遠(yuǎn)洋漁業(yè)多波束聲吶主機(jī)高效散熱設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

孫崇洋，李國(guó)棟，楊育紅，隋江華

遠(yuǎn)洋漁業(yè)多波束聲吶主機(jī)高效散熱設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

孫崇洋1,2，李國(guó)棟2，楊育紅2，隋江華1※

（1. 大連海洋大學(xué)航海與船舶工程學(xué)院，大連 116023；2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092）

為了解決多波束漁用聲吶主機(jī)在遠(yuǎn)洋漁船高溫、高濕環(huán)境下工作時(shí)面臨的散熱問題，該研究從多波束漁用聲吶主機(jī)的散熱分析出發(fā)，運(yùn)用傳熱學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，對(duì)漁用聲吶主機(jī)進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)。首先運(yùn)用系統(tǒng)分析法對(duì)聲吶主機(jī)整個(gè)散熱過程中的結(jié)構(gòu)和散熱方式展開研究；然后，利用熱仿真軟件對(duì)聲吶主機(jī)的散熱過程進(jìn)行仿真，對(duì)比信號(hào)處理機(jī)在不同風(fēng)道設(shè)計(jì)方案下聲吶主機(jī)的整機(jī)溫度的變化，多款散熱風(fēng)扇對(duì)整機(jī)散熱效果的影響，在不同環(huán)境溫度下（20、30、40、50 ℃）聲吶主機(jī)的散熱能力，以及熱設(shè)計(jì)前后的溫度分布；最后，搭建了聲吶主機(jī)散熱測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證聲吶主機(jī)的真實(shí)散熱能力。結(jié)果表明，強(qiáng)迫對(duì)流與自然冷卻結(jié)合的散熱方式可以解決聲吶主機(jī)的熱量堆積問題。仿真結(jié)果表明，4條風(fēng)道的設(shè)計(jì)可作為聲吶主機(jī)的散熱方案，選用的FFB0612SHE和FFB0612EHE散熱風(fēng)扇符合聲吶主機(jī)的散熱要求，通過熱設(shè)計(jì)可使聲吶主機(jī)的溫升控制在25 ℃以內(nèi)，熱量堆積現(xiàn)象大幅改善。散熱試驗(yàn)結(jié)果表明，熱設(shè)計(jì)后的漁用聲吶主機(jī)散熱能力大幅提升，聲吶主機(jī)的溫升控制在25 ℃以內(nèi)，各板卡之間的溫度控制在5 ℃以內(nèi)，驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果，在熱源與主機(jī)外部環(huán)境之間形成了一條低熱阻的通道。研究結(jié)果提高了聲吶主機(jī)的工作穩(wěn)定性，為聲吶主機(jī)在遠(yuǎn)洋漁船高溫、高濕環(huán)境下的正常工作提供了解決方案和理論分析方法。

熱；設(shè)計(jì)；仿真；聲吶；多波束；漁用；遠(yuǎn)洋探魚儀

0 引 言

漁用聲吶（又名探魚儀）是一種主動(dòng)聲吶，它工作時(shí)，由水下?lián)Q能器的陣子向水中發(fā)射水聲信號(hào)，水聲信號(hào)在水中傳播時(shí)遇到魚群而反射，反射的信號(hào)被換能器中陣子接受，然后聲吶主機(jī)根據(jù)聲波在水中的傳播速度、發(fā)射和接受水聲信號(hào)的時(shí)間間隔、水聲信號(hào)返回的方向，進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)處理，解算出探測(cè)目標(biāo)數(shù)據(jù)，上傳到顯控設(shè)備，確定水下魚群的距離和方位，從而進(jìn)行捕撈作業(yè)[1]。漁用聲吶主要安裝在大型的遠(yuǎn)洋漁船上，通過多個(gè)換能器陣子協(xié)同工作，可在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行掃海[2]。中國(guó)遠(yuǎn)洋作業(yè)漁場(chǎng)多分布在熱帶，常年溫度較高，且最佳捕撈時(shí)間通常在夏季氣溫最高的時(shí)間，此時(shí)船艙內(nèi)最高溫度可達(dá)45 ℃，遠(yuǎn)洋漁船需在惡劣的高溫環(huán)境中作業(yè)，對(duì)漁船船艙內(nèi)的漁用聲吶主機(jī)的穩(wěn)定性提出了很大的挑戰(zhàn)[3]。

漁用聲吶經(jīng)歷了單波束、雙波束、分裂波束和多波束的發(fā)展階段[4]。其中，單波束探魚儀可用來(lái)估計(jì)單個(gè)目標(biāo)的距離，只發(fā)射一種頻率的信號(hào)[5]，需要的計(jì)算資源極少、聲吶主機(jī)的集成度很低且設(shè)備不需要考慮散熱，如上海生產(chǎn)的67-3型探魚儀；雙波束探魚儀采用一個(gè)寬波束和一個(gè)窄波束估計(jì)單個(gè)目標(biāo)的極角[6]，需要的計(jì)算資源較少、聲吶主機(jī)的集成度較低、設(shè)備通過自然散熱就可以將熱量排出，如廣東生產(chǎn)的Kfish-7探魚儀；分裂波束聲吶具有很寬的頻帶范圍，可同時(shí)在不同頻段上對(duì)海洋生物、海底資源進(jìn)行探測(cè)[7]，需要較多的計(jì)算資源，聲吶主機(jī)的集成度高，需要運(yùn)用散熱片、導(dǎo)熱管對(duì)主機(jī)內(nèi)部熱量進(jìn)行疏導(dǎo)，如挪威生產(chǎn)的EK80聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)；多波束聲吶是利用相控陣技術(shù)在一定的扇區(qū)內(nèi)形成多個(gè)發(fā)射波束，定向順序地發(fā)射，然后對(duì)多個(gè)波束同時(shí)接收來(lái)探測(cè)和定位生物位置，提高海洋生物探測(cè)的分辨率的同時(shí)對(duì)聲吶主機(jī)整體的運(yùn)算能力提出了極高的要求[8]，如日本生產(chǎn)的FSV-35。多波束聲吶相較于其他技術(shù)可以在復(fù)雜地水文條件下，對(duì)魚類的行為和規(guī)模進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量和檢測(cè)，近年來(lái)在漁業(yè)探測(cè)捕撈方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。現(xiàn)有的遠(yuǎn)洋漁船散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大多通過降低船艙內(nèi)部溫度來(lái)滿足遠(yuǎn)洋漁船設(shè)備的散熱需求，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造、維護(hù)成本高，造成大量的能源消耗，穩(wěn)定性差。聲吶主機(jī)的集成度越來(lái)越高，發(fā)射功率越來(lái)越高，體積逐漸趨于小型化，這對(duì)漁用聲吶主機(jī)的散熱性能提出了極高要求，需要進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

熱設(shè)計(jì)是多波束漁用聲吶主機(jī)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，能夠提高聲吶主機(jī)穩(wěn)定性和可靠性。聲吶主機(jī)需要建立一條低熱阻的熱流通道，保證熱量快速傳遞出機(jī)體內(nèi)部，以滿足可靠性要求[9]。常用在電子設(shè)備上的散熱方式包括自然散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷、強(qiáng)迫液冷、蒸發(fā)冷卻、熱管傳熱等形式[10]，對(duì)于應(yīng)用在遠(yuǎn)洋漁船上的聲吶主機(jī)來(lái)說，簡(jiǎn)單的自然散熱能力不足[11-12]；傳統(tǒng)的強(qiáng)迫風(fēng)冷需要與外部環(huán)境形成對(duì)流，不適用于密閉的聲吶主機(jī)[13]；強(qiáng)迫液冷的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差[14]；蒸發(fā)冷卻很難在劇烈晃蕩的漁船進(jìn)行使用[15]；熱管傳熱的成本高、使用壽命短[16]。因此，散熱方式既要保證漁用聲吶主機(jī)在規(guī)定的熱環(huán)境下能按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行正常工作，也需要綜合考慮多方面影響因素，在滿足熱設(shè)計(jì)要求的同時(shí)達(dá)到設(shè)備的性能指標(biāo)，而且要求成本要低、結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單。

目前國(guó)內(nèi)漁用大型聲吶多用在遠(yuǎn)洋圍網(wǎng)和拖網(wǎng)漁船上，受到海上高溫、高濕、晃蕩等作業(yè)環(huán)境的影響，聲吶主機(jī)需要設(shè)計(jì)為密閉柜體，因而帶來(lái)了相應(yīng)的散熱問題。針對(duì)上述問題，本文提出一種適用于海上作業(yè)的散熱方案，對(duì)主機(jī)整個(gè)散熱過程進(jìn)行分析，給出相應(yīng)的熱設(shè)計(jì)建議；通過散熱的仿真分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究環(huán)境溫度對(duì)聲吶主機(jī)散熱的影響；最后通過散熱試驗(yàn)對(duì)仿真研究和熱設(shè)計(jì)研究進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到提升聲吶主機(jī)的散熱效率，降低因硬件溫度過高引起的危害的目的，以期為中國(guó)遠(yuǎn)洋漁業(yè)尖端聲學(xué)探測(cè)裝備的熱穩(wěn)定性研究提供有效方法和思路。

1 多波束漁用聲吶主機(jī)設(shè)計(jì)及散熱分析

1.1 多波束漁用聲吶系統(tǒng)

多波束漁用聲吶系統(tǒng)由水下設(shè)備和水上設(shè)備組成。水下設(shè)備主要包括換能器基陣、升降機(jī)構(gòu)；水上設(shè)備主要由顯控設(shè)備、信號(hào)處理主機(jī)等組成。顯控設(shè)備與聲吶主機(jī)通過以太網(wǎng)線進(jìn)行通信；聲吶主機(jī)與換能器基陣之間通過線纜相連接。換能器基陣是聲吶系統(tǒng)中聲波的收發(fā)設(shè)備；顯控設(shè)備是聲吶系統(tǒng)中進(jìn)行人機(jī)交互的平臺(tái)，通過聲吶狀態(tài)的顯示和命令的發(fā)送實(shí)現(xiàn)操作者對(duì)聲吶系統(tǒng)的控制；多波束漁用聲吶主機(jī)作為聲吶系統(tǒng)的核心設(shè)備，設(shè)備集成度非常高，對(duì)自身散熱性能的要求比較苛刻。

1.1.1 主機(jī)組成

主機(jī)由電源、交換機(jī)、信號(hào)處理機(jī)等組成（圖1和表1），集成度非常高、對(duì)溫度環(huán)境要求苛刻的器件。

圖1 聲吶主機(jī)組成

表1 聲吶主機(jī)各設(shè)備的尺寸

電源是聲吶能量的主要來(lái)源，為各個(gè)部件提供各種規(guī)格的電力，是聲吶正常工作的基礎(chǔ)保障。

交換機(jī)是通過它各器件間進(jìn)行信息傳輸?shù)闹薪椋锹晠雀髌骷娦盘?hào)的中轉(zhuǎn)站。

信號(hào)處理機(jī)由8塊印刷電路板（printed circuit boards，PCB）組成，PCB上集成了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）、信號(hào)收發(fā)芯片等多個(gè)電子器件，是聲吶主機(jī)中最重要的元器件，其電子化集成度高、內(nèi)部空間狹小、熱功率高，其散熱需求是否得到滿足，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此信號(hào)處理機(jī)的熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1.1.2 散熱方式

在對(duì)漁用聲吶主機(jī)這種集成度高的設(shè)備進(jìn)行溫升控制時(shí)，需要通過運(yùn)用相應(yīng)的散熱方式對(duì)熱量進(jìn)行排除，本文結(jié)合漁用聲吶主機(jī)使用的客觀條件，確定適當(dāng)?shù)纳岱绞健?duì)聲吶主機(jī)的散熱進(jìn)行針對(duì)性的仿真分析，指導(dǎo)聲吶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高聲吶主機(jī)整體的散熱功率。

自然散熱是一種利用空氣溫度差引起對(duì)流換熱的基本被動(dòng)散熱方式，可靠性高，成本低[17-18]。它不需要通風(fēng)機(jī)或泵之類的冷卻劑驅(qū)動(dòng)裝置，避免了因機(jī)械部件的磨損或故障影響系統(tǒng)可靠性的弊病[19]。因此，在考慮聲吶主機(jī)的冷卻方法時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮自然冷卻方法。在主機(jī)機(jī)殼與外部環(huán)境的冷卻方法的選擇上，由于漁用聲吶主機(jī)處在高溫、高濕的工作環(huán)境中，為了防止主機(jī)內(nèi)部遇水短路，聲吶主機(jī)內(nèi)部為密閉的空間。主機(jī)機(jī)殼與外部環(huán)境接觸的表面積較大，選用自然冷卻，可以達(dá)到不錯(cuò)的效果。機(jī)殼密封，元器件所釋放的熱量由機(jī)殼吸收，并通過機(jī)殼傳導(dǎo)到設(shè)備外部，由外部自然冷卻，機(jī)殼起到一個(gè)熱交換器的作用[20]。

在主機(jī)內(nèi)部的冷卻方法的選擇上，由于信號(hào)處理機(jī)中板卡上集成了各種芯片導(dǎo)致局部的溫升過大，熱量無(wú)法及時(shí)排除，會(huì)造成溫度過載，影響聲吶的正常工作。強(qiáng)迫風(fēng)冷對(duì)流技術(shù)的散熱能力較強(qiáng)，適合聲吶這種高集成度的電子設(shè)備[21-22]，采用強(qiáng)制風(fēng)冷的主動(dòng)方法進(jìn)行散熱，在信號(hào)處理機(jī)外部安裝軸向的散熱風(fēng)扇，通過信號(hào)處理機(jī)與主機(jī)內(nèi)部空間的強(qiáng)制對(duì)流，使得熱量集中區(qū)域的熱量快速排除，實(shí)現(xiàn)了熱量在主機(jī)內(nèi)部的均勻分布，避免了信號(hào)處理機(jī)中各個(gè)芯片因溫度過高造成的各種危害。強(qiáng)迫對(duì)流的使用讓主機(jī)內(nèi)部空氣流動(dòng)加快，提升了主機(jī)內(nèi)部熱交換的能力，成為了主機(jī)散熱過程至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

圖2所示為強(qiáng)迫對(duì)流與自然冷卻結(jié)合的散熱方式，信號(hào)處理機(jī)內(nèi)部各種芯片產(chǎn)生的熱量通過軸向風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流，使其傳到主機(jī)內(nèi)部空間，在主機(jī)機(jī)殼進(jìn)行自然冷卻，然后再傳遞到環(huán)境中，最終完成整個(gè)熱量的傳遞過程。

圖2 主機(jī)散熱

1.2 多波束漁用聲吶主機(jī)散熱分析

在對(duì)聲吶主機(jī)進(jìn)行熱分析中，為了解決聲吶主機(jī)整體散熱的問題，運(yùn)用系統(tǒng)分析的方法將主機(jī)系統(tǒng)分為系統(tǒng)級(jí)、板卡級(jí)、元器件級(jí)（圖3），系統(tǒng)級(jí)是聲吶主機(jī)包含的聲吶主機(jī)機(jī)殼、信號(hào)處理機(jī)、電源等的各種設(shè)備，板卡級(jí)是包括信號(hào)處理板卡在內(nèi)組成各個(gè)設(shè)備的組成模塊，元器件級(jí)是包含F(xiàn)PGA、各種芯片在內(nèi)的各種元器件。對(duì)從熱源產(chǎn)生熱量到最終將熱量傳到外界環(huán)境的傳熱過程進(jìn)行分析（圖4），主要包括：1）作為元器件級(jí)的熱源溫升的分析；2）散熱過程中板卡級(jí)的散熱情況和系統(tǒng)級(jí)聲吶主機(jī)機(jī)殼與主機(jī)外部空氣之間的散熱情況。下面對(duì)聲吶主機(jī)整個(gè)散熱過程進(jìn)行分析，提出提高聲吶主機(jī)整體散熱效率的建議。

注：FPGA為現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列。

圖4 熱量傳遞過程

1.2.1 元器件級(jí)熱分析

主機(jī)的熱源主要來(lái)自于FPGA和收發(fā)芯片。芯片晶體管熱量通過不同途徑傳到周圍介質(zhì)時(shí)，會(huì)遇到各種熱阻，其過程可用電模擬的方法進(jìn)行分析[23]。圖5a為芯片晶體管模型，圖5b為等效熱路圖。結(jié)面上的熱量經(jīng)由內(nèi)部的熱傳導(dǎo)傳至管殼和引線上，其中一部分通過管殼和引線與周圍介質(zhì)進(jìn)行熱交換。傳至管殼上的熱量大部分通過與其直接接觸的散熱器傳至周圍介質(zhì)。

由等效熱路圖可知，總熱阻為[24]

式中為總熱阻，Ω。

若R>>R+R，則