CN101319932A - 非对称式结构三维同振球形矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非对称式结构三维同振球形矢量水听器。包括上下两个半球壳、输出电缆和核心振子，所述的核心振子由非对称安装在中心质量块上的三只压电加速度计组成，核心振子安装在支撑法兰盘内部，支撑法兰盘通过螺栓和密封圈夹在上下两个半球壳中间。本发明的水听器所需内部压电加速度计数目少，整体平均密度低，几何尺寸小，具有较好的余弦指向性和相位特性。因此，该低频矢量水听器不仅体积小、重量轻、指向性好，而且通道灵敏度和相位特性好，利用该水听器的上述优点可以解决声纳基阵设计问题。可以广泛应用于水声各领域，如声纳浮标系统、低噪声测量系统、双基地声纳系统、鱼雷导航系统、水下通讯系统、应答器等，完成低频测量任务。

Description

非对称式结构三维同振球形矢量水听器

(一)技术领域

本发明涉及的是一种水下信号接收装置，具体地说是一种三维同振球形矢量水听器。

(二)背景技术

矢量水听器是一种新型水下接收换能器，它可以空间共点、时间同步测得声场中某点处的声压和质点振速，或声压和质点加速度，或声压和声压梯度等水下声场中的标量和矢量信息。矢量水听器根据工作原理不同，可分为两大类：压差式矢量水听器和同振式矢量水听器。目前在水声工程各领域中得到广泛应用的是同振式矢量水听器，特别是在低频段(低于1000Hz)。

《应用声学》，2001，20(4)：15-20中刊登的名称为“三维同振球型矢量水听器的特性及其结构设计”的文章中，公开了一种三维同振球型矢量水听器，同时指出三维同振球形矢量水听器设计中要求：1、三个通道轴严格保持正交几何关系；2、球体本身的平均密度接近于水的密度且质量分布均匀；3、球体的几何中心与其重心严格重合；4、三个通道具有相同的声相位中心。因此，通常三维同振球形矢量水听器设计时采用对称式结构，即在三个正交通道上每个通道对称放置两只振动传感器，且六只振动传感器均匀分布在一个球面上，以保证满足上述条件，所以采用对称式结构设计的三维同振球形矢量水听器内部需要六只振动传感器，而且对每一对配对传感器的相位一致性要求很严格，否则由于两只配对传感器相位不一致会导致该通道灵敏度与相位特性与其他通道不一致，主要是影响工作频带，会使工作频带变窄，这种结构不仅会使同振式矢量水听器的设计成本很高，质量大密度高，而且性能不稳定。另外，同振式矢量水听器设计中内部放置的振动传感器数目越多，接线越复杂，相应的连接电缆越粗，从而对同振式矢量水听器的工作姿态影响越大，性能越不稳定。如果采用内置电路的振动传感器作为矢量水听器内部振子，则振动传感器数目越多，所需要连接的信号调理器越多，后续的处理电路越复杂。总之，采用对称结构设计的三维同振式矢量水听器密度高、成本高、幅频与相频特性一致性差、结构复杂、接口繁琐，从而影响其工程应用，特别是在矢量水听器成阵技术中的应用。为避免上述问题，目前在许多场合，特别是矢量水听器阵中，广泛采用二维柱形同振式矢量水听器。例如：《应用声学》，2006，25(6)：328-333中刊登的“中频小型矢量水听器设计研究”，《应用声学》，2005，24(2)：119-121中刊登的“二维同振柱形组合矢量水听器”等中公开的技术方案等。在这些二维柱形同振式矢量水听器的结构设计中，每个通道只采用一只振动传感器作为内部振子，这样避免了由于配对传感器相位不一致带来的问题，但是内部结构仍然是对称结构，只不过此结构中两个正交通道不在同一个平面上，因此严格讲这两通道不具有相同的声相位中心。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可大大降低了水听器的整体质量，使水听器整体平均密度大幅降低，提高了测量精度，能改善水听器的相位特性的非对称式结构三维同振球形矢量水听器。

本发明的目的是这样实现的：它包括上下两个半球壳、输出电缆和核心振子，所述的核心振子由安装在中心质量块上的三只压电加速度计组成，核心振子安装在支撑法兰盘内部，支撑法兰盘通过螺栓和密封圈夹在上下两个半球壳中间。

本发明还可以包括：

1、所述的支撑法兰盘上带有悬挂环，悬挂环等间距分布。

2、所述的中心质量块是具有大质量的中心质量块，三只压电加速度计分别沿X、Y、Z三个坐标轴的正向或反向非对称安装在具有大质量的中心质量块上，且三只压电加速度计的几何中心在同一个球面上，该球面的球心是中心质量块的重心。

3、中心质量块上沿水平正交方向分布有四个扁平翼型连接件，连接件上有螺孔，中心质量块通过该螺孔中的螺栓固定在有同样螺孔的支撑法兰盘的相应位置上。

本发明提出了一种新型的非对称式结构设计的三维同振球形矢量水听器，设计中每通道也只采用一只振动传感器，但其它结构不变，因此完全满足同振式矢量水听器的设计要求，但与对称结构相比其中心质量块重量有所增加，采用该结构设计的三维同振式矢量水听器指向性图和灵敏度频率响应曲线与对称结构相比没有差别，只是灵敏度级值有所下降。但是其密度小、成本低、结构简单，特别是接口简单、各通道一致性好，这些优势使其在工程上具有非常广阔的应用前景。本发明的非对称式结构三维同振式矢量水听器是在同振式矢量水听器的理论基础上，采用压电加速度计作为内部敏感元件设计的，这种结构同对称式结构相比，由于内部传感器的数目减少了一半而大大降低了质量，从而使水听器整体平均密度大幅降低，提高了测量精度，而且由于每通道采用一只传感器又大大改善了水听器的相位特性。另外，与对称结构的三维球形矢量水听器或二维柱形矢量水听器相比不对称结构在减少内部传感器数目的同时保证了声学特性不变化。

本发明的理论依据仍然是同振式矢量水听器设计的理论依据，即：如果声学刚硬柱体的几何尺寸远远小于波长(即kL＜＜1，k是波数，L是刚硬柱体的最大线性尺度)，则其在水中声波作用下作自由运动时，刚硬柱体的振动速度幅值V与声场中柱体几何中心处水质点的振动速度幅值V_o之间存在以下关系：

$V=\frac{2{\mathrm{\ρ}}_0}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}+{\mathrm{\ρ}}_0}{V}_0$

其中：ρ₀——水介质密度，ρ——刚硬柱体的平均密度。

由公式可知，当刚硬柱体的平均密度ρ等于水介质密度ρ₀时，其振动速度幅值V与声场中柱体几何中心处水质点的振动速度幅值V_o相同，这样只要刚硬柱体内部有可以拾取该振动速度的传感器件即可获得声场中柱体几何中心处水质点的振动速度。

在实际使用时，将该矢量水听器用弹簧悬置在固定支架上，然后置于水中。当水中声波引起该水听器声中心处水质点振动时，该水听器与水质点将一起振动，振动的幅值和相位基本相同，这样水听器内部的双迭片振子即可拾得水质点的振动速度，并将振动速度信号转换成电信号输出。

所以本发明的优点是：水听器整体平均密度低(约为1g/cm³左右)，几何尺寸小(最小直径可达80mm左右)，具有较好的余弦指向性和相位特性。因此，该低频矢量水听器不仅体积小、重量轻、指向性好，而且通道灵敏度和相位特性好，利用该水听器的上述优点可以解决声纳基阵设计问题。本发明可以广泛应用于水声各领域，如声纳浮标系统、低噪声测量系统、双基地声纳系统、鱼雷导航系统、水下通讯系统、应答器等，完成低频测量任务。

(四)附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是中心质量块的结构示意图。

图3是支撑法兰盘的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1至图3，本发明的非对称式结构三维同振球形矢量水听器由安装在中心质量块1上的三只压电加速度计2组成的核心振子和带有悬挂环3的支撑法兰盘4以及上下两个半球壳5和输出电缆6组成。其中核心振子通过螺栓固定在支撑法兰盘4内部，而支撑法兰盘4通过螺栓和密封圈夹在上下两个半球壳5中间。

首先，将三只压电加速度计2沿轴向安装在中心质量块1上装配成核心振子，然后用螺栓将核心振子固定在带有悬挂环3的支撑法兰盘4上，最后将支撑法兰盘4通过螺栓和密封圈夹在上下两个半球壳5中间，这样形成整体水听器，其电缆输出端6置于球形外壳5的上端面上，其中中心质量块选用重金属材料制作，球形外壳选用铝合金材料制作。目前该水听器样品整体外壳直径100mm，重量为3800g左右，工作频带为10Hz～100Hz，自由场电压灵敏度级为-170dB(0dBre1V/μPa，测试频率1kHz)。

Claims (5)

1、一种非对称式结构三维同振球形矢量水听器，它包括上下两个半球壳、输出电缆和核心振子，其特征是：所述的核心振子由安装在中心质量块上的三只压电加速度计组成，核心振子安装在支撑法兰盘内部，支撑法兰盘通过螺栓和密封圈夹在上下两个半球壳中间。

2、根据权利要求1所述的非对称式结构三维同振球形矢量水听器，其特征是：所述的支撑法兰盘上带有悬挂环，悬挂环等间距分布。

3、根据权利要求1或2所述的非对称式结构三维同振球形矢量水听器，其特征是：所述的中心质量块是具有大质量的中心质量块，三只压电加速度计分别沿X、Y、Z三个坐标轴的正向或反向非对称安装在具有大质量的中心质量块上，且三只压电加速度计的几何中心在同一个球面上，该球面的球心是中心质量块的重心。

4、根据权利要求1或2所述的非对称式结构三维同振球形矢量水听器，其特征是：中心质量块上沿水平正交方向分布有四个扁平翼型连接件，连接件上有螺孔，中心质量块通过该螺孔中的螺栓固定在有同样螺孔的支撑法兰盘的相应位置上。

5、根据权利要求3所述的非对称式结构三维同振球形矢量水听器，其特征是：中心质量块上沿水平正交方向分布有四个扁平翼型连接件，连接件上有螺孔，中心质量块通过该螺孔中的螺栓固定在有同样螺孔的支撑法兰盘的相应位置上。

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