CN101949733B

CN101949733B - 用于深水声波探测的压电片式水下探音器

Info

Publication number: CN101949733B
Application number: CN2010102538025A
Authority: CN
Inventors: 叶德信; 皇甫江涛; 冉立新
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2030-08-13
Also published as: CN101949733A

Abstract

本发明公开了一种用于深水声波探测的压电片式水下探音器。耐压介质声波谐振腔的空气腔长度为声波工作波长λ的二分之一，压电陶瓷换能器安装在耐压介质声波谐振腔的一端，压电陶瓷换能器的压电陶瓷片贴在耐压介质声波谐振腔内的空气腔的内端面。本发明即使在深水高压情况仍然可以实现声波信号的探测，而且通过这个简单的结构既能够保持传统压电陶瓷换能器探测的高灵敏度，又克服了传统压电陶瓷换能器不能探测水中声波的缺陷。该设备设计简单，体积小，成本低廉而且使用方便。可广泛用于深水管道、油井、深海等高压下声波探测系统的压电片式水下探音器。

Description

用于深水声波探测的压电片式水下探音器

技术领域

本发明涉及水下探音声器，特别是涉及一种用于深水声波探测的压电片式水下探音器。

背景技术

随着人类社会的发展，无线通信技术在我们生活中扮演着越来越重要的作用。传统的电磁波无线通信对大家来说是再熟悉不过了，如生活中使用的移动电话、军事上广泛应用的电台等都是通过电磁波来传递信息的。但是，有些情况下电磁波的无线通信却不一定是最好的通信方式，比如深水中的无线通信。

由于海水对电磁波的衰减作用，水下通信非常困难。那么，可不可以利用声波传递信息呢？几年来，各国科学家一直致力于海底声波通信的研究，即把大量含有声音、文本和影像的数据以声波的形式在海底传送。目前，军事上对声音的利用主要集中在使用声纳探测、侦察以及简易通讯诸方面，如根据水中敌潜艇发出的声音判别其方位，利用主动声纳搜索水雷，利用测深声纳确定海底深度，根据声纳发出和收回的信号识别敌我等。商业生产上，也有很多地方需要用到声波。比如矿井、油井类的深水通信，如何传输信号到矿井或者油井底部以控制某个系统运作。

虽然声波通信技术已取得突破性进展，但也有许多难题尚待攻克。首先，声波在传送过程中也会逐渐减弱，使信号变弱。同时，由于水对声音来说是一个极好的传输媒介，各种声波都能传送成百上千千米，使人很难把带着数据的声波和通常的背景杂音区分开来。而目前水下通信中并没有出现非常完善的声波探测仪器，可以在数千米深处超高压的条件下正常、稳定、并高灵敏地工作。传统的水听器虽然可以在水下工作，用来探测水下声波，而且有较高的灵敏度，但是传统水听器多工作在500米以内的浅水区域，在深水的高压条件下，即使经过特殊设计，其灵敏度也会有较大程度的恶化，其承压结构也难以长期稳定工作。因此，迫切需要一种新型的声波探测仪使得其可以在深水下工作，而且要有很高的探测灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于深水声波探测的压电片式水下探音器，利用声波谐振效应实现声波的能量积聚，使得深水中的声波耦合到谐振腔里，并实现能量的积累从而使得高灵敏度的压电陶瓷换能器即不需要承受很大水压的同时又可以在充满接近地面大气压压强空气的空气腔里探测到水中耦合过来的声波。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的耐压介质声波谐振腔的空气腔长度为声波工作波长λ的二分之一，压电陶瓷换能器安装在耐压介质声波谐振腔的一端，压电陶瓷换能器的压电陶瓷片贴在耐压介质声波谐振腔内的空气腔的内端面。

所述的耐压介质声波谐振腔内腔为圆柱体或者长方体的空气腔，两端封闭。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

本发明即使在深水高压情况仍然可以实现声波信号的探测，而且通过这个简单的结构实现了高灵敏度的压电陶瓷换能器探测高压深水中的声波信号。他克服了传统压电陶瓷换能器不能在深水高压下探测深水声波的缺点，提供一种高稳定度的声波探测设备。该设备设计简单，体积小，成本低廉而且使用方便，完全克服了传统水下探音器的不足。

本发明可广泛用于深水管道、油井、深海等高压下声波探测系统的水下探音器。

附图说明

图1是声波在多层介质中反射、透射示意图。

图2是谐振腔式水下探音器结构示意图。

图中：1.耐压介质声波谐振腔，2.空气腔，3.压电陶瓷换能器，4.压电陶瓷片，5.深水管道，6.深水管道内的水。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

声波在多层介质中会发生反射和透射，特别是当声波垂直入射到多层平面的时候，我们可以用波动方程和尤拉方程写出各层介质中的声压p(x)和振速v(x)，如图1所示：

其中第三层介质和第一层介质相同，即有相同的密度，相同的声速。中间层介质的厚度为1，声波从左边第一层入射。p_1i(x)表示第一层入射波，p_1r(x)表示第一层反射波，ρ₁和c₁分别表示第一层介质的密度和声速，p_2i(x)表示第二层入射波，p_2r(x)表示第二层反射波，ρ₂和c₂分别表示第二层介质的密度和声速，p_3i(x)表示第三层透射波，ρ₁和c₁分别表示第三层介质的密度和声速。

我们可以在三层介质中依次表示他们的声压p(x)和振速v(x)，第一层介质中的声压p₁(x)和振速u₁(x)表示为：

p_{1} (x) = A_{1} e^{- j k_{1} x} + B_{1} e^{j k_{1} x}

(1)

u_{1} (x) = \frac{1}{Z_{1}} (A_{1} e^{- j k_{1} x} - B_{1} e^{j k_{1} x}), (Z_{1} = ρ_{1} c_{1})

其中A₁表示第一层入射声波的声压的幅度，B₁为第一层反射声波的声压的幅度

表示第一层介质里朝x正方向传播的声波算式，

表示第一层介质里朝x负方向传播的声波算式，k₁为第一层介质里的波矢。

第二层介质中的声压p₂(x)和振速u₂(x)表示为：

p_{2} (x) = A_{2} e^{- j k_{2} x} + B_{2} e^{j k_{2} x}

(2)

u_{2} (x) = \frac{1}{Z_{2}} (A_{2} e^{- j k_{2} x} - B_{1} e^{j k_{2} x}), (Z_{2} = ρ_{2} c_{2})

其中A₂表示第二层入射声波的声压的幅度，B₂为第二层反射声波的声压的幅度

表示第二层介质里朝x正方向传播的声波算式，表示第二层介质里朝x负方向传播的声波算式，k₂为第二层介质里的波矢。

第三层介质中的声压p₃(x)和振速u₃(x)为：

p_{3} (x) = A_{3} e^{- j k_{3} (x - l)}

(3)

u_{3} (x) = \frac{1}{Z_{1}} e^{- j k_{3} (x - l)}

其中A₃表示第三层入射声波的声压的幅度，

表示第三层介质里朝x正方向传播的声波算式，k₃为第三层介质里的波矢。

声波在该三层介质中传播要满足边界处声压和振速的连续性，可以知道满足如下等式：

p₁(x)|_x＝0＝p₂(x)|_x＝0 p₂(x)|_x＝l＝p₃(x)|_x＝l

(4)

u₁(x)|_x＝0＝u₂(x)|_x＝0 u₂(x)|_x＝l＝u₃(x)|_x＝l

把上面四个式子联立求解可以解出当第二层介质满足k₂l＝nπ时，第二层介质里面驻波的幅度最大，此时声波从第一层介质透射到第三层介质的透射率也最大刚好等于1。同时声波在中间层介质上谐振，能量得到极大的积聚。得到：

\begin{matrix} A_{2} = \frac{A_{1} (1 + \frac{Z_{2}}{Z_{1}})}{2} & B_{2} = \frac{A_{1} (1 - \frac{Z_{2}}{Z_{1}})}{2} \end{matrix} - - - (5)

可以发现在谐振时，声波在第二层介质的最大声压为|A₂|+|B₂|，因此，如果将第一层与第三层介质设定为水，而中间的那层介质设定为空气，则当空气层的长度满足上述的k₂l＝nπ时，处于水层中间的空气层内的声波会产生谐振，使得里面的能量积聚变大。

根据上述声波谐振的性质，为了测量深水中声波，制作了一个空气声波谐振腔，通过谐振效应来实现声波信号的测量。为了说明谐振腔式传声器1的工作过程，举一个在深水管道探测声波信号的例子。如图2在竖直放置的深水管道5中，放置一个耐压介质声波谐振腔1，比如钢质声波谐振腔，这样可以承受深水中的高压。当耐压介质声波谐振腔的空气腔2的长度刚好是声波工作波长的一半时，即满足k₂l＝nπ。由于谐振效应，深水管道内的水6中的声波信号就会耦合到空气腔2里，并在里面积聚能量使得空气腔2内的声压变大。空气腔2的一端上贴放压电陶瓷换能器3的压电陶瓷片4。该压电陶瓷片4即可以接收到谐振空气腔2中的声波信号，把声波信号转换成电信号输出，这样就实现了深水高压下声波信号的探测。

耐压介质声波谐振腔1厚度可以适当改变，在能保证耐高压的条件下越薄越好；当外面水中声波信号耦合到耐压介质声波谐振腔内的时候，由压电陶瓷片4测得腔内的声压信号并转化成电信号处理。

本发明的工作频率未定，可以先确定声波工作波长再设定相应的耐压介质声波谐振腔内空气腔的尺寸。同时同一个耐压介质声波谐振腔可以工作在多个频率，只要是基频的整数倍的声波，都可以在谐振腔内谐振从而用使得压电陶瓷片可以接收到，因此其工作频段具有离散性。

以上所述，仅是本发明的在深水管道中探测的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种用于深水声波探测的压电片式水下探音器，其特征在于：耐压介质声波谐振腔(1)的空气腔(2)中充满接近地面大气压压强的空气，空气腔(2)长度为声波工作波长λ的二分之一，压电陶瓷换能器(3)安装在耐压介质声波谐振腔(1)的一端，压电陶瓷换能器(3)的压电陶瓷片(4)贴在耐压介质声波谐振腔(1)内的空气腔(2)的内端面。

2.根据权利要求1所述的一种用于深水声波探测的压电片式水下探音器，其特征在于：所述的耐压介质声波谐振腔(1)内腔为圆柱体或者长方体的空气腔(2)，两端封闭。