CN104048743B - 水下质点振速拾振器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供水下质点振速拾振器，其特征是：包括振动传感器、壳体、悬置安装件、弹性材料、基座、电缆头，所述壳体为由第一聚氨酯半球壳体和第二聚氨酯半球壳体组成的球体，球体里灌有弹性材料，第一聚氨酯半球壳体的下平面和第二聚氨酯半球壳体的上平面以及第二聚氨酯半球壳体的球面上均设置有定位孔，悬置安装件通过定位孔固定在球体里，振动传感器通过悬置安装件固定在球体的球心处，第一聚氨酯半球壳体的球面上设置螺纹孔，基座通过螺纹孔与第一聚氨酯半球壳体相连，电缆头安装在基座上。本发明频带较宽，可以在20‑20000Hz范围内高质量的获取水下声场的矢量信息，结构尺寸可以根据实际工程需要加以调整。

Description

水下质点振速拾振器

技术领域

本发明涉及的是一种水下声信号接收器。

背景技术

水下接收器，通常称作水听器，它可以接收到在水下声场中传播的声信号。根据接收到的声信号不同可以分为声压水听器和矢量水听器，声压水听器能够获取水下声场中传播的声压信号；矢量水听器能够获取水下声场中传播的矢量信号，包括质点位移、加速度、速度以及声压梯度等信号。

传统的矢量水听器根据工作机理不同，分为压差式和同振式两种类型，国内外的水声领域对其研究的历史已有几十年，目前已经有了很多成功的应用。压差式矢量水听器应用比较经典的例子如Kam W.Ng在1991年的美国专利NO.4982375中利用两个声压探头组成了一个声强探测器，其模型是基于压力梯度与振速之间的关系而设计的。压差式矢量水听器本身存在其固有的劣势和缺点：由于其结构尺寸是固定不变的，所以其测量的频带范围相对较窄；同时其灵敏度也相对较低。

同振式矢量水听器是目前比较流行的设计模型，相比与压差式矢量水听器其具有更高的低频灵敏度、更理想的低频余弦指向特性和小巧的体积、较轻的质量(在水下基本呈中性浮力)，因此在水声工程各个方面得到广泛的应用。同振式矢量水听器的设计依据是水下刚性球的自由振动理论：当声学刚性球的几何尺寸远小于声波波长，即ka远小于1(k为波数，a为球体的最大线性尺寸)，则其振动速度的幅值V₀与声场中球心处水质点的振动速度幅值V₀之间的关系为

$\frac{V_s}{V_0}=\frac{3{\mathrm{\ρ}}_0}{2{\mathrm{\ρ}}_s+{\mathrm{\ρ}}_0}{V}_0$

式中ρ_s和ρ₀分别为球体和水介质的密度

最早期的应用例如美国海军研究实验室研制成功的SV1和SV2型号的振速传感器；比较成熟的应用例如Thomas B.Gabrielson在1995年的美国专利NO.5392258中利用了一个地震检波器和一个声压水听器组成了一个声强探测器，其结构整体为中性浮力状态，可以检测水下某一平面内的声压与质点振速信息。近些年来为了降低早期同振式矢量水听器的悬挂系统带来的振动干扰，很多学者在其外部工作平台上做出很多改进，例如Benjamin A.Cary在美国专利NO.6370084中用橡胶材料来代替弹簧原件，让水听器工作在其内部；又如Nathan K.Naluai在美国专利NO.7536913中采用了内部固定安装的方式，将敏感元件安置在中心的四周。虽然这些设计在结构上有所改进，但是其工作状态为了满足其工作机理必须控制其整体结构的密度要与水相同，而且必须水听器本身要满足声学刚性条件，否则会对其测量信号的幅值与相位的准确性产生影响。

综上所述，基于两种传统工作机理的矢量水听器都存在其固有的缺点和限制，想要在根本上解决这些问题，需要在矢量水听器的工作机理上实现突破。

发明内容

本发明的目的在于提供水下一维空间方向上获取声场质点振速信息，在20-20000Hz频率范围内工作的水下质点振速拾振器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明水下质点振速拾振器，其特征是：包括振动传感器、壳体、悬置安装件、弹性材料、基座、电缆头，所述壳体为由第一聚氨酯半球壳体和第二聚氨酯半球壳体组成的球体，球体里灌有弹性材料，第一聚氨酯半球壳体的下平面和第二聚氨酯半球壳体的上平面以及第二聚氨酯半球壳体的球面上均设置有定位孔，悬置安装件通过定位孔固定在球体里，振动传感器通过悬置安装件固定在球体的球心处，第一聚氨酯半球壳体的球面上设置螺纹孔，基座通过螺纹孔与第一聚氨酯半球壳体相连，电缆头安装在基座上。

本发明还可以包括：

1、所述振动传感器包括铝质外壳、压电陶瓷、铜质垫片，铝质外壳里设置横梁，横梁上下两侧均安装铜质垫片，铜质垫片的外侧安装压电陶瓷。

本发明的优势在于：1.频带较宽，可以在20-20000Hz范围内高质量的获取水下声场的矢量信息；2.结构尺寸可以根据实际工程需要加以调整；3.使用便捷，工作平台上无需设计配套的悬挂装置。

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2为本发明振动传感器的结构示意图；

图3为本发明的第一聚氨酯半球壳体结构示意图；

图4为本发明的第二聚氨酯半球壳体结构示意图；

图5为本发明基座的结构示意图；

图6为球体和入射平面波的坐标关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～6，本发明的水下质点振速拾振器由振动传感器1(内部包括铝质外壳1a、压电陶瓷1b和铜质垫片1c)，和悬置安装件2，和弹性材料3，和聚氨酯半球壳体4、5，和带有螺纹孔6a，密封槽6b走线槽6c的基座6，和密封圈7以及电缆头8组成。

首先，利用模具加工制造两个聚氨酯材质的半球壳，如结构示意图所示，其中壳体4为了方便与基座相连接，在其底部预留了四个螺纹孔4a；然后，利用悬置安装件2通过定位孔5a和5b把振动传感器1定位在半球壳体5的中心处；接下来，将半球壳体4通过螺纹孔4a与基座6通过螺杆连接起来，再与壳体5组装成一完整球壳；之后，将按照一定比例调制好的具有一定硬度的弹性材料3，灌入到聚氨酯壳体内部，灌满以后用电缆头8、密封圈7将其封闭，最后等壳体内部的弹性材料完全凝固以后便形成一个完整的矢量接收器。目前制作完成的接收器直径100mm，工作频带20-20000Hz，工作频带内1000Hz频点下矢量灵敏度为-170dB。

本发明的目的是这样实现的：振速拾振器的整体包括敏感元件，灌封材料，包覆材料，安装基座，和输出电缆。所述的敏感元件为一维的振动传感器(本发明用到的是一维的三迭片式加速度计)；灌封材料为弹性材料(本发明中可采用的弹性材料为杨氏模量在4e9-2e12范围内，泊松比在0.21-0.42范围内的任意材料)；包覆材料为聚氨酯混合物(起到良好的透声效果)；安装基座为不锈钢材料。在接收器整体组装的过程中，首先把振动传感器通过悬置安装件(金属支架)定位在聚氨酯外壳内部的几何中心处，然后再利用灌封工艺把调制好的弹性材料灌入壳体内，最后整理好导线的走向并与安装基座相结合。

本发明的基本理论依据：本发明是依据浸泡在水下的结构在声波作用下其内部的质点振速和水介质中的振速之间的相互关系，来设计并实现的。首先本发明的物理模型及其边界条件如图6所示，

在球坐标系下入射平面波与球的散射波的表达式为

$p_i=P_0{e}^{-\mathrm{kx}}=P_0\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(2n+1){(-j)}^n{j}_n\left(\mathrm{kr}\right)P_n\left(\cos \mathrm{\θ}\right)$

$p_s=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n{h_n}^{\left(2\right)}\left(k_{0}r\right)P_n\left(\cos \mathrm{\θ}\right)$

其中，j_n是球贝塞尔函数，h_n ⁽²⁾是二类球贝塞尔函数，C_n是散射系数。接下来根据声波在弹性介质中的传播特性，得到球体内部的位移矢量S及其各分量的表达式为

$S=\▿\mathrm{\Φ}+\▿\×\mathrm{\Ψ}$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_r=-\frac{1}{r}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[A_n{k}_{1}r\frac{{\mathrm{dj}}_n\left(k_{1}r\right)}{d\left(k_{1}r\right)}+n(n+1)B_n{j}_n\left(k_{2}r\right)]P_n\left(\cos \mathrm{\θ}\right)\\ S_{\mathrm{\θ}}=-\frac{1}{r}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{A_n{j}_n\left(k_{1}r\right)+B_n[j_n\left(k_{2}r\right)+k_{2}r\frac{{\mathrm{dj}}_n\left(k_{2}r\right)}{d\left(k_{2}r\right)}\left]\right\}\frac{{\mathrm{dP}}_n\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{d\θ}}\\ S_{\mathrm{\φ}}=0\end{array}\right.$

式中，k₁＝ω/c₁；k₂＝ω/c₂；c₁＝[(λ+2μ)/ρ_s]为压缩波的声速，c₂＝[μ/ρ_s]为剪切波的声速；λ与μ为拉米常数；A_n和B_n为待定常数。然后根据界面处液体介质与固体介质满足的压力和位移连续条件得到以下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}2{\mathrm{\ρ}}_1{c}_2^2(\frac{\mathrm{\σ}}{1-2\mathrm{\σ}}{x}_1^2{j}_n\left(x_1\right)-x_1^2{j}_n^{\′\′}\left(x_1\right))A_n+2{\mathrm{\ρ}}_1{c}_2^{2}n(n+1)[x_2{j}_n^{\′}\left(x_2\right)-j_n\left(x_2\right)]B_n\\ +a^2{h_n}^{\left(2\right)}\left(x\right)C_n=-P_0(2n+1){(-j)}^n{a}^2{j}_n\left(x_0\right)\\ x_1{j}_n^{\′}\left(x_1\right)A_n-n(n+1)j_n\left(x_2\right)B_n+\frac{x}{\mathrm{\ρ}{\mathrm{\ω}}^2}{h_n}^{{\left(2\right)}^{\′}}\left(x_0\right)C_n\\ =-P_0(2n+1){(-j)}^n\frac{x}{\mathrm{\ρ}{\mathrm{\ω}}^2}{j}_n^{\′}\left(x_0\right)\\ 2[x_1{j}_n^{\′}\left(x_1\right)-j_n\left(x_1\right)]A_n+[(n^2+n-2)j_n\left(x_2\right)+x_2^2{j}_n^{\′\′}\left(x_2\right)]B_n=0\end{array}\right.$

式中，x₁＝k₁a；x₂＝k₂a；x₀＝ka。最后通过解方程组的系数A_n、B_n、C_n，可以得到实心弹性球体内部空间各点的质点振速与声场中水质点振速的关系。由于球体内部振速存在分布情况，所以在实际的拾振器加工制作过程中为了避免其对指向性性能的影响，要将振动传感器精确定位到整体结构的中心处。

本发明在工作机理上与经典的同振式矢量水听器相比较其创新点包括：首先突破了声学刚性理论模型，本发明的理论模型更加准确和完善；其次突破了中性浮力以及波尺寸的限制，本发明实现的拾振器其整体几何尺寸较小、工作频带较宽；最后由于拾振器整体不再需要弹性元件来悬挂，避免了悬挂系统带来的性能不稳定的影响，所以使用起来更简洁方便、可靠耐用，适于组装换能器基阵和水下声场信息的长期检测。

Claims (2)

1.水下质点振速拾振器，其特征是：包括振动传感器、壳体、悬置安装件、弹性材料、基座、电缆头，所述壳体为由第一聚氨酯半球壳体和第二聚氨酯半球壳体组成的球体，球体里灌有弹性材料，第一聚氨酯半球壳体的下平面和第二聚氨酯半球壳体的上平面以及第二聚氨酯半球壳体的球面上均设置有定位孔，悬置安装件通过定位孔固定在球体里，振动传感器通过悬置安装件固定在球体的球心处，第一聚氨酯半球壳体的球面上设置螺纹孔，基座通过螺纹孔与第一聚氨酯半球壳体相连，电缆头安装在基座上。

2.根据权利要求1所述的水下质点振速拾振器，其特征是：所述振动传感器包括铝质外壳、压电陶瓷、铜质垫片，铝质外壳里设置横梁，横梁上下两侧均安装铜质垫片，铜质垫片的外侧安装压电陶瓷。