CN102944297A - 基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器 - Google Patents

基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器 Download PDF

Info

Publication number
CN102944297A
CN102944297A CN201210406711XA CN201210406711A CN102944297A CN 102944297 A CN102944297 A CN 102944297A CN 201210406711X A CN201210406711X A CN 201210406711XA CN 201210406711 A CN201210406711 A CN 201210406711A CN 102944297 A CN102944297 A CN 102944297A
Authority
CN
China
Prior art keywords
entrant sound
hydrophone
responsive
sound cap
support body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201210406711XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN102944297B (zh
Inventor
张文栋
张国军
刘林仙
赵鹏
薛晨阳
熊继军
刘宏
薛南
陈桂英
李振
申辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North University of China
Original Assignee
North University of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North University of China filed Critical North University of China
Priority to CN201210406711.XA priority Critical patent/CN102944297B/zh
Publication of CN102944297A publication Critical patent/CN102944297A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102944297B publication Critical patent/CN102944297B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明为一种基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器，解决了现有水听器频响范围较窄、频响曲线波动较大等问题。本发明水听器内置信号处理电路板的金属管壳，金属管壳顶面设有芯片减振支撑体，芯片减振支撑体上设有四梁敏感微结构和敏感柱体，透声帽固定在金属管壳上，四梁敏感微结构、敏感柱体及芯片减振支撑体封装在透声帽内，透声帽内充满介质硅油。本发明水听器从透声帽材料方面进行了改进，选用玻璃钢材料代替现有的聚氨酯材料，在不影响矢量水听器灵敏度的情况下，拓宽了水听器频带，改善了其频响，极大地提高了水听器的性能指标，具有良好应用前景。

Description

基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器
技术领域
本发明涉及MEMS仿生矢量水听器，具体是一种基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器。
背景技术
近年来，在水声测量系统中，矢量水听器的采用使系统的抗干扰能力和线谱检测能力获得提高，因此矢量水听器的研究工作受到国内外研究者的极大重视。专利号为200810079372.0的中国发明专利“微纳仿生矢量水声传感器的封装结构”，介绍的MEMS矢量水听器的封装采用的是聚氨酯透声帽，其带宽响应较窄(40Hz-800Hz)，水听器的频响曲线波动比较大，不够平坦，阻碍了其进一步的工程化应用。分析其原因，是因为聚氨酯透声帽的弹性模量较低，各种特性叠加到了MEMS 水听器芯片的固有特性之上，造成实测结果与设计预期结果偏差较大。因此，是否可以通过对现有仿生水听器进行改进，在不损失灵敏度的前提下，尽量拓宽水听器的频带，改善水听器的频响就显得极为重要了。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有水听器频响范围较窄（40Hz-800Hz）、频响曲线波动较大等问题，而提供一种基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器。本发明水听器的封装结构中的透声帽采用玻璃钢材质，解决了水听器频带窄，频响曲线起伏较大的问题，提高了水听器的水声探测性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器，包括四梁敏感微结构（四梁敏感微结构为公知结构，其包括一个支撑框体，支撑框体中心处设有一个质量块，质量的四边分别通过一根弹性梁与支撑框体固定，敏感柱体粘结固定在质量块的中心面）、芯片减振支撑体、金属管壳及透声帽；芯片减振支撑体固定于金属管壳顶面中心处；四梁敏感微结构卡固在开设于芯片减振支撑体上表面中心处的卡槽内；四梁敏感微结构的质量块中心面上垂直粘结固定有敏感柱体；透声帽为一端敞口、另一端封闭的形如杯状的空心圆柱体，透声帽的敞口端密封固定在金属管壳上，芯片减振支撑体、四梁敏感微结构及敏感柱体被封装在透声帽内，并且透声帽内充满有绝缘介质硅油且保证无气泡；金属管壳内安置有信号处理电路板，信号处理电路板的一端通过导线与四梁敏感微结构连接、另一端通过导线与设在金属管壳底部端口的输出电缆连接；透声帽、敏感柱体、四梁敏感微结构、芯片减振支撑体及金属管壳均位于同一轴线上；所述的透声帽是由玻璃钢材料制成的。
由于玻璃钢有透声性能好，强度高，耐海水腐蚀，成型方便，造价低等优点，本发明中选用玻璃钢材料代替聚氨酯材料制作透声帽。玻璃钢透声帽封装结构的尺寸设计必须保证透声帽与金属管壳无缝隙地牢固结合，以提高水听器的抗压性、抗冲击性和可靠性。同时，玻璃钢透声帽的尺寸应该根据水听器小型化的原则，结合四梁敏感微结构的尺寸，要保证玻璃钢透声帽内部结构紧凑。
选用玻璃钢材料代替聚氨酯制作透声帽，在50Hz-3000Hz的频率范围内，玻璃钢透声帽水听器的接收灵敏度曲线较平坦，且玻璃钢透声性能好，基本不损失灵敏度。
为了对比透声帽材料改进对水听器灵敏度和频响的影响，体现玻璃钢透声帽封装的优越性，我们利用声学仿真软件virtual.lab对图3所示透声帽内外声场进行仿真，在仿真中需要建立声场，我们所关心的是流体（介质硅油）与结构（透声帽）的相互作用。海水、硅油、玻璃钢、聚氨酯的材料属性如表1所示：
表1各种透声材料与海水、硅油声学特性对比
Figure 201210406711X100002DEST_PATH_IMAGE001
具体仿真过程如下：用ANSYS 软件建立了水听器透声帽、透声帽内硅油与透声帽外海水的有限元三维模型，导入声学仿真软件Virtual.lab；在透声帽内的硅油和透声帽外的海水里分别定义A、B两个场点，定义声源强度为1Pa，如图2所示；对不同材料的透声帽-硅油结构进行耦合仿真，读出其前四阶耦合模态，如图3所示；提取透声帽内外场点的声压值（仿真频率范围50Hz-3000Hz），仿真结果如图4、5所示。
由图4可看出：当声源频率为50Hz-1000Hz时，声波通过聚氨酯透声帽后，透声帽内A场点的声压值曲线较平坦；当声源频率为1000Hz-3000Hz时，透声帽内A场点的声压值有许多谐振峰，这是聚氨酯透声帽和内腔液体谐振造成的（由图3可知，聚氨酯的共振频率为875.3Hz）。因此，在水听器感兴趣的频率范围（50Hz-3000Hz），聚氨酯透声帽内场点声压值起伏大，即水听器灵敏度曲线不平坦。
由图5可看出，在50Hz-3000Hz，玻璃钢透声帽内A场点的声压曲线没有谐振峰，曲线较平坦。分析其原因，当声源频率为50Hz-3000Hz时，水听器接收的声源频率远小于玻璃钢材料的共振频率13KHz，玻璃钢透声帽和内腔液体没有发生谐振，所以曲线较平坦。因此，在水听器感兴趣的频率范围（50Hz-3000Hz），玻璃钢透声帽内场点声压值基本不变，即水听器灵敏度曲线较平坦。
同时从图4和图5中可看出，用玻璃钢做透声帽材料时比聚氨酯做透声帽材料时A点的声压值要稍微小点，但减小值不超过2dB，也就是说是用玻璃钢透声帽基本不会损失水听器灵敏度。
在制作MEMS矢量水听器的过程中，我们希望在不损失灵敏度的前提下，尽量拓宽水听器的频带，改善水听器的频响。在50Hz-3000Hz的频率范围内，玻璃钢透声帽水听器的接收灵敏度曲线较平坦，且玻璃钢透声性能好，基本不损失灵敏度。同时兼顾工作频带和灵敏度，因此，选用玻璃钢材料代替聚氨酯制作透声帽。
对本发明的水听器进行灵敏度和指向性校准测试，图6为水听器频响曲线；图7和图8分别为测试频率为80Hz和1250Hz时，水听器指向性图。测试结果表明：本发明水听器接收灵敏度达到-177dB（0dB参考值1V/μPa），频响范围为40Hz-2000Hz，频响曲线平坦，在频率响应范围内灵敏度起伏
Figure 201210406711X100002DEST_PATH_IMAGE003
2dB。具有很好的“8”字型指向性，凹点深度达到了38.4dB，且指向性曲线平滑，抗冲击能力和可靠性较之前也有了较大提高。
本发明针对现有MEMS矢量水听器的封装结构，从透声帽材料方面进行了改进。通过改用透声性能好、弹性模量高、耐海水腐蚀的玻璃钢材料代替聚氨酯材料制作透声帽，在不影响矢量水听器灵敏度的情况下，拓宽了水听器频带，改善了水听器的频响，极大地提高了水听器的性能指标，具有良好应用前景。
附图说明
图1为本发明矢量水听器的结构示意图。
图2为本发明矢量水听器的Virtual.lab仿真模型图。
图3为矢量水听器采用不同材料透声帽的前四阶耦合模态图。
图4为采用聚氨酯透声帽的矢量水听器在A、B场点的声压响应曲线。
图5为采用玻璃钢透声帽的矢量水听器在A、B场点的声压响应曲线。
图6为本发明矢量水听器的频响曲线。
图7为测试频率为80Hz时，本发明矢量水听器X方向指向图。
图8为测试频率为1250Hz时，本发明矢量水听器X方向指向图。
图中：1-四梁敏感微结构、2-芯片减振支撑体、3-金属管壳、4-敏感柱体、5-透声帽、6-介质硅油、7-信号处理电路板、8-导线、9-输出电缆、10-海水。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器，包括四梁敏感微结构1、芯片减振支撑体2、金属管壳3及透声帽5；芯片减振支撑体2固定于金属管壳3顶面中心处；四梁敏感微结构1卡固在开设于芯片减振支撑体2上表面中心处的卡槽内；四梁敏感微结构1的质量块上垂直粘结固定有敏感柱体4；透声帽5为一端敞口、另一端封闭的形如杯状的空心圆柱体，透声帽5的敞口端密封固定在金属管壳3上，芯片减振支撑体2、四梁敏感微结构1及敏感柱体4被封装在透声帽5内，并且透声帽5内充满有介质硅油6；金属管壳3内安置有信号处理电路板7，信号处理电路板7的一端通过导线8与四梁敏感微结构1连接、另一端通过导线8与设在金属管壳3底部端口的输出电缆9连接；透声帽5、敏感柱体4、四梁敏感微结构1、芯片减振支撑体2及金属管壳3均位于同一轴线上；所述的透声帽5是由玻璃钢材料制成的。
具体实施时，本发明矢量水听器的透声帽5的具体尺寸为：外径34mm、内径30mm、外部高度24mm、内部高度22mm、壁厚2mm。

Claims (1)

1.一种基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器，包括四梁敏感微结构（1）、芯片减振支撑体（2）、金属管壳（3）及透声帽（5）；芯片减振支撑体（2）固定于金属管壳（3）顶面中心处；四梁敏感微结构（1）卡固在开设于芯片减振支撑体（2）上表面中心处的卡槽内；四梁敏感微结构（1）的质量块中心面上垂直粘结固定有敏感柱体（4）；透声帽（5）为一端敞口、另一端封闭的形如杯状的空心圆柱体，透声帽（5）的敞口端密封固定在金属管壳（3）顶面上，芯片减振支撑体（2）、四梁敏感微结构（1）及敏感柱体（4）被封装在透声帽（5）内，并且透声帽（5）内充满有介质硅油（6）；金属管壳（3）内安置有信号处理电路板（7），信号处理电路板（7）的一端通过导线（8）与四梁敏感微结构（1）连接、另一端通过导线（8）与设在金属管壳（3）底部端口的输出电缆（9）连接；透声帽（5）、敏感柱体（4）、四梁敏感微结构（1）、芯片减振支撑体（2）及金属管壳（3）均位于同一轴线上；其特征在于：所述的透声帽（5）是由玻璃钢制成的。
CN201210406711.XA 2012-10-23 2012-10-23 基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器 Active CN102944297B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210406711.XA CN102944297B (zh) 2012-10-23 2012-10-23 基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210406711.XA CN102944297B (zh) 2012-10-23 2012-10-23 基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102944297A true CN102944297A (zh) 2013-02-27
CN102944297B CN102944297B (zh) 2016-03-23

Family

ID=47727261

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210406711.XA Active CN102944297B (zh) 2012-10-23 2012-10-23 基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102944297B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103557926A (zh) * 2013-10-26 2014-02-05 中北大学 基于丁腈橡胶帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器
CN103808403A (zh) * 2014-02-26 2014-05-21 中北大学 适用于深水的纳机电矢量水听器
CN103879035A (zh) * 2014-03-31 2014-06-25 海鹰企业集团有限责任公司 基于复合结构的水声换能器透声保护装置
CN106768263A (zh) * 2017-03-31 2017-05-31 中国计量大学 具有双圆柱增敏结构的mems矢量水听器
CN109579975A (zh) * 2018-12-19 2019-04-05 中北大学 X、y方向振动抑制的压阻式三维矢量水听器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201025488Y (zh) * 2006-11-09 2008-02-20 中国舰船研究设计中心 复合型声呐导流罩壳板
CN101441077A (zh) * 2007-11-20 2009-05-27 中国船舶重工集团公司第七一○研究所 一种内波测量系统
CN102620814A (zh) * 2012-03-30 2012-08-01 中北大学 Mems仿生矢量水听器的桔瓣式封装结构

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201025488Y (zh) * 2006-11-09 2008-02-20 中国舰船研究设计中心 复合型声呐导流罩壳板
CN101441077A (zh) * 2007-11-20 2009-05-27 中国船舶重工集团公司第七一○研究所 一种内波测量系统
CN102620814A (zh) * 2012-03-30 2012-08-01 中北大学 Mems仿生矢量水听器的桔瓣式封装结构

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘林仙等: "一种MEMS同振柱形仿生矢量水听器的研制", 《传感技术学报》, vol. 25, no. 4, 30 April 2012 (2012-04-30) *
张民强等: "抗流激自噪声布设系统", 《海洋技术》, 31 December 1983 (1983-12-31) *
杨洪忠等: "玻璃钢透声压力容器的研究", 《玻璃钢/复合材料》, no. 3, 31 May 2002 (2002-05-31) *
马满珍等: "聚酯玻璃钢导流罩的研制", 《工程塑料应用》, no. 2, 31 December 1986 (1986-12-31) *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103557926A (zh) * 2013-10-26 2014-02-05 中北大学 基于丁腈橡胶帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器
CN103557926B (zh) * 2013-10-26 2016-04-13 中北大学 基于丁腈橡胶帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器
CN103808403A (zh) * 2014-02-26 2014-05-21 中北大学 适用于深水的纳机电矢量水听器
CN103808403B (zh) * 2014-02-26 2015-10-07 中北大学 适用于深水的纳机电矢量水听器
CN103879035A (zh) * 2014-03-31 2014-06-25 海鹰企业集团有限责任公司 基于复合结构的水声换能器透声保护装置
CN106768263A (zh) * 2017-03-31 2017-05-31 中国计量大学 具有双圆柱增敏结构的mems矢量水听器
CN109579975A (zh) * 2018-12-19 2019-04-05 中北大学 X、y方向振动抑制的压阻式三维矢量水听器

Also Published As

Publication number Publication date
CN102944297B (zh) 2016-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102944297A (zh) 基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器
CN101514919B (zh) 微机电矢量水听器
CN107631790B (zh) 一种光纤激光水听器及其制备方法
CN103808403B (zh) 适用于深水的纳机电矢量水听器
CN105067100A (zh) 中性浮力式mems矢量水听器
CN103021396A (zh) 一种具有超低后向辐射的深水宽带换能器
CN102620814B (zh) Mems仿生矢量水听器的桔瓣式封装结构
CN104330470A (zh) 基于saw传感器的检测装置
Linxian et al. Package optimization of the cilium-type MEMS bionic vector hydrophone
CN103528663B (zh) 具有隔振功能的mems矢量水听器封装结构
CN103557926B (zh) 基于丁腈橡胶帽封装的高灵敏度宽量程仿生水听器
CN102647657A (zh) 单片集成mems压阻超声传感器
CN102393245A (zh) 双层封装式硅微抗噪仿生矢量水听器
CN102607694B (zh) 一种用于t形敏感体矢量水听器的封装结构
Geng et al. Design and fabrication of hollow mushroom-like cilia MEMS vector hydrophone
CN102506990A (zh) 二维同振柱形仿生矢量水听器
CN102006535B (zh) 矢量水听器用封装结构
CN105181118A (zh) 仿海豹胡须的宽频带mems矢量水听器
Zhang et al. Research on the nested package structure of a MEMS vector hydrophone
CN101986723B (zh) 压差麦克风测试系统及测试方法
CN208458808U (zh) 一种采用椭圆球立体聚焦的超声波燃气表反射流道
CN112954578B (zh) 一种振动平衡型低噪声深海水听器及其制造方法
CN105319530A (zh) 基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的声头装置
CN101634587B (zh) 三维同振夹心式水声接收器
CN203929212U (zh) 水下质点振速拾振器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant