CN103152666B - 三维圆环体形矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维圆环体形矢量水听器。包括一只中性浮力圆环体，弹性元件，悬挂环以及刚性支柱；用弹性元件和悬挂环实现中性浮力圆环体与刚性支柱之间的中心固定方式的柔性连接。本发明突破了原有同振式矢量水听器一般必须是球形或柱形的限制，能够准确地获取水下声矢量信号，具有小尺寸、高灵敏度、使用灵活等优点。

Description

三维圆环体形矢量水听器

技术领域

本发明涉及一种矢量水听器，具体地说是一种具有圆环体形结构的三维同振式矢量水听器。

背景技术

矢量水听器技术开始于上个世纪40年代，经过70多年的发展，已出现了各式各样的矢量水听器，广泛地应用于水声各个领域。然而对于同振式矢量水听器来说，虽然其内部敏感元件或原理多种多样，但声接收的原理却是不变的，所以就导致了同振型的矢量水听器基本上只有球形或柱形结构。如俄罗斯基于三维球形矢量水听器的低噪声测量系统CTAC-429，美国海军在DIFAR定向浮标系统中使用二维柱形复合矢量水听器作为声接收器。

同振式矢量水听器除了球形和柱形外还有呈圆盘状的，见专利“电容式同振矢量水听器及其工艺”（ZL200510127318.7）。但是这种矢量水听器只能用于一维声接收，工程应用非常有限。

近年来，结合球体和圆柱体的结构特点，国内外研制出了一种具有“胶囊”形结构的复合矢量水听器。如美国Wilcoxon公司研制TV-001型矢量水听器，见专利US2006044938A1，以及论文A miniature vector sensor for line array applications（IEEE Oceans 2003Proceeding，2003(5)：2367-2370P）。在国内，哈尔滨工程大学于2009前后也研制成功了类似的三维复合矢量水听器，见论文“中频三轴向矢量水听器的研究”（振动与冲击，2011第30卷第3期），这种矢量水听器具有体积小、灵敏度高、噪声低的特点。

本发明中的圆环体形矢量水听器，在结构上不同于以往任何一种矢量水听器，而且具高灵敏度、使用空间小、成阵灵活等优点。目前关于这种新型结构的矢量水听器，国内外尚无公开发表的资料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有圆环体外形，制作工艺简单，能够方便快捷地实现三维水声测量的三维圆环体形矢量水听器。

本发明的目的是这样实现的：

包括一只中性浮力圆环体，弹性元件，悬挂环以及刚性支柱；用弹性元件和悬挂环实现中性浮力圆环体与刚性支柱之间的中心固定方式的柔性连接。

本发明还包括：

1.所述中性浮力圆环体采用低密度复合材料灌封制成，内部嵌有四只加速度计，并且内部嵌入不锈钢龙骨和肋骨结构。

2.所述的龙骨结构上有四个通孔，用于和弹性元件相连接。

3.所述加速度计具有三个轴向，相互正交对称放置于中性浮力体内构成矢量通道。

4.所述弹性元件为橡皮筋或拉伸弹簧。

5.所述悬挂环壁面上开有螺纹孔和通孔，分别用于连接刚性支柱和弹性元件。

6.所述的刚性支柱上有定位凹槽，用于固定悬挂环。

本发明中，圆环体结构可以看成是的圆柱体结构的衍变，理论依据仍采用同振柱形矢量水听器的设计理论，即在声场中，当声学刚性柱体的几何尺寸远远小于波长（即kl<<1，k是波数，l是刚性柱体的最大线性尺寸），且其密度和水相同时，则刚性柱将和声波作等幅同相振动，关系如下

$V=\frac{{2\mathrm{\&rho;}}_0}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}+{\mathrm{\&rho;}}_0}{V}_0---\left(1\right)$

式(1)中：是刚性柱体的平均密度，ρ₀是水介质的密度，V和V₀分别对应柱体和水质点的振速幅值。

中性浮力圆环体在声波作用下振动，加速计感受振动并输出电信号，信号幅值正比于声质点振速幅值V₀。设每只加速度计的输出分别为a_ix，a_iy，a_iz（i＝1,2,3,4），则矢量水听器各通道的输出分别为

a_x＝(a_1x-a_3x)-(a_4x-a_2x)

a_y＝(a_2y-a_4y)-(a_3y-a_1y)   (2)

a_z＝(a_1z-a_2z)-(a_4z-a_3z)

从式(2)中可以看出，矢量水听器每个通道的输出都由四只加速度计两次差分运算得到，这种方法可以有效地降低噪声，提高矢量水听器的接收信噪比水平。另外，当选用同种型号的加速度计时，可以实现接收信号的四倍增益，即矢量水听器接收灵敏度提高12dB（0dB参考值1V/μPa），在较大程度上增强了矢量水听器的检测能力。

在本发明中，矢量水听器依靠挂环与刚性支柱实现弹性连接，所以使得本发明在矢量水听器阵列中有着独特的优势，即阵元间距现场可调。一般直线阵中，阵元间距通常选为半波长，当使用本发明中的矢量水听器时，由于多只矢量水听器均连接到同一根长刚性支柱上，所以互相之间的距离可以任意调整，可以进行多频点的实验。

本发明的优点是：结构新颖，整体占用空间小，通道灵敏度高，具有较好的三维空间余弦指向性，成阵技术灵活性高，可广泛应用于水声各领域。

附图说明

图1是本发明中矢量水听器的结构简图；

图2是本发明中矢量水听器结构的俯视图；

图3是本发明中的加速度计的安装示意图；

图4是本发明中矢量水听器的悬挂结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明专利的具体实施方法：

首先如图1和图2，先将加工好的龙骨12和肋骨11固定在模具中，使肋骨11均匀分布在整个模具槽内。再将加速度计13粘在定位片14上，将两者一起悬在模具槽中并固定好，确保加速度计13处于环形槽的中心位置（一般放置于某个环形肋骨11内或弹簧挂孔121附近），如图3所示。最后灌入低密度复合材料15，经烘干脱模后即形成中性浮力圆环体形矢量水听器1。此过程中，应注意四只加速度计的三个轴向应与式(2)以及图2所描述的一致，各加速度计的输出信号经过两次差分运算，最后得到矢量水听器的输出。

矢量水听器装配时，挂环4通过螺钉及其自带的螺纹孔42固定在刚性支柱2上，弹性元件3穿过弹簧挂孔Ⅰ121和弹簧挂孔Ⅱ41，实现中性浮力圆环体1与刚性支柱2的柔性连接。

实际中，为加强中性浮力圆环体1、刚性支柱2以及弹性元件3组成的振动系统的稳定性和空间对称性，一般可以使用多只弹性元件（比如说八只），上下分为对称的两组，如图4所示。此外弹性元件与刚性支柱2的夹角要适中，一般为45°。

Claims (8)

1.一种三维圆环体形矢量水听器，其特征是：包括一只中性浮力圆环体，弹性元件，悬挂环以及刚性支柱；悬挂环(4)通过螺钉及其自带的螺纹孔(42)固定在刚性支柱(2)上，弹性元件(3)穿过弹簧挂孔Ⅰ(121)和弹簧挂孔Ⅱ(41)，实现中性浮力圆环体(1)与刚性支柱(2)的柔性连接；中性浮力圆环体内部嵌有加速度计。

2.根据权利要求1所述的三维圆环体形矢量水听器，其特征是：所述中性浮力圆环体采用低密度复合材料灌封制成，内部嵌有四只加速度计，并且内部嵌入不锈钢龙骨和肋骨结构。

3.根据权利要求2所述的三维圆环体形矢量水听器，其特征是：所述的不锈钢龙骨结构上有四个通孔，用于和弹性元件相连接。

4.根据权利要求2或3所述的三维圆环体形矢量水听器，其特征是：所述加速度计具有三个轴向，相互正交对称放置于中性浮力体内构成矢量通道。

5.根据权利要求1或2或3所述的三维圆环体形矢量水听器，其特征是：所述弹性元件为橡皮筋或拉伸弹簧。

6.根据权利要求4所述的三维圆环体形矢量水听器，其特征是：所述弹性元件为橡皮筋或拉伸弹簧。

7.根据权利要求1或2或3所述的三维圆环体形矢量水听器，其特征是：所述的刚性支柱上有定位凹槽，用于固定悬挂环。

8.根据权利要求4所述的三维圆环体形矢量水听器，其特征是：所述的刚性支柱上有定位凹槽，用于固定悬挂环。