈等连接件来实现内部元器件的安装。外部连接主要是上下壳体的装配连接,为防止连接部分浸在水中,将连接件由上而下用M4的内六角螺钉进行连接,这样下壳体浸入水中的位置就成为一个整体,更有利于提高防水等级和整体美观度[5]。

3.2外观设计

进行超声波三维点鱼声呐的外观设计时,首先考虑整体风格定位、外观独特性、吸引力和市场竞争力等,其次考虑此设备的应用环境、结构功能性、水中密封特性等,结合外观的造型新颖性、美观性和实用性,将整体外观结构设计为圆盘形,形似飞碟。还需考虑产品的稳定可靠性、生产制造工艺的可行性、内部电子元器件的配合等基本原则,最后结合以上因素让设备的结构外观设计更合理。

下壳体底部正中心设计一个换能器,其余换能器为环形分布。边沿设计为光滑过渡的凸缘形状,安全凸缘最高点为圆弧状的凸峰圆弧过渡。为了使整体造型更加流畅,上壳体和顶部配牵引绳的结构设计为两个半球的造型,整机外观呈现完美的一体化效果,如图3所示。

4密封结构设计

整机的密封性对于海洋设备来说至关重要。点鱼声呐的整机需漂浮在水面上,下壳体大部分结构都浸泡在水中,底部的7个换能器和配合的下壳体部分完全浸泡在水中,上、下壳体的装配面也离水面较近,还需防止海面上自然环境中的粉尘、湿气、雨水和相关介质进入设备内部,对内部电子元器件造成影响。因此,在设计时要考虑防水等级需达到,P68。为了达到更好的密封效果,在密封结构设计时,密封槽的尺寸、公差、表面粗糙度、边棱倒角、密封圈压缩量等均要达到国家标准GB/T 3452.3—2005《液压气动用0形橡胶密封圈 沟槽尺寸》要求。

4.1 上下壳体轴向密封

整机为两个形似小半圆球的壳体装配在一起,分为浮在水面上的上壳体和浸入水面下的下壳体,在两个壳体的配合面上设计了两道与轴向平行的密封结构。

此密封结构由两套相对应的密封槽和压紧凸缘结构组成,密封槽内安装φ208×3 mm×3 mm的矩形密封圈1和φ214×3 mm×3 mm的矩形密封圈2,依靠上下壳体锁紧后的锁紧力压缩两个密封圈,来达到密封的目的。此处轴向密封主要由上壳体、矩形密封圈1/2和下壳体四个单元组成,如图4所示。

4.2换能器与下壳体径向密封

超声波换能器与下壳体装配是依靠下壳体上7个内孔顶部各4套螺钉和垫圈锁紧,而密封是在每个换能器外壳上设计两道密封槽,配两个φ61 ×2.65mm的O形密封圈,依靠换能器外壁与下壳体内壁形成的间隙对密封圈的压缩来达到密封的效果,如图5所示。

此7个换能器与下壳体的密封属于径向密封,在设计时密封装配间隙的大小决定着密封性能的好坏,也对装配时的难易程度造成影响。在结构设计时工作压力的大小与密封间隙的大小成反比,工作压力越大密封间隙越小,反之工作压力减小时密封间隙可适当放大。因此,应选择既符合工作压力要求,又易于装配的密封间隙。此超声波三维点鱼声呐采用单边为0.12mm的配合间隙,既能达到工作压力3Mpa的防水要求,又便于装配[6]。

5 结束语

超声波三维点鱼声呐 目前已用于渔业养殖监测,为养殖人员提供鱼群数量、大小、分布等信息的实时监控,也为银行贷款和保险业务理赔人员提供渔业养殖评估依据。随着超声波声呐技术的不断发展、进步和创新,传统的单波束声呐正朝着多波束高精度的方向发展。多波束声呐用于低密度鱼群的测量已经日渐成熟,但对于高密度鱼群的测量还处于初始阶段,需要在不断的实践中继续探讨和研究。未来,超声波技术将越来越广泛地应用于海洋渔业的开发和探测领域,作为“耕海牧渔”的重要支持设备,其对海洋渔业的智能化可视化养殖、渔业资源的开发、渔场的资源管理、鱼量资源的正确掌握等具有重要意义。

[参考文献]

[1]彭阳明,许肖梅,张小康.深水网箱多波束水声鱼群状态监测仪的改进设计 [J].渔业现代化 ,2011,38 (5):17-20.

[2] 张小康,许肖梅.深水网箱中鱼群量统计方法研究[C]//中国声学学会2006年全国声学学术会议论文集,2006:455-456.

[3]平凡.一种手持气象仪的结构设计 [J].新型工业化,2022,12(1):198-199.

[4]董怀荣.一种井下超声波换能器结构设计[J].西部探矿工程,2023,35(4):39-42.

[5]张蕾蕾,孙京.超声波振荡机械搅拌卧式沼气厌氧反应器结构设计[J].农业与技术,2019,39(23):41-43.

[6]张峰,夏敏,孙同明.转动接头O形密封圈容差间隙与密封性能关系研究 [J].西安航空学院学报,2022,40 (1):27-32.

《机电信息》2025年第20期第9篇