CN101634587B - 三维同振夹心式水声接收器 - Google Patents

Abstract

一种三维同振夹心式水声接收器，其属于一种水下声压标量信号和质点振动加速度矢量信号接收装置。该水声接收器在采用低密度复合材料制作的正方体构架内，三个贯穿通道互为正交，六个平面位置相应设置了六对均采用压电晶片作为敏感元件的标量振子和矢量振子，在标量振子的外部采用聚氨酯材料密封形成透声水密球形外壳。使该水声接收器整体平均密度低，几何尺寸小，具有较好的余弦指向性和相位特性，利用上述优点可以解决声纳基阵设计问题。该水声接收器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

三维同振夹心式水声接收器 

技术领域

本发明涉及一种三维同振夹心式水声接收器，其属于一种水下声压标量信号和质点振动加速度矢量信号接收装置。 

背景技术

随着同振式矢量水听器在水声工程各领域的广泛应用，对于其性能的要求也越来越高，特别是低频、高灵敏度、小型化以及中性浮力等。这些参数基本是相互制约关系，比如体积小，还要重量轻，灵敏度就不会高，频率也降不下来。传统的同振式矢量水听器在设计时一般采用压缩式或剪切式压电加速度计作为矢量通道敏感元件，而声压通道一般采用圆柱管、圆环或球形压电陶瓷敏感元件，这样的设计无论是采用商用加速度计还是自制，由于其结构中有质量块，因此水听器整体密度都比较大。所以，很多设计为了减轻重量，在矢量通道只采用一只加速度计，特别是矢量水听器阵元设计中，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，尽管这样可以减轻重量，但是如果设计三维的水听器就不适用、很难实现。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以大大降低矢量水听器的整体质量，使水听器整体平均密度大幅降低，且各通道一致性好、测量精度高的三维同振球形矢量水听器。 

本发明采用的技术方案是：一种三维同振夹心式水声接收器，它包括标量振子、矢量振子、输出电缆和透声水密外壳。它还包括一个在正方体的平行面之间设有贯穿通道的正方体构架，位于正方体构架的每个平面上的贯穿通道内设有一个矢量振子，在每个平面上的贯穿通道外设有一个标量振子；所述标量振子和矢量振子均采用压电晶片作为敏感元件，并通过输出电缆与测量设备进行电连接；所述正方体构架内的三个贯穿通道互为正交，六个平面位置相应设置了六对标量振子和矢量振子，在标量振子的外部采用聚氨酯材料密封形成透声水密球形外壳。

所述标量振子是先把第一圆形压电晶片粘贴在减震垫上，再把减震垫粘贴在第一圆形金属基片上；所述矢量振子是在第二圆形金属基片的两面上各贴一个第二圆形压电晶片。

所述正方体构架采用三个直径相等的、互为正交的贯穿通道镂空，在贯穿通道的两端内均设有环槽；采用低密度复合材料制作的正方体构架上设有对称均布的悬挂孔。 

上述技术技术方案提供了一种标矢量振子采用相同敏感元件设计的三维同振球形矢量水听器，设计中无论是标量振子还是矢量振子都均采用的是叠片结构，因此各振子之间一致性好，另外由于叠片结构本身重量轻、低频灵敏度高，因此采用其作为敏感元件，不仅可以使矢量水听器获得更低的密度、更高的灵敏度，而且成本低、工艺简单，还大大改善了水听器的相位特性，这些优势使其在工程上具有非常广阔的应用前景。 

上述技术方案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V₀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枛水介质密度，ρ枛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V₀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，这样水听器内部的叠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。 

本发明的有益效果是：这种三维同振夹心式水声接收器在采用低密度复合材料制作的正方体构架内，三个贯穿通道互为正交，六个平面位置相应设置了六对均采用压电晶片作为敏感元件的标量振子和矢量振子，在标量振子的外部采用聚氨酯材料密封形成透声水密球形外壳。使该水声接收器整体平均密度低(约为1.0g/cm3)，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，利用该水声接收器的上述优点可以解决声纳基阵设计问题。该水声接收器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。 

附图说明

图1是正方体构架的结构图。 

图2是标量振子的结构示意图。 

图3是矢量振子的结构示意图。 

图4是6对标-矢量振子安装在正方体构架上的结构图。 

图5是一种三维同振夹心式水声接收器的结构图。 

图中：1、正方体构架，1a、悬挂孔，1b、环槽，2、标量振子，2a、第一圆形压电晶片，2b、减震垫，2c、第一圆形金属基片，3、矢量振子，3a、第二圆形压电晶片，3b、第二圆形金属基片，4、输出电缆，5、透声水密球形外壳，6、支承环。 

具体实施方式

图1示出了正方体构架的结构图。用低密度复合材料制作的正方体构架1采用一个正方体被三个相同直径的圆柱孔镂空，这三个圆柱孔的中心线互为正交且分别垂直于各自的正方体平面，在每个圆柱孔的两端(正方体平面内)均设有环槽1b。该正方体构架1是安装标-矢量振子的骨架，并在其上设有对称均布的悬挂孔1a。上述的低密度复合材料采用环氧树脂与玻璃微珠的混合材料。 

图2示出了标量振子的结构示意图。标量振子2是先把第一圆形压电晶片2a粘贴在减震垫2b上，再把减震垫2b粘贴在第一圆形金属基片2c上。上述的压电晶片可采用压电陶瓷或石英晶片等。 

图3示出了矢量振子的结构示意图。矢量振子3是在第二圆形金属基片3b的两面上各贴一个第二圆形压电晶片3a。第二圆形金属基片3b的外径与正方体构架1六个平面内环槽1b的内径相配合。标-矢量振子采用的压电晶片应相同。 

图4示出了6对标-矢量振子安装在正方体构架上的结构图。在正方体构架1六个平面的环槽1b内均固定设置一个矢量振子3，然后放置支承环6并与正方体构架1牢固连接，最后把标量振子2正确定位在正方体构架1六个平面上。 

图5示出了一种三维同振夹心式水声接收器的结构图。在正方体构架1上安装好六对标矢量振子并保证振子的中心线互相正交后，就可以把各振子的引线经输出电缆4接出，最后采用聚氨酯密封形成透声水密球形外壳5。 

该水听器样品整体外壳直径100mm，重量为500g左右，工作频带为500Hz～2000Hz，声压灵敏度级约为-200dB(0dB re1V/μPa，测试频率1000kHz。 

上述技术方案满足了三维同振球型矢量水听器的设计要求：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，通常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。 

Claims (3)

1.一种三维同振夹心式水声接收器，它包括标量振子（2）、矢量振子（3）、输出电缆（4）和透声水密外壳（5）；其特征是：它还包括一个在正方体的平行面之间设有贯穿通道的正方体构架（1），位于正方体构架（1）的每个平面上的贯穿通道内设有一个矢量振子（3），在每个平面上的贯穿通道外设有一个标量振子（2）；所述标量振子（2）和矢量振子（3）均采用压电晶片作为敏感元件，并通过输出电缆（4）与测量设备进行电连接；所述正方体构架（1）内的三个贯穿通道互为正交，六个平面位置相应设置了六对标量振子（2）和矢量振子（3），在标量振子（2）的外部采用聚氨酯材料密封形成透声水密球形外壳（5）。

2.根据权利要求1所述的三维同振夹心式水声接收器，其特征是：所述标量振子（2）是先把第一圆形压电晶片（2a）粘贴在减震垫（2b）上，再把减震垫（2b）粘贴在第一圆形金属基片（2c）上；所述矢量振子（3）是在第二圆形金属基片（3b）的两面上各贴一个第二圆形压电晶片（3a）。

3.根据权利要求1所述的三维同振夹心式水声接收器，其特征是：所述正方体构架（1）采用三个直径相等的、互为正交的贯穿通道镂空，在贯穿通道的两端内均设有环槽（1b）；采用低密度复合材料制作的正方体构架（1）上设有对称均布的悬挂孔（1a）。

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