CN103471700A - 复合式标矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合式标矢量水听器，其包括导流罩、振速水听器、弹簧、硅油、声压水听器、法兰盘和多路信号复用电路；振速水听器通过相同的四根正交相对的弹簧悬挂在导流罩的内壁上，四个平均分布的声压水听器通过法兰盘安装在导流罩内腔的底端，振速水听器的球心到四个声压水听器中心的距离相等，且这个距离等于相邻两个声压水听器之间的距离，导流罩的内腔充入硅油，多路信号复用电路用于接收四个声压水听器输出的信号并对其进行处理，生成矢量水听器声压信号和4路阵列信号并输出；本发明采机械结构上相互独立的振速水听器与若干个声压水听器作为分立模块，使振速水听器与声压水听器在空间排列上满足一定的关系组合成为复合式标矢量水听器。

Description

复合式标矢量水听器

技术领域

本发明涉及一种复合式标矢量水听器，应用于水下目标探测系统。 

背景技术

目前水下声学目标探测系统中使用的同振型矢量水听器，得到水下声场的声强信息由两部分信号构成——声压与质点振速，其声压（标量）与振速（矢量）通道的敏感元件封装在同一个结构组件上，零部件的检修与更换不便；而且由于自身尺寸大小的限制，接收信号波长必须大于矢量水听器自身尺度的6倍，那么在外形尺寸一定的情况下，其工作频段就相应集中在低频段，无法利用高频信号，工作带宽相对较窄。 

采用分立的振速水听器与若干个声压水听器，按照特定的空间分布规律组装起来，构成复合式标矢量水听器，其中，利用振速水听器获取水下声场的质点振速信息（矢量）；利用声压水听器感知水下声场的宽带声压信号（标量）。宽带声压信号采用多路复用的方法：一方面与振速水听器信号复合，可以得到水下声场的低频声强信息；另一方面，这些声压水听器构成声压水听器阵列，根据声压水听器阵列信号处理1/2声波波长理论，可以构成一个工作在高频段的标量阵。即，采用多个声压水听器按照特定的空间排列方式，与振速水听器组装成复合标矢量水听器，在功能上可以同时等效为一个低频的矢量水听器与一个高频标量水听器基阵。 

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种复合式标矢量水听器，针对整体式矢量水听 器分解拆卸不便、工作带宽窄的特点，采机械结构上相互独立的振速水听器与若干个声压水听器作为分立模块，使振速水听器与声压水听器在空间排列上满足一定的关系组合成为复合式标矢量水听器。 

一种复合式标矢量水听器，该水听器包括导流罩、振速水听器、弹簧、硅油、声压水听器、法兰盘和多路信号复用电路；其中导流罩是顶端封闭的玻璃钢圆筒； 

振速水听器通过相同的四根正交相对的弹簧悬挂在导流罩的内壁上，四个平均分布的声压水听器通过法兰盘安装在导流罩内腔的底端，振速水听器的球心到四个声压水听器中心的距离相等，且这个距离等于相邻两个声压水听器之间的距离，导流罩的内腔充入硅油，多路信号复用电路用于接收四个声压水听器输出的信号并对其进行处理，生成矢量水听器声压信号和4路阵列信号并输出。 

所述的多路信号复用电路包括四路放大电路和加法器，四路放大电路输出的声压信号通过加法器进行叠加得到矢量水听器声压信号； 

每路放大电路均包括运算放大器U2，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R9，发光二极管D1、D2，电容C1、C2、C3、C4和跟随器U1、U3； 

电阻R4一端接运算放大器U2的正相输入端，另一端接声压水听器，发光二极管D1、D2反向对接，一端接运算放大器U2的正相输入端，另一端接地，下拉电阻R6的两端分别连接运算放大器U2的正相输入端与地，电阻R3、电容C1并联后的一端接运算放大器U2的反向输入端，电阻R3、电容C1并联后的另一端分别接电阻R1、R2的一端，构成反馈网络，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端连接运算放大器U2的输出端； 

电容C2的一端连接运算放大器U2的输出端，另一端分别连接跟随器U1和跟随器U3的正向输入端，电阻R5的一端连接跟随器U1的正向输入端，另一端接地，电阻R9的一端连接跟随器U3的正向输入端，另一端接地，跟随器U1的反向输入端连接其输出端，跟随器U3的反向输入端连接其输出端，电容C3的一端连接跟随器U1的输出端，另一端连接外围设备，电容C4的一端连接跟随 器U3的输出端，另一端连接加法器的输入端。 

有益效果： 

本发明利用若干个声压水听器与振速水听器按照一定的空间分布规律，组装构成复合式标矢量水听器，并通过多路信号复用的方法，声压水听器一方面提供作为矢量水听器声强测量的声压标量信号；另一方面作为独立的标量水听器基阵的阵列信号，同时，声压水听器与振速水听器在结构上彼此都是独立的，安装结构上采取了分立模块组装的形式，拆卸和更换时互不干涉，能够为产品测试与维护带来便利。 

附图说明

图1为本发明复合式标矢量水听器安装结构示意图。 

图2为本发明四个声压水听器的安装俯视图。 

图3为本发明多路信号复用电路的原理图。 

其中，1-导流罩、2-振速水听器、3-弹簧、4-硅油、5-声压水听器、6-法兰盘 

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。 

如附图1所示，本发明提供了一种复合式标矢量水听器，该水听器包括导流罩1、振速水听器2、弹簧3、硅油4、声压水听器5和法兰盘6。 

其中，导流罩1是顶端封闭的玻璃钢圆筒，球形的振速水听器2通过相同的四根正交相对的弹簧3悬挂在玻璃钢导流罩1内壁上，四根弹簧3两两相对，达到拉力平衡状态；四个平均分布的圆管型声压水听器5通过螺纹紧固安装在法兰盘6上，四个声压水听器5处于同一个平面上，其中心间的连线可以构成一个正方形。球形的振速水听器2的球心到四个声压水听器5每个圆管中心的 距离相等，同时，这个距离近似相等于相邻两个声压水听器5之间的距离。在玻璃钢导流罩1中充入硅油4后，对于声波传输而言使得导流罩1内外的特性阻抗是匹配的，通过玻璃钢导流罩1与法兰盘6之间的螺纹完成两者之间的紧固联接。 

如附图2所示，四个声压水听器5安装在法兰盘6上，构成一个平面四元标量阵，相邻两个阵元之间的间距为d；而且由附图1中叙述可知，振速水听器2到每个声压水听器5的间距也为d，值得注意的是，这里所提到的间距，指的都是各水听器中心之间的距离。 

如附图3多路信号复用电路原理图所示，四路通道的电路结构、参数完全相同，以其中一路通道为例，如通道A，声压水听器A的输出信号进入由运算放大器AD745与阻容元件构成的正向放大器，信号得到放大后进入后级的双路跟随器，双路跟随器将信号分流为相同的两部分：一部分作为平面四元标量阵的其中一路阵列信号；另一部分声压信号A进入后级的加法器，与其他三个通道相同电路处理过的信号相加后，作为矢量水听器的声压信号。 

图中，电阻R4一端接U2运算放大器AD745的正相输入端，另一端接声压水听器A，电阻R4起到限流电阻的作用。发光二极管D1、D2反向对接，一端接AD745的正相输入端（管脚3），一端接地，起到输入保护的作用：当异常大信号输入时（大于0.7V），二极管D1、D2总有一个导通，将大信号旁路泄放掉，运算放大器AD745得到保护。下拉电阻R6的两端分别连接AD745的正相输入端与地，起到信号下拉与阻抗匹配的作用。电阻R3、电容C1并联后的一端接运算放大器AD745反向输入端（管脚2），起到调节运算放大器AD745直流失调电压与电流的作用，电阻R3、电容C1并联后的另一端分别接电阻R1、R2的一端，构成反馈网络，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端连接运算放 大器AD745的输出端。其中电阻R2是反馈电阻，电阻R1是限流电阻。电阻R1、R2的阻值决定了运算放大器AD745的反馈深度，从而决定正向放大器的放大倍数: 

放大倍数Au=1+R2/R1 

正向放大器输出信号进入后级两路结构与参数相同的跟随器，U1、U3跟随器采用的都是运算放大器AD820，电阻R5、R9的阻值相同，起到下拉电阻和阻抗匹配的作用。双路跟随器将输入信号平均分为两路特性相同的信号：其中一路称为阵列信号A，作为平面四元标量阵的其中一路阵列信号；另一路称之为声压信号A。同理，其他三个通道的电路结构参数与通道A完全相同，分别将对应的三路信号各自分离为阵列信号与声压信号。 

电容C2的一端连接运算放大器AD745的输出端，另一端分别连接跟随器U1和跟随器U3的正向输入端，电阻R5的一端连接跟随器U1的正向输入端，另一端接地，电阻R9的一端连接跟随器U3的正向输入端，另一端接地，跟随器U1的反向输入端连接其输出端，跟随器U3的反向输入端连接其输出端，电容C3的一端连接跟随器U1的输出端，另一端连接外围设备，作为阵列信号，电容C4的一端连接跟随器U3的输出端，另一端连接电阻R8的一端。 

后级加法器电路：电阻R8两端分别连接前级电路与后级U4运算放大器AD820的反向输入端，起到限流电阻的作用。电阻R7两端跨接在U4运算放大器AD820的反向输入端与输出端之间，起到限流电阻的作用，R11的一端接在运算放大器U4的正向输入端，另一端接地。与R8相同阻值的电阻R10、R12、R13，同样起到限流电阻的作用，加法器的作用是将四路信号相加。其传递函数为： 

(声压信号1+声压信号2+声压信号3+声压信号4) 

V_out就作为矢量水听器的声压信号。 

工作原理：复合式标矢量水听器布放入水后，水中的声波通过透射作用进入玻璃钢导流罩1与内部的硅油4中，作用于振速水听器与四个声压水听器2，其中水下声波引起的质点振动情况被振速水听器2所接收感知，即测量得到质点振速；水下声波引起的压力变化被声压水听器2感知，即测量得到声压信号，而声压信号被多路复用电路分流为两部分，其中一部分声压信号相加后与质点振速信号通过乘法器作为矢量水听器低频段的声强信号（声强为声压与振速的乘积），另一部分声压信号，作为平面四元阵信号处理的高频阵列信号，这样，在功能上能够同时利用水下声场信号的高、低两个频段信息，即该复合式标矢量水听器同时能够满足低频声强矢量信号接收与高频阵列信号接收的需求。 

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (2)

1.一种复合式标矢量水听器，其特征在于，该水听器包括导流罩（1）、振速水听器（2）、弹簧（3）、硅油（4）、声压水听器（5）、法兰盘（6）和多路信号复用电路；其中导流罩（1）是顶端封闭的玻璃钢圆筒；

振速水听器（2）通过相同的四根正交相对的弹簧（3）悬挂在导流罩（1）的内壁上，四个平均分布的声压水听器（5）通过法兰盘（6）安装在导流罩（1）内腔的底端，振速水听器（2）的球心到四个声压水听器（5）中心的距离相等，且这个距离等于相邻两个声压水听器（5）之间的距离，导流罩（1）的内腔充入硅油（4），多路信号复用电路用于接收四个声压水听器输出的信号并对其进行处理，生成矢量水听器声压信号和4路阵列信号并输出。

2.如权利要求1所述的复合式标矢量水听器，其特征在于，所述的多路信号复用电路包括四路放大电路和加法器，四路放大电路输出的声压信号通过加法器进行叠加得到矢量水听器声压信号；

每路放大电路均包括运算放大器U2，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R9，发光二极管D1、D2，电容C1、C2、C3、C4和跟随器U1、U3；

电阻R4一端接运算放大器U2的正相输入端，另一端接声压水听器（5），发光二极管D1、D2反向对接，一端接运算放大器U2的正相输入端，另一端接地，下拉电阻R6的两端分别连接运算放大器U2的正相输入端与地，电阻R3、电容C1并联后的一端接运算放大器U2的反向输入端，电阻R3、电容C1并联后的另一端分别接电阻R1、R2的一端，构成反馈网络，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端连接运算放大器U2的输出端；

电容C2的一端连接运算放大器U2的输出端，另一端分别连接跟随器U1和跟随器U3的正向输入端，电阻R5的一端连接跟随器U1的正向输入端，另一端接地，电阻R9的一端连接跟随器U3的正向输入端，另一端接地，跟随器U1的反向输入端连接其输出端，跟随器U3的反向输入端连接其输出端，电容C3的一端连接跟随器U1的输出端，另一端连接外围设备，电容C4的一端连接跟随器U3的输出端，另一端连接加法器的输入端。

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