CN102901558A - 三维压电陶瓷矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种三维压电陶瓷矢量水听器，解决了现有水听器一致性无法保证、抗干扰能力差等缺陷。本发明包括正立方体框架，正立方体框架的六个面上分别卡固有一个双叠片正方形弯曲振子；六个双叠片正方形弯曲振子两两分为X、Y、Z三路；正立方体框架内部填充有硬质泡沫立方体，硬质泡沫立方体设有内腔，内腔内安置有信号调理电路板；双叠片正方形弯曲振子通过电线与信号调理电路板连接，信号调理电路板连接防屏蔽水密电缆；正立方体框架整体外部灌封有球形聚氨酯。本发明水听器很好的抵消了由于矢量水听器安装在运动载体上引起的加速度干扰信号，提高了信噪比和抗干扰能力，一致性好，便于组阵。

Description

三维压电陶瓷矢量水听器

技术领域

本发明涉及水声探测领域的水声接收换能器，具体是一种三维压电陶瓷矢量水听器。

背景技术

目前各大高校、研究所争相研制的矢量水听器，虽说取得了很大的进步和一定的成果，但是普遍还存在一定的缺陷，如：灵敏度低，工作带宽窄，制作工艺复杂，成本高，一致性、可靠性无法保证，抗干扰能力差等，因此这些原因导致了矢量水听器在工程应用上受到了一定的制约。专利号为“200920087496.5”的中国专利公开了一种“三维同振型压电陶瓷矢量水听器”，该水听器首先由压电陶瓷为原材料做成三叠片弯曲压电陶瓷圆片振子，然后用振子做成加速度计，最后将该加速度计依据同振原理水声封装成水听器。专利号为“201120453980.2”的中国专利公开了“一种基于压电陶瓷的二维矢量水听器”，该水听器的敏感体是用一圆周四等分压电陶瓷圆管外加预应力螺栓构成的。上述两个专利中的水听器不仅结构复杂、制作难度大，而且信噪比不高、或是无法抗流噪声、或是无法抗高静水压，无法工程应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中存在的问题，而提供一种三维压电陶瓷矢量水听器。本发明矢量水听器的敏感体为双叠片正方形弯曲振子，最后经声学封装而成。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种三维压电陶瓷矢量水听器，包括正立方体框架，正立方体框架的六个面上分别卡固有一个双叠片正方形弯曲振子，每个双叠片正方形弯曲振子都是由两片相同的正方形压电陶瓷片并联粘结在一起组成的（两片压电陶瓷，以同性电极面粘结起来为串联，异性电极面粘结起来为并联；两片正方形压电陶瓷片采用并联连接可提高水听器的电容量）；六个双叠片正方形弯曲振子两两分为三路：前、后面的两个双叠片正方形弯曲振子为X路，左、右面的两个双叠片正方形弯曲振子为Y路，上、下面的两个双叠片正方形弯曲振子为Z路；六个双叠片正方形弯曲振子朝外的一面为同性电极面；正立方体框架的内部中空部分填充有硬质泡沫立方体，硬质泡沫立方体设有内腔，内腔中安置有信号调理电路板，内腔腔口上堵设硬质泡沫塞；每路的两个双叠片正方形弯曲振子朝外的一面分别焊接有一根电线且电线的另一端与信号调理电路板的输入端连接（每路的两个双叠片正方形弯曲振子朝外的一面为同性电极面，通过电线连接后即成串联，两个双叠片正方形弯曲振子串联设置可克服静水压，提高抗干扰能力，从而提高水听器的灵敏度），信号调理电路板的输出端连接防屏蔽水密电缆，每个双叠片正方形弯曲振子中的两片正方形压电陶瓷片的异性电极粘结面与信号调理电路板上的信号地端连接；正立方体框架整体外部灌封有球形聚氨酯，防屏蔽水密电缆的输出端置于球形聚氨酯外部（即：球形聚氨酯将整个正立方体框架及其内部的所有结构都包裹在内）。

本发明水听器可测得三维空间声信号，并输出X、Y、Z三路声信号，每路的两个双叠片正方形弯曲振子作为敏感体接收声信号，双叠片正方形弯曲振子将接收到的声信号通过电线传入到信号调理电路板（所述的信号调理电路板为现有水听器中常用的电路结构，为现有公知结构，其包括前置差分运算放大器、滤波器等，是本领域技术人员所熟知的电路结构）内，声信号经滤波等处理后连接防屏蔽水密电缆输出。

硬质泡沫立方体的特性阻抗与海水的特性阻抗相差甚远，隔音效果良好，而聚氨酯的特性阻抗与海水特性阻抗十分接近，透声性能良好。硬质泡沫的密度小，而正方形压电陶瓷片的致密度高，但本发明整个圆球水听器的平均密度为1.05g/cm³，在水中基本实现零浮力要求。信号调理电路板置于硬质泡沫立方体空腔内，既可以实现水听器的微型化，又可以防止信号调理电路板外置时导致声散射从而影响水听器的接收性能。

所述的双叠片正方形弯曲振子，是挑选两片相同的正方形压电陶瓷片，以异性电极面粘结起来，就构成并联的双叠片正方形弯曲振子。在挑选正方形压电陶瓷片时可以选取加速度响应一致性较好的正方形压电陶瓷片。双叠片正方形弯曲振子在两端支撑条件下无负载时的谐振频率为：

式中：L为边长，H为总厚度，为杨氏模量，为密度。

为了使双叠片正方形弯曲振子在声压下更好的起振，提高灵敏度，同时保证以上谐振频率的公式有效，双叠片正方形弯曲振子的边长L要远大于其厚度H，以保证双叠片正方形弯曲振子呈“片状”结构。

进一步地，焊接在双叠片正方形弯曲振子朝外的一面上的电线，其焊接位置位于双叠片正方形弯曲振子朝外一面的某一个角上且边长为0.224L的正方形区域内，即：焊接点位于正方形压电陶瓷片的某一直角上，该区域为一正方形区域，该区域的其中两直角边即为正方形压电陶瓷片的两相邻直角边，该正方形区域的边长为0.224L。该区域内双叠片正方形弯曲振子的震动幅度不大，所焊接的电线不容易脱落，提高了水听器的可靠性。

进一步地，所述正方形压电陶瓷片采用接收型锆钛酸铅PZT。

本发明水听器结构合理，制作工艺简单，成本低，工作频带宽，可靠性高。本发明水听器很好的抵消了由于矢量水听器安装在运动载体上引起的加速度干扰信号，提高了信噪比、灵敏度和抗干扰能力，一致性好，便于组阵。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中双叠片正方形弯曲振子主视图。

图3为图2中的A-A剖视图。

图4为本发明的电气连接示意图。

图5为本发明的电气连接示意详图。

图中：1-正立方体框架、2-双叠片正方形弯曲振子、3-正方形压电陶瓷片、4-硬质泡沫立方体、5-内腔、6-信号调理电路板、7-硬质泡沫塞、8-电线、9-防屏蔽水密电缆、10-球形聚氨酯。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步地描述：

如图1至图5所示，一种三维压电陶瓷矢量水听器，包括正立方体框架1，正立方体框架1的六个面上分别卡固有一个双叠片正方形弯曲振子2，每个双叠片正方形弯曲振子2都是由两片相同的正方形压电陶瓷片3并联粘结在一起组成的；六个双叠片正方形弯曲振子2两两分为三路：前、后面的两个双叠片正方形弯曲振子2为X路，左、右面的两个双叠片正方形弯曲振子2为Y路，上、下面的两个双叠片正方形弯曲振子2为Z路；六个双叠片正方形弯曲振子2朝外的一面为同性电极面；正立方体框架1的内部中空部分填充有硬质泡沫立方体4，硬质泡沫立方体4设有内腔5，内腔5中安置有信号调理电路板6，内腔5腔口上堵设硬质泡沫塞7；每路的两个双叠片正方形弯曲振子2朝外的一面分别焊接有一根电线8且电线8的另一端都与信号调理电路板6的输入端连接，信号调理电路板6的输出端连接防屏蔽水密电缆9，每个双叠片正方形弯曲振子2中的两片正方形压电陶瓷片3的异性电极粘结面与信号调理电路板6上的信号地端连接；正立方体框架1整体外部灌封有球形聚氨酯10，防屏蔽水密电缆9的输出端置于球形聚氨酯10外部。

在具体实施时，为保证双叠片正方形弯曲振子2可以很好地振动，双叠片正方形弯曲振子2的边长L要远大于其总厚度H的3.5倍，即：L＞＞3.5H;电线8的焊接位置位于所述双叠片正方形弯曲振子2朝外一面的某一个角上且边长为0.224L的正方形区域内；所述的组成双叠片正方形弯曲振子2的正方形压电陶瓷片3采用接收型锆钛酸铅PZT；正立方体框架1采用铝质框架。

Claims (3)

1.一种三维压电陶瓷矢量水听器，其特征在于：包括正立方体框架（1），正立方体框架（1）的六个面上分别卡固有一个双叠片正方形弯曲振子（2），每个双叠片正方形弯曲振子（2）都是由两片相同的正方形压电陶瓷片（3）并联粘结在一起组成的；六个双叠片正方形弯曲振子（2）两两分为三路：前、后面的两个双叠片正方形弯曲振子（2）为X路，左、右面的两个双叠片正方形弯曲振子（2）为Y路，上、下面的两个双叠片正方形弯曲振子（2）为Z路；六个双叠片正方形弯曲振子（2）朝外的一面为同性电极面；正立方体框架（1）的内部中空部分填充有硬质泡沫立方体（4），硬质泡沫立方体（4）设有内腔（5），内腔（5）中安置有信号调理电路板（6），内腔（5）腔口上堵设硬质泡沫塞（7）；每路的两个双叠片正方形弯曲振子（2）朝外的一面分别焊接有一根电线（8）且电线（8）的另一端与信号调理电路板（6）的输入端连接，信号调理电路板（6）的输出端连接防屏蔽水密电缆（9），每个双叠片正方形弯曲振子（2）中的两片正方形压电陶瓷片（3）的异性电极粘结面与信号调理电路板（6）上的信号地端连接；正立方体框架（1）整体外部灌封有球形聚氨酯（10），防屏蔽水密电缆（9）的输出端置于球形聚氨酯（10）外部。

2.根据权利要求1所述的三维压电陶瓷矢量水听器，其特征在于：焊接在双叠片正方形弯曲振子（2）朝外的一面上的电线（8），其焊接位置位于双叠片正方形弯曲振子（2）朝外一面的某一个角上且边长为0.224L的正方形区域内。

3.根据权利要求1或2所述的三维压电陶瓷矢量水听器，其特征在于：所述的组成双叠片正方形弯曲振子（2）的正方形压电陶瓷片（3）采用接收型锆钛酸铅PZT。

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