CN102879077B - 一种同振式矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无接触抗磁悬挂安装矢量水听器。本发明包括两个永磁体、加速度传感器、输出电缆和石墨球壳，其特征在于：两个永磁体磁极方向一致，安装在加速度传感器敏感轴方向的上下两端，悬浮于内部充满顺磁性金属离子溶液的石墨球壳中，石墨球壳用聚氨酯透声层包裹，加速度传感器的输出电缆从石墨球壳引出壳体。本发明具有姿态自矫正功能，无需外加罗经对矢量水听器进行定位；利用永磁体与石墨球壳之间的抗磁力，实现矢量水听器的自由、稳定悬浮，这种无接触悬置避免了采用弹性悬置元件悬挂矢量水听器带来的诸多影响，使矢量水听器的工程应用更加简单、方便。

Description

一种同振式矢量水听器

技术领域

本发明涉及一种无接触抗磁悬挂安装矢量水听器。

背景技术

矢量水听器作为一种新型水声接收器，可以获取水下声场中的矢量信号，包括质点位移、速度、加速度以及声压梯度等信号。与声压水听器一起构成复合式矢量水听器，可以同时共点地获取水下声场的标量信息和矢量信息（即包含幅度信息和相位信息）。声压与质点振速的乘积是声场测量点处的声能流密度（声强）是一个矢量，它不仅能反映水中声波携带能量的多少，还可以反映声波能量流传递时的方向“轨迹”，也能反映声波能量流中“有功”分量和“无功”分量各占的比例等等，这就使得矢量水听器成为一种能全面测量水下声场特性非常有效的工具，此外利用复合式矢量水听器可以进行水下声源方位的测量。

为保证同振式矢量水听器在声波作用下能自由振动，准确获取声场的矢量信息，通常需要将其柔性地安装在刚性平台上。在《应用声学》，2004年第23卷第5期中“弹性元件对同振球型振速水听器的影响”一文中重点分析了机械类弹性元件（弹簧或橡皮筋）对矢量水听器性能的影响。文章指出，当矢量水听器体积减小或者矢量水听器悬挂空间变小，整个接收系统的谐振频率就会上升，测量结果就不准确。此外，当矢量水听器的体积或质量非常小时，振动系统从集中参数系统转变为分布参数系统，就必须要考虑机械类弹簧的质量、阻尼以及相互一致性的影响，分析将更为复杂。

为了解决这一难题，国内外积极研究关于同振式矢量水听器其他种类的弹性安装方式。例如，美国专利Ultra Low Frequency Acoustic Vector Sensor，公开号US2009245028A1，采用“永磁体—金属铋”之间的抗磁力作为弹性力，替代弹簧类机械力。这种安装方法属于一种非接触安装方法，可以有效地免除机械类弹性元件本身质量、阻尼以及一致性带来的影响。尽管如此，此发明专利存在以下缺点：永磁体和金属铋之间抗磁力小，且安装方式难保证抗磁力的对称性；矢量水听器工作频率范围窄，仅限于甚低频；矢量水听器采用圆柱端面作为接收面，这种方法仅限于非常窄的频带内可用。

在确定水下声源方位的实际工程应用中，通常用弹性元件将同振式矢量水听器悬挂在刚性工作平台上。然而，由于风、浪及水流等的影响，刚性工作平台的方位经常发生偏移，因此必须要确定矢量水听器各个测量通道在水下相对于大地地磁的方位，所以一般在水下工作平台上安装矢量水听器的同时，还需安装一个磁罗经来修正矢量水听器的输出信号，并最终解算出被测目标声源的绝对方位信息。虽然这样做能直接提高水下被测目标方位测量的精度，但是同时也增加了系统的复杂性，加大了测量的工作量。

本发明利用永磁体在地磁场中具有南北指向的特性，设计了一种具有姿态自矫正功能的矢量水听器。本发明的矢量水听器中采用永磁体设计，可以将这种矢量水听器悬置于具有抗磁特性材料制成的悬挂安装平台中，充分利用抗磁性使矢量水听器处于自由悬浮状态。当该矢量水听器自由悬浮时，其矢量通道的轴向姿态始终处于南北指向。在实际水声测量系统中，使用本发明的具有姿态自矫正功能的矢量水听器进行测量，可不用安装罗经。本发明除了能有效克服上述缺点，还具有姿态自矫正功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用无接触、抗磁性悬挂安装方式，具有姿态矫正能力，工作频率范围更宽的同振式矢量水听器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括两个永磁体、加速度传感器、输出电缆和石墨球壳，其特征在于：两个永磁体磁极方向一致，安装在加速度传感器敏感轴方向的上下两端，用环氧树脂与空心玻璃微珠混合物密封成中性浮力球形结构，悬浮于内部充满顺磁性金属离子溶液的石墨球壳中，石墨球壳用聚氨酯透声层包裹，加速度传感器的输出电缆从石墨球壳引出壳体。

石墨球壳表面均匀分布着圆孔。

两个永磁体是圆盘形的永久磁铁。

环氧树脂与空心玻璃微珠混合物的密度小于水密度。

顺磁性金属离子溶液为顺磁性水盐溶液，包括硫酸铜、氯化锰、氯化氯化钆水溶液。

本发明的有益效果在于：

在地磁场的作用下，矢量水听器通道轴的方位可以自动保持在与大地坐标南北一致的方向，具有姿态自矫正功能，无需外加罗经对矢量水听器进行定位；利用永磁体与石墨球壳之间的抗磁力，实现矢量水听器的自由、稳定悬浮，这种无接触悬置避免了采用弹性悬置元件悬挂矢量水听器带来的诸多影响，使矢量水听器的工程应用更加简单、方便。

附图说明

图1是本发明矢量水听器的内部结构图；

图2是本发明中带孔石墨球体的结构图示意图；

图3是本发明中的矢量水听器及相应的悬挂安装平台的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明是一个内部带有永磁体和一只加速度传感器的、具有中性浮力的球形一维矢量水听器，被悬浮于内部充满顺磁性金属离子溶液的石墨球壳中。

本发明还可以包括：

中性浮力球形矢量水听器内部有一只加速度传感器构成矢量通道；加速度传感器沿敏感轴方向、上下各有一个圆盘形、极性方向一致的永磁体；具有抗磁性的石墨球壳体上均匀分布着许多圆孔，形成网状结构；石墨球壳外表面包裹着聚氨酯密封透声层；石墨球壳内部充满顺磁性金属离子溶液。

本发明提出了一种具有姿态自矫正功能的矢量水听器，设计中采用了在矢量水听器内部沿通道轴方向安装两个永磁体、用环氧树脂与空心玻璃微珠混合物密封成中性浮力球形矢量水听器的方法，满足同振式矢量水听器的基本设计原理。矢量水听器内部的永磁体在地磁场的作用下，矢量水听器的敏感轴方向自动保持在与大地坐标南北一致的方向，类似一只小磁针，因此不需要罗经对矢量水听器本身的方位进行测量，使水下工作平台结构更加简单。为满足同振式矢量水听器使用时需处于自由悬浮状态，本发明设计中还采用了具有抗磁性的石墨球壳作为矢量水听器的安装平台，石墨球壳均匀地分布着许多圆孔，这样可以使水下声波信号能顺利作用在矢量水听器上。矢量水听器内部的永磁体与石墨之间存在的抗磁力，可以使矢量水听器稳定悬浮于石墨球壳的中心位置。根据磁阿基米德抗磁悬浮原理，磁介质的磁性能够影响磁场的大小，本发明中通过改变顺磁性金属离子溶液的摩尔密度来调节抗磁力大小，实现矢量水听器的最优悬挂。将石墨球壳外部采用透声聚氨酯材料包裹，可以保证充满磁性金属离子溶液石墨球壳的密封性。

本发明的矢量水听器，实际使用时可与任意工作平台连接。可以广泛应用于水声各领域，如构成拖曳阵、声纳浮标，用于低噪声运动目标的测量、目标定位等。

结合图1、图3，矢量水听器1由一对永磁体9、一维压电加速度计8、输出电缆5以及低密度复合材料7（密度低于水）组成。永磁体9安装在一维压电加速度计8的敏感轴方向的上下部分，两个永磁体9的磁极方向一致。采用低密度复合材料7将永磁体9与一维压电加速度计8灌封成球形的具有中性浮力的矢量水听器1。

将图2中的石墨球壳4均匀地打孔，将矢量水听器1放置于石墨球壳4内，采用聚氨酯透声层3与石墨球壳4密封成带孔石墨球体2，同时将顺磁性金属离子水溶液6注入密封石墨球体2中，并将输出电缆5输出在密封石墨球体2外部。

Claims (5)

1.一种同振式矢量水听器，包括两个永磁体、加速度传感器、输出电缆和石墨球壳，其特征在于：两个永磁体磁极方向一致，安装在加速度传感器敏感轴方向的上下两端，用环氧树脂与空心玻璃微珠混合物密封成中性浮力球形结构，悬浮于内部充满顺磁性金属离子溶液的石墨球壳中，石墨球壳用聚氨酯透声层包裹，加速度传感器的输出电缆从石墨球壳引出壳体。

2.根据权利要求1所述的一种同振式矢量水听器，其特征在于：所述石墨球壳表面均匀分布着圆孔。

3.根据权利要求1或2所述的一种同振式矢量水听器，其特征在于：所述的两个永磁体是圆盘形的永久磁铁。

4.根据权利要求1或2所述的一种同振式矢量水听器，其特征在于：所述的环氧树脂与空心玻璃微珠混合物的密度小于水密度。

5.根据权利要求1或2所述的一种同振式矢量水听器，其特征在于：所述的顺磁性金属离子溶液为顺磁性水盐溶液，包括硫酸铜、氯化锰、氯化钆水溶液。

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