CN102759378A - 水下声场多参数检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多参数水声检测传感器，主要包括：矢量水听器、声压水听器、定位质量块、水密包覆层和多芯电缆等。目的是克服单一水听器对声场参数表征不完备的缺点，同时提高检测的效率。本发明的有益效果是：(1)通过将矢量传感器和声压传感器进行组合设计，可对标量和矢量物理量同时测量，同步得到表征声场特征的声压和质点振速物理量。(2)弥补了矢量和标量传感器单独工作时所存在的不足，为声强参数的检测提供了一种简便、可行的手段。(3)能够为信号处理系统提供完整的声场信息，提高水声检测的抗干扰能力和检测能力，并有助于对水下声场的特性做出更加准确的判断。

Description

水下声场多参数检测传感器

所属技术领域

本发明专利涉及一种可对水声声场多种参数进行检测的传感器，具体属于声学传感器(或称换能器)领域。主要是将声学矢量传感器和声压传感器的优势进行充分融合，可以同时对声场中声压、质点振速(或称声压梯度)和声强(或称能流密度)等多种声场参数进行同时测量，避免了传统声学测量中只能对单一声学参数进行测量的不便，提高了检测的效率，适合作为水声测量中快速对各种声学参数进行检测之用。 

背景技术

在水声检测领域中，水声声压是最基本的物理量之一，对于该物理量的测量一般是通过声学传感器(或称水听器)等直接进行测量。这类对声压量值直接进行测量的水听器，称为声压水听器，由于声压是标量，所以声压水听器又称为标量水听器。典型的标量水听器如丹麦B&K公司的810X系列等。 

在对声场进行描述时，除了作为标量的声压参数，还有矢量的参数，如质点振速(声压梯度)和声强(声能流密度)等。声场的表征仅仅标量参数有时是不够的，还需要矢量参数的信息才完备，这样有利于信号处理获得更为丰富的信息，同时提高抗相干干扰能力和检测能力。对于声场矢量参数(如质点振速)的测量，一般是通过矢量传感器(或称矢量水听器)来完成。矢量水听器，又称为振速水听器或者声压梯度水听器，根据需要可设计成一维、二维、三维结构。对于三维矢量水听器可同时得到直角坐标系下三个正交方向上的质点振动信息。 

传统的传感器，无论是声压水听器还是矢量水听器，都仅能对声场中的部分参量进行检测和标定，如前所述，对于声场的表征仅仅用标量或者矢量参量来表征都是不完备的，对于信号处理来说越是完备的声场信息，其对于结果的判定就越为准确可信，从而提高其抗干扰和检测能力。 

本发明致力于解决传统单一传感器在声场检测参数不全面的缺点，提出了一种可同时检测声场中标量参量和矢量参量的传感器设计方案，满足声场检测和信号处理的需求。 

发明内容

本发明的目的是克服单一标量或矢量水听器对声场参数表征的不完备的缺点，同时又提高检测的效率，提出了一种将标量水听器和矢量水听器进行组合设计的方案，能够同时对声场中的声压量、质点振速量和声强量进行检测，可高效地获得表征声场参量的完备的信息，供常规声场参数测量和信号处理的需要。 

本发明所采用的技术方案，主要包括：一个声压水听器和一个矢量水听器，在矢量水听器内部具有定位质量块、水密包覆层和多芯屏蔽电缆等。在定位质量块上按照直角坐标系三 个正交的方向(X轴，Y轴，Z轴)开三对定位安装孔，将两对加速度计分别安装固定在X轴和Y轴方向两对定位孔上，在Z轴方向上安装标量声压水听器，多芯屏蔽电缆通过与声压水听器相对的安装孔引出。通过定位结构保证X、Y、Z方向加速度计和水听器相互垂直。加速度计和定位质量块结构之外包覆一层透声水密层，各个传感器的引线与固定在定位质量块上的多芯电缆相连接，各个传感器的信号可直接供测量数据的采集和信号处理。 

所述的矢量水听器，其工作原理是基于压电加速度传感器，应具有在其响应频带内具有较高的加速度灵敏度和响应平坦等特性。 

所述的声压水听器，其特性是能够对声场中的声压量进行直接测量，其声压响应在工作频带内应具有响应平坦的响应特性，对声压的响应具有空间全向性。 

所述的定位质量块，其特征是采用金属或者非金属材料，材料刚性满足加工和能够进行水密材料包覆的要求，其上开有定位安装孔，内部可以供传感器引线通过，并可与水密电缆接口。 

所述的透声水密层，其特征是具有与水介质特征阻抗相近的阻抗特性，对声波的透射衰减小，具有长期的防透水特性，具有一定的强度可对各个传感器进行保护，防止传感器受到碰撞时受到损坏。 

所述的多芯电缆，其特征是具有至少4芯以上芯线的屏蔽电缆，电缆外部绝缘层具有防水耐水特性，对于电信号具有较低的衰减特性。 

本发明的有益效果是： 

(1)本发明将矢量传感器和标量传感器进行组合设计，可对表征声场参数的标量物理量(声压)和矢量物理量(质点振速)同时测量，同时，通过对声压和质点振速的联合测量，可同步得到表征声场特征的声强量。 

(2)本发明体现了矢量传感器和标量传感器各自的优点，同时又弥补了两类传感器单独工作时所存在的不足，为声压、质点振速和声强等声场参数的检测提供了一种切实有效简便可行的手段，具有检测效率高的显著特点。 

(3)本发明可提供信号处理比较丰富完整的声场信息，采用声压和质点振速联合处理的信号处理系统，能够有效提高信号处理抗干扰的能力和检测能力，有助于信号处理系统做出正确的判断。 

附图说明

图1水声声场多参数检测用测量传感器的结构示意图 

具体实施方式

下面结合附图1说明本发明的具体实施方式。 

如图1所示，本发明，一种水声声场多参数检测用测量传感器，主要包括：矢量水听器(1)、标量水听器(2)、加速度计(3)、定位质量块(4)，输出电缆(5)和连接杆(6)。 

对加速度计和声压水听器的响应特性进行挑选，选取两对响应特性一致的加速度计和一只声压水听器待用。定位质量块(4)上按照右手准则所确定的直角坐标系的三个正交方向开有三个安装定位孔，按照图示结构将加速度计(3)分别安装固定至X轴和Y轴方向。将声压水听器(2)分别按照图示结构安装至Z轴方向，安装过程中保证声压水听器(2)的连接杆(6)与Z轴重合，声压水听器(2)的中心至定位质量块(4)中心的距离与加速度计(3)至定位质量块(4)中心的距离相同。 

各个水听器的正负引线通过定位质量块内部与多芯输出电缆(5)的各个引线相连接，加速度计和标量水听器采用“共地”的连接方式，输出电缆至少需要4芯以上的芯线。对处于X、Y方向的加速度计和标量水听器的引线都需进行标示，以便于对后续信号进行采集和处理。 

水声声场多参数检测用传感器的工作原理： 

将本发明的传感器置于声场中时，加速度计(3)可以直接提供传感器所处位置声场在X、Y方向的质点振速信息，标量水听器(2)可直接提供传感器所在处的声压量，联合检测到的声压p和质点振速矢量v的信息，利用公式(1)即可得到声场中的声强参数I。 

$I=\frac{1}{T}{\∫}_0^T\mathrm{p\υdt}---\left(1\right)$

Claims (1)

1.一种多参数水声测量传感器，其特征在于(一)矢量水听器(1)由按X、Y方向固定在定位质量块(4)上的两对加速度计(3)构成。两对加速度计(3)通过连接杆(6)连接在质量块(4)上，所述的标量水听器(2)和矢量水听器(1)的输出信号通过电缆(5)输出。

水声声场多参数检测传感器特征在于 (二)1)该传感器可在满足直角坐标系二个正交方向上同时检测声场中的质点振速；(2)该传感器能够检测声场中的声压；(3)该传感器可同时检测声场中的声压和质点振速；(4)该传感器可提供声压和振速联合信息获得声场中的声强参数。

本发明所采用的技术方案，主要包括：一个声压水听器和一个矢量水听器，在矢量水听器内部具有定位质量块、两对加速度计和多芯屏蔽电缆等。在定位质量块上按照直角坐标系三个正交的方向(X轴，Y轴，Z轴)开三对定位安装孔，将两对加速度计分别安装固定在X轴和Y轴方向两对定位孔上，在Z轴方向上安装标量声压水听器，多芯屏蔽电缆通过与声压水听器相对的安装孔引出。（三）通过定位结构保证X、Y、Z方向加速度计和水听器相互垂直。加速度计和定位质量块结构之外包覆一层透声水密层，各个传感器的引线与固定在定位质量块上的多芯电缆相连接，各个传感器的信号可直接供测量数据的采集和信号处理。 

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