遠洋漁業(yè)多波束聲吶主機高效散熱設計與驗證

孫崇洋，李國棟，楊育紅，隋江華

遠洋漁業(yè)多波束聲吶主機高效散熱設計與驗證

孫崇洋1,2，李國棟2，楊育紅2，隋江華1※

（1. 大連海洋大學航海與船舶工程學院，大連 116023；2.中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092）

為了解決多波束漁用聲吶主機在遠洋漁船高溫、高濕環(huán)境下工作時面臨的散熱問題，該研究從多波束漁用聲吶主機的散熱分析出發(fā)，運用傳熱學和結構設計的相關理論，對漁用聲吶主機進行了熱設計。首先運用系統(tǒng)分析法對聲吶主機整個散熱過程中的結構和散熱方式展開研究；然后，利用熱仿真軟件對聲吶主機的散熱過程進行仿真，對比信號處理機在不同風道設計方案下聲吶主機的整機溫度的變化，多款散熱風扇對整機散熱效果的影響，在不同環(huán)境溫度下（20、30、40、50 ℃）聲吶主機的散熱能力，以及熱設計前后的溫度分布；最后，搭建了聲吶主機散熱測試平臺，驗證聲吶主機的真實散熱能力。結果表明，強迫對流與自然冷卻結合的散熱方式可以解決聲吶主機的熱量堆積問題。仿真結果表明，4條風道的設計可作為聲吶主機的散熱方案，選用的FFB0612SHE和FFB0612EHE散熱風扇符合聲吶主機的散熱要求，通過熱設計可使聲吶主機的溫升控制在25 ℃以內(nèi)，熱量堆積現(xiàn)象大幅改善。散熱試驗結果表明，熱設計后的漁用聲吶主機散熱能力大幅提升，聲吶主機的溫升控制在25 ℃以內(nèi)，各板卡之間的溫度控制在5 ℃以內(nèi)，驗證了仿真分析結果，在熱源與主機外部環(huán)境之間形成了一條低熱阻的通道。研究結果提高了聲吶主機的工作穩(wěn)定性，為聲吶主機在遠洋漁船高溫、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；設計；仿真；聲吶；多波束；漁用；遠洋探魚儀

0 引 言

漁用聲吶（又名探魚儀）是一種主動聲吶，它工作時，由水下?lián)Q能器的陣子向水中發(fā)射水聲信號，水聲信號在水中傳播時遇到魚群而反射，反射的信號被換能器中陣子接受，然后聲吶主機根據(jù)聲波在水中的傳播速度、發(fā)射和接受水聲信號的時間間隔、水聲信號返回的方向，進行相應信號處理，解算出探測目標數(shù)據(jù)，上傳到顯控設備，確定水下魚群的距離和方位，從而進行捕撈作業(yè)[1]。漁用聲吶主要安裝在大型的遠洋漁船上，通過多個換能器陣子協(xié)同工作，可在較短的時間內(nèi)進行掃海[2]。中國遠洋作業(yè)漁場多分布在熱帶，常年溫度較高，且最佳捕撈時間通常在夏季氣溫最高的時間，此時船艙內(nèi)最高溫度可達45 ℃，遠洋漁船需在惡劣的高溫環(huán)境中作業(yè)，對漁船船艙內(nèi)的漁用聲吶主機的穩(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估計單個目標的距離，只發(fā)射一種頻率的信號[5]，需要的計算資源極少、聲吶主機的集成度很低且設備不需要考慮散熱，如上海生產(chǎn)的67-3型探魚儀；雙波束探魚儀采用一個寬波束和一個窄波束估計單個目標的極角[6]，需要的計算資源較少、聲吶主機的集成度較低、設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，可同時在不同頻段上對海洋生物、海底資源進行探測[7]，需要較多的計算資源，聲吶主機的集成度高，需要運用散熱片、導熱管對主機內(nèi)部熱量進行疏導，如挪威生產(chǎn)的EK80聲學探測系統(tǒng)；多波束聲吶是利用相控陣技術在一定的扇區(qū)內(nèi)形成多個發(fā)射波束，定向順序地發(fā)射，然后對多個波束同時接收來探測和定位生物位置，提高海洋生物探測的分辨率的同時對聲吶主機整體的運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可以在復雜地水文條件下，對魚類的行為和規(guī)模進行準確的測量和檢測，近年來在漁業(yè)探測捕撈方面表現(xiàn)出良好的應用前景。現(xiàn)有的遠洋漁船散熱系統(tǒng)設計，大多通過降低船艙內(nèi)部溫度來滿足遠洋漁船設備的散熱需求，結構復雜，建造、維護成本高，造成大量的能源消耗，穩(wěn)定性差。聲吶主機的集成度越來越高，發(fā)射功率越來越高，體積逐漸趨于小型化，這對漁用聲吶主機的散熱性能提出了極高要求，需要進行針對性設計。

熱設計是多波束漁用聲吶主機設計的一項關鍵技術，能夠提高聲吶主機穩(wěn)定性和可靠性。聲吶主機需要建立一條低熱阻的熱流通道，保證熱量快速傳遞出機體內(nèi)部，以滿足可靠性要求[9]。常用在電子設備上的散熱方式包括自然散熱、強迫風冷、強迫液冷、蒸發(fā)冷卻、熱管傳熱等形式[10]，對于應用在遠洋漁船上的聲吶主機來說，簡單的自然散熱能力不足[11-12]；傳統(tǒng)的強迫風冷需要與外部環(huán)境形成對流，不適用于密閉的聲吶主機[13]；強迫液冷的結構復雜、穩(wěn)定性差[14]；蒸發(fā)冷卻很難在劇烈晃蕩的漁船進行使用[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在規(guī)定的熱環(huán)境下能按設計方案進行正常工作，也需要綜合考慮多方面影響因素，在滿足熱設計要求的同時達到設備的性能指標，而且要求成本要低、結構要簡單。

目前國內(nèi)漁用大型聲吶多用在遠洋圍網(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，聲吶主機需要設計為密閉柜體，因而帶來了相應的散熱問題。針對上述問題，本文提出一種適用于海上作業(yè)的散熱方案，對主機整個散熱過程進行分析，給出相應的熱設計建議；通過散熱的仿真分析進行結構設計，研究環(huán)境溫度對聲吶主機散熱的影響；最后通過散熱試驗對仿真研究和熱設計研究進行驗證，達到提升聲吶主機的散熱效率，降低因硬件溫度過高引起的危害的目的，以期為中國遠洋漁業(yè)尖端聲學探測裝備的熱穩(wěn)定性研究提供有效方法和思路。

1 多波束漁用聲吶主機設計及散熱分析

1.1 多波束漁用聲吶系統(tǒng)

多波束漁用聲吶系統(tǒng)由水下設備和水上設備組成。水下設備主要包括換能器基陣、升降機構；水上設備主要由顯控設備、信號處理主機等組成。顯控設備與聲吶主機通過以太網(wǎng)線進行通信；聲吶主機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)設備；顯控設備是聲吶系統(tǒng)中進行人機交互的平臺，通過聲吶狀態(tài)的顯示和命令的發(fā)送實現(xiàn)操作者對聲吶系統(tǒng)的控制；多波束漁用聲吶主機作為聲吶系統(tǒng)的核心設備，設備集成度非常高，對自身散熱性能的要求比較苛刻。

1.1.1 主機組成

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

圖1 聲吶主機組成

表1 聲吶主機各設備的尺寸

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

交換機是通過它各器件間進行信息傳輸?shù)闹薪椋锹晠雀髌骷娦盘柕闹修D站。

信號處理機由8塊印刷電路板（printed circuit boards，PCB）組成，PCB上集成了現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）、信號收發(fā)芯片等多個電子器件，是聲吶主機中最重要的元器件，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，直接影響到整個系統(tǒng)的正常運行，因此信號處理機的熱設計至關重要。

1.1.2 散熱方式

在對漁用聲吶主機這種集成度高的設備進行溫升控制時，需要通過運用相應的散熱方式對熱量進行排除，本文結合漁用聲吶主機使用的客觀條件，確定適當?shù)纳岱绞?。對聲吶主機的散熱進行針對性的仿真分析，指導聲吶的結構設計，提高聲吶主機整體的散熱功率。

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

在主機內(nèi)部的冷卻方法的選擇上，由于信號處理機中板卡上集成了各種芯片導致局部的溫升過大，熱量無法及時排除，會造成溫度過載，影響聲吶的正常工作。強迫風冷對流技術的散熱能力較強，適合聲吶這種高集成度的電子設備[21-22]，采用強制風冷的主動方法進行散熱，在信號處理機外部安裝軸向的散熱風扇，通過信號處理機與主機內(nèi)部空間的強制對流，使得熱量集中區(qū)域的熱量快速排除，實現(xiàn)了熱量在主機內(nèi)部的均勻分布，避免了信號處理機中各個芯片因溫度過高造成的各種危害。強迫對流的使用讓主機內(nèi)部空氣流動加快，提升了主機內(nèi)部熱交換的能力，成為了主機散熱過程至關重要的環(huán)節(jié)。

圖2所示為強迫對流與自然冷卻結合的散熱方式，信號處理機內(nèi)部各種芯片產(chǎn)生的熱量通過軸向風扇進行強制對流，使其傳到主機內(nèi)部空間，在主機機殼進行自然冷卻，然后再傳遞到環(huán)境中，最終完成整個熱量的傳遞過程。

圖2 主機散熱

1.2 多波束漁用聲吶主機散熱分析

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

注：FPGA為現(xiàn)場可編程邏輯門陣列。

圖4 熱量傳遞過程

1.2.1 元器件級熱分析

主機的熱源主要來自于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，會遇到各種熱阻，其過程可用電模擬的方法進行分析[23]。圖5a為芯片晶體管模型，圖5b為等效熱路圖。結面上的熱量經(jīng)由內(nèi)部的熱傳導傳至管殼和引線上，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