CN102353444B - 可用于深水水下的同振式矢量接收器 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供可用于深水水下的同振式矢量接收器，包括惯性单元、压电敏感单元、耐压壳体、密封单元、电缆头，惯性单元为拥有十通孔的立方体，压电敏感单元包括六组独立的压电片堆，每组压电片堆分别与惯性单元相连，密封单元包括侧向密封盖、主密封盖，密封单元和耐压壳体刚性连接，密封单元将惯性单元与压电敏感单元组成的机构密封在耐压壳体里，主密封盖上安装电缆头。本发明可在3000m水下正常工作，在20-1000Hz甚低频频率范围内能够高质量的接收水下声场的矢量信息，具有较强的抗干扰能力，水密壳体与敏感元件一体化灌注而成结构简单、可靠性强，可以广泛应用于深水低频水声测量领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种水下接收器，具体地说是在深水环境下工作的具有中性浮力的接收器。
背景技术
水下接收器，通常称作水听器，它可以接收到在水下声场中传播的声信号。根据接收到的声信号不同可以分为声压水听器和矢量水听器，声压水听器能够获取水下声场中传播的声压信号；矢量水听器能够获取水下声场中传播的矢量信号，包括质点位移、加速度、速度以及声压梯度等信号。
矢量水听器，国外通常也称作水下矢量信号接收器，根据工作机理不同分为压差式和同振式两种类型，是近十年来国内水声领域十分关注的新型水声换能器件之一。与经典的声压水听器相比，同振式矢量水听器具有更高的低频灵敏度、更理想的低频余弦指向特性和小巧的体积、较轻的质量(在水下基本呈中性浮力)，因此在水声工程各个方面得到广泛的应用，特别是声纳浮标。
随着矢量水听器应用需求的不断迫切，矢量水听器的研制工作得到迅速发展。目前，国内在矢量水听器的研究方面已经基本实现系列化：频率范围从几Hz到十几kHz甚至更高、灵敏度从-210dB～-170dB甚至更高、平均密度已经接近水介质密度1000kg/m3甚至更低，被测物理量包括速度、加速度以及声压梯度，外形尺寸大到200～300mm、小到30～40mm甚至更小，形状有三维球形、二维柱形以及一维圆盘等(参见陈洪娟.矢量传感器.哈尔滨工程大学出版社，2006；杨德森.矢量水听器原理及应用引论.科学出版社，2009)。
但在国内，如上所述目前研制的矢量水听器应用深度一般只有几百米(不超过10MPa)。随着海洋资源开发与远洋战略的不断发展，国内外深海探测仪器设备的需求越来越多、越来越迫切。作为一种具有巨大应用潜力与优势的新型水下接收器——矢量水听器，目前国内只有能够在1000m深水环境下工作的样品(参见杨松涛.深水矢量水听器的研制[D].哈尔滨工程大学，2010)。
国外在深水矢量水听器的研制和应用领域，美国一直处于世界领先水平。比如，1988年，美国海军的Richard G.Adair，John A.Orcutt和WilliamE.Farrell带领研究小组在南太平洋5.5千米处成功应用矢量水听器作为接收设备进行了水下声学测试并对接收的矢量信号进行了相关的处理，表明该小组所应用的矢量水听器可以承受至少55MPa的静水压(参见：RICHARD G.ADAIR，JOHN A.ORCUTT，AND WILLIAM E.FARRELL.Infrasonic Seismic and AcousticMeasurements in the Deep Ocean.IEEE JOURNAL OF OCEANIC ENGINEERING，VOL.13，NO.4，OCTOBER 1988)；1995年，美国加利福尼亚海洋环境大学斯克利普斯研究所的Peter F.Worcester等人在其开展的海洋环境监测项目(ATOC)中，通过在深度超过2000米的海底放置垂直矢量水听器线阵来提取海洋环境数据，每条线阵安置40个水听器，在更早的1994年1-2月间，这些研究人员还曾对矢量水听器阵元进行过单独的校准测定(参见：Peter F.Worcester，Kevin R.Hardy，David Horwitt，and Douglas A.Peckham.A DEEP OCEAN DATA RECOVERYMODULE.)；美国俄勒冈州立大学、北加利福尼亚州立大学和隶属于美国国家海洋大气委员会的太平洋环境实验室的研究人员在太平洋南纬21度25分12.6秒，西经176度12分45.5秒处水深500-1500米区间开展了海底水文信息探测，所用设备为垂直三元矢量线阵，实验于2009年12月至2010年4月历时5个月，成功的收集到该水域的海洋声场信息(参见：H.Matsumoto，D.Bohnenstiehl，R.P.Dziakl，L.Williams，R.Gliege，C.N.Meinig and P.Harben.AVertical Hydrophone Array Coupled via Inductive Modem for DetectingDeep-Ocean Seismic and Volcanic Sources)。
此外，俄罗斯1989年曾在南中国海水深3000米处采用浮标在1-12Hz、32-141Hz和282-800Hz频率进行过水下噪声测量，表明其矢量水听器设备可以工作在1500m左右深水区域(参见V.A.Shchurov.Coherent and diffusivefields of underwater acoustic ambient noise.J.Acoust.Sec.Am.90(2)，Pt.1，August 1991：991-1001P)。
如上所述，尽管国外在深水矢量水听器的应用方面积累了大量的实际经验，但是，其实验中使用的矢量水听器大多属于压差式矢量水听器，而对于同振式矢量水听器来讲，目前还未见到工作在3000m深度的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供可以在3000米水深的海洋环境中、在20-1000Hz频率范围内获取声场质点加速度矢量信号的可用于深水水下的同振式矢量接收器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明可用于深水水下的同振式矢量接收器，其特征是：包括惯性单元、压电敏感单元、耐压壳体、密封单元、电缆头，惯性单元为拥有十通孔的立方体，压电敏感单元包括六组独立的压电片堆，每组压电片堆分别与惯性单元相连，密封单元包括侧向密封盖、主密封盖，密封单元和耐压壳体刚性连接，密封单元将惯性单元与压电敏感单元组成的机构密封在耐压壳体里，主密封盖上安装电缆头。
本发明还可以包括：
1、所述的压电片堆包括4片压电片或压电圆管，压电片之间并行连接，压电圆管之间并行连接。
2、所述的惯性单元的十通孔分别位于立方体的六个面中心处和两个正交的对角剖面的四个顶点处。
3、所述的耐压壳体为沿X、Y、Z轴向分别拥有三个正交通孔的球体，且在通孔与球面相交处有一平面，其上有O型圈凹槽。
本发明的优势在于：
1.在3000m水下正常工作；
2.在20-1000Hz甚低频频率范围内能够高质量的接收水下声场的矢量信息，具有较强的抗干扰能力；
3.水密壳体与敏感元件一体化灌注而成结构简单、可靠性强。
本发明可以广泛应用于深水低频水声测量领域，如深海通信、应答以及探测等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的惯性单元示意图；
图3为本发明的压电敏感单元示意图；
图4为本发明的耐压壳体示意图；
图5为本发明的主密封盖示意图。
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1～5，本发明它包括敏感单元、惯性单元、密封单元和耐压壳体以及连接导线和输出电缆。所述的敏感单元由六组独立的压电片堆组成，每组4片压电片并行连接(也可以由压电圆管代替)，其中每三组压电片堆极性相同。每组压电片堆通过粘接与惯性单元上的敏感单元基座联结，惯性单元是一个拥有十通孔的立方体，十通孔分别位于立方体的六个面中心处和两个正交的对角剖面的四个顶点处。密封单元和耐压壳体通过O型圈刚性连接，将敏感单元和惯性单元密封在耐压壳体内。密封单元由主密封盖和侧向密封盖组成，耐压壳体是一个沿X、Y、Z轴向分别拥有三个正交通孔的球体，且在通孔与球面相交处有一平面，其上有O型圈凹槽。
本发明提出了一种将敏感器件与密封壳体一体设计的新型水下耐高静水压的矢量接收器。设计中以敏感单元的耐压机理设计为核心，在3000m深水环境下、在20-1000Hz频率范围内能够保证其声学性能的正常可靠，是利用充液可以使敏感元件周边压力平衡的原理来实现的，同时在不同液体条件下敏感元件的边界阻尼不同幅频-相频特性也不同，因此利用液体的阻尼特性还可以有效的降低低频敏感结构的寄生谐振，从而可以提高接收器的低频抗干扰能力。另外，密封壳体采用模具与敏感元件灌注而成，壳体不仅起到水密作用，而且是敏感机构的组成部分起到基座的作用，因此其设计在材料选择和几何尺寸以及密度方面需要综合考虑耐压、灵敏度以及体积、重量等几个参数的要求，这里采用的是高强度低密度复合材料制作的，主要成分是环氧树脂。
本发明的基本理论依据是浸在液体中的刚性球在水下声波作用下其振动速度的幅值与相位与刚性球等效声中心处的液体介质质点的振动速度幅值和相位一致，前提是刚性球的最大限度尺寸与水下声场中的工作声波的波长相比足够小，且具有与水介质相近的密度。
本发明的3000m水下用同振式矢量接收器由带有压电陶瓷定位槽1a、注油孔1b、走线槽1c的惯性单元1，和带有压电陶瓷2a、电极片2b的压电敏感单元2，和带有螺纹孔3a、密封槽3b的耐压壳体3以及侧向密封盖4，和带有密封槽5a、走线槽5b的主密封盖5，和密封圈6、电缆头7组成。
首先，将压电陶瓷2a、电极片2b组成压电敏感单元2，然后将其粘接在惯性单元1的压电陶瓷定位槽1a内，共六组，同时将导线统一通过走线槽1c、走线槽5b连到输出电缆头7处。再利用模具将粘接在惯性单元1上的敏感单元2和耐压壳体3灌注成一体，然后通过螺纹孔3a将侧向密封盖4和主密封盖5利用密封圈6与耐压壳体3连接，最后充油，这样形成一个完整的耐压水声接收器。目前该接收器直径120mm，耐压30MPa，工作频带为20-1000Hz，工作频带内在水下2000-3000mm范围内灵敏度-196dB，水平声场起伏不超过2.5dB。
Claims (5)
1.可用于深水水下的同振式矢量接收器，其特征是：包括惯性单元、压电敏感单元、耐压壳体、密封单元、电缆头，惯性单元为拥有十通孔的立方体，压电敏感单元包括六组独立的压电片堆，每组压电片堆分别与惯性单元相连，密封单元包括侧向密封盖、主密封盖，密封单元和耐压壳体刚性连接，密封单元将惯性单元与压电敏感单元组成的机构密封在耐压壳体里，主密封盖上安装电缆头，利用模具将粘接在惯性单元上的压电敏感单元和耐压壳体灌注成一体。
2.根据权利要求1所述的可用于深水水下的同振式矢量接收器，其特征是：所述的压电片堆包括4片压电片或压电圆管，压电片之间并行连接或压电圆管之间并行连接。
3.根据权利要求1或2所述的可用于深水水下的同振式矢量接收器，其特征是：所述的惯性单元的十通孔分别位于立方体的六个面中心处和两个正交的对角剖面的四个顶点处。
4.根据权利要求1或2所述的可用于深水水下的同振式矢量接收器，其特征是：所述的耐压壳体为沿X、Y、Z轴向分别拥有三个正交通孔的球体，且在通孔与球面相交处有一平面，其上有O型圈凹槽。
5.根据权利要求3所述的可用于深水水下的同振式矢量接收器，其特征是：所述的耐压壳体为沿X、Y、Z轴向分别拥有三个正交通孔的球体，且在通孔与球面相交处有一平面，其上有O型圈凹槽。
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