CN107995557A - 传感与消声一体化水听器及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种传感与消声一体化水听器及其实现方法，包括以下步骤：把PVDF薄膜粘贴在背衬的正反两面，振速传感器采用嵌入式安装于背衬中心，得到接收水听器；将陶瓷颗粒嵌入多孔的硬质泡沫内，所有陶瓷颗粒正极与负极分别并联，用两根导线引出，得到发射换能器；将接收水听器、被动吸声层、发射换能器、去耦隔声层、钢板粘贴在一起，整体灌注水密聚氨酯，得到单个一体化水听器模块。本发明的有益效果为：通过正反面小块粘贴PVDF薄膜有利于消除灵敏度横向响应还有助于提高灵敏度响应，通过被动吸声层能够实现高频声波的吸声，通过换能器发声能够实现对低频声波的抵消，使得整个频段均能实现较高的吸声系数，解决了传感与宽频消声一体化集成问题。

Description

传感与消声一体化水听器及其实现方法
技术领域
本发明涉及水听器接收与消声瓦消声领域，尤其涉及一种传感与消声一体化水听器及其 实现方法。
背景技术
潜艇凭借其优良的隐身性能，能够隐蔽地实现深入渗透，执行侦察、探测、打击、封锁 等多种作战任务，是获取水下信息优势，在未来水下信息战中将扮演越来越重要的角色。潜 艇提高感知能力和隐身能力是潜艇作战能力的重要保障。
为了充分利用潜艇艇壳空间来增大声基阵的有效孔径，降低探测频率，并提高空间增益， 沿艇壳外形布阵的共形阵孕育而生。它不占用潜艇的内部空间，且孔径较传统艇艏阵有很大 增加。潜艇在水下航行时，必须时刻搜索周围的目标，并且为了先敌发现目标，必须尽可能 大面积地接收目标辐射噪声或目标回波信号，提高基阵处理增益，从而提高声纳的探测距离， 故共形布阵需要在艇体尽可能多的布设水听器。虽然采用共形布阵可以获得更大的空间增益， 有助于进一步提高声纳的探测距离，但会减小艇体敷设消声瓦的面积，增大目标强度，易被 敌方主动声纳发现。目前，国外潜艇已经普遍采用一体化的共形布阵思想进行声纳基阵的整 体设计，共形布阵是未来艇壳声纳的发展趋势之一，但同时也突显潜艇同时获得感知与隐身 能力的矛盾。为了有效解决这一矛盾，必须前瞻性地把潜艇的传感与消声进行一体化设计。 针对潜艇共形布阵，必须采用大面积的面元水听器，以减小流噪声及机械振动噪声的影响， 提高单个水听器的空间增益。针对消声包含以下几重含义：针对主动声纳的探测脉冲，一体 化水听器在确保感知能力的条件下应该具有一定的消声能力，即通过相应的材料阻尼、结构 共振等措施，尽可能吸收入射的声波，减小反射强度，降低被发现的可能性；针对目前各国 海军大力发展的低频主动声纳，一体化水听器还应该具有对低频主动脉冲的吸声功能，即采 用主动吸声的方式，调节水听器界面处的输入阻抗，使之与水相匹配，最终实现潜艇的感知 与隐身双重功能。总之通过传感、消声、隔振一体化设计，使潜艇既能获得最大的孔径，实 现远距离探测目标，又能使潜艇获得隐身性能，实现彻底的宽频段声隐身。
本发明从潜艇共形布阵这一发展趋势出发，立足于大幅提高潜艇的探测性能，同时兼顾 潜艇隐声性能的需要，提出了传感与消声一体化水听器设计技术及其实现方法。该方法通过 PVDF薄膜接收声波信号实现高灵敏度接收，通过消声瓦实现中高频被动消声，通过换能器发 声实现低频主动消声，为潜艇同时获得感知与隐身能力奠定技术基础，在水下目标感知与对 抗中具有很好的应用前景和重大的军事价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种传感与消声一体化水听器及其 实现方法，该技术方案可替代潜艇外壳处共形阵及消声瓦，实现宽频段的传感与消声一体化。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种传感与消声一体化水听器，主要包括 声学结构系统和电子控制系统，其中声学结构系统包括去耦隔声层、发射换能器、被动吸声 层和PVDF水听器，PVDF水听器、被动吸声层、发射换能器、去耦隔声层、钢板粘贴在一起， 整体灌注水密聚氨酯形成单个一体化水听器模块；PVDF水听器上设有振速传感器和接插件， PVDF水听器引线及发射换能器引线通过前端接插件分别引出；PVDF薄膜粘贴在背衬的正反两 面，振速传感器采用嵌入式安装于背衬中心，得到PVDF水听器；陶瓷颗粒嵌入多孔的硬质泡 沫内，所有陶瓷颗粒正极与负极分别并联，用两根导线引出，形成发射换能器；通过被动吸 声层实现高频声波的吸声，通过发射换能器发声实现对低频声波的抵消。
所述的背衬的正反两面粘贴多张小块PVDF薄膜构成整体PVDF薄膜。
这种传感与消声一体化水听器的实现方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：根据灵敏度工作频率及PVDF薄膜的压电性能确定PVDF薄膜的厚度hp，即水听器的接收灵敏度随PVDF薄膜厚度的 增大而增大；
步骤二：根据PVDF薄膜的横向灵敏度模态响应，确定将PVDF薄膜切割尺寸，避免横向 灵敏度出现在工作频率；
步骤三：根据灵敏度响应的平坦性以及水听器的散射特性，确定背衬材料以及背衬厚度；
步骤四：将PVDF薄膜粘贴在背衬正反两面；
步骤五：把振速传感器采用软连接方式安装在背衬正中心，以保证振速传感器不受到外 界振动的干扰且能实现与PVDF水听器同时接收到水中声波信号；
步骤六：将步骤四与步骤五采用聚氨酯灌注在一起，灌注模块应具有高灵敏度及高透声 性能；
步骤七：根据被动吸声层吸声频率范围以及吸声系数确定被动吸声层的内部结构，包括 实心层厚度及空腔结构形状，空腔的孔隙率；
步骤八：根据被动吸声层要求的抗高静水压特性，设计合适结构及确定采用的耐高静水 压材料；
步骤九：根据工作频率f及陶瓷颗粒的纵向声速V确定陶瓷颗粒的高度h，之后确定陶 瓷颗粒的长度a和宽度b；
步骤十：根据所需的带宽选择陶瓷颗粒与匹配层之间的占空比，占空比是指陶瓷颗粒与 匹配层粘接的面积与匹配层面积之比；
步骤十一：把陶瓷颗粒插入多孔的硬质泡沫中，正极在上，负极在下，每个陶瓷颗粒相 对独立，再采用PCB电路板将正极与负极分别并联，用两根导线引出，构成发射换能器；
步骤十二：在钢板与发射换能器中间粘接一块硬质泡沫形成去耦隔振层；
步骤十三：将接收水听器引线及发射换能器引线通过前端接插件分别引出；
步骤十四：将整体构件灌注水密聚氨酯，得到传感与消声一体化水听器模块；
步骤十五：外界声波作用在一体化水听器上时，水听器同时接收声压振速信号，被动吸 声层吸收高频声波，主动控制系统控制换能器改变一体化水听器表面声阻抗，吸收低频声波， 实现宽频段的传感与消声一体化。
所述的振速传感器应具有高灵敏度及高散射特性。
低频声波通过主动控制方法实现声波反射声的控制，高频声波通过被动吸声层实现吸收。
本发明的有益效果为：
1、通过正反面小块粘贴PVDF薄膜有利于消除灵敏度横向响应还有利于提高灵敏度，通 过被动吸声层能够实现高频声波的吸收，通过换能器发声能够实现对低频声波的吸收，使得 整个频段均能实现较高的吸声系数，解决了传感与宽频消声一体化集成问题。
2、结构简明、工艺可靠、组阵方便。
附图说明
图1：传感与消声一体化水听器系统组成框图；
图2：传感与消声一体化水听器结构分解图；
图3：灵敏度曲线及主被动消声效果图。
附图标记说明：1-钢板、2-去耦隔声层、3-发射换能器、4-被动吸声层、5-PVDF水听器、 6-振速传感器、7-接插件。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
如图1所示，这种传感与消声一体化水听器，主要包括声学结构系统和电子控制系统， 其中声学结构系统包括去耦隔声层2、发射换能器3、被动吸声层4和PVDF水听器5，PVDF水听器5、被动吸声层4、发射换能器3、去耦隔声层2、钢板1粘贴在一起，整体灌注水密 聚氨酯形成单个一体化水听器模块；PVDF水听器上设有振速传感器6和接插件7，PVDF水听 器引线及发射换能器3引线通过前端接插件7分别引出；PVDF薄膜粘贴在背衬的正反两面， 在背衬的正反两面粘贴多张小块PVDF薄膜构成整体PVDF薄膜。振速传感器6采用嵌入式安 装于背衬中心，得到PVDF水听器；陶瓷颗粒嵌入多孔的硬质泡沫内，所有陶瓷颗粒正极与负 极分别并联，用两根导线引出，形成发射换能器；通过被动吸声层实现高频声波的吸声，通 过发射换能器发声实现对低频声波的抵消。
参见图2，为采用本发明实现的传感与消声一体化水听器结构分解图。本实施条例中单 小块PVDF薄膜尺寸为64mmX64mmX0.5mm，背衬尺寸为132mmX132mmX4mm，加速度尺寸为Φ15mmX13mm，被动吸声层尺寸为Φ204mmX108mm，去耦隔声层尺寸为Φ204mmX7mm，钢板尺寸为Φ204mmX8mm。
参见图3，为本发明的传感与消声一体化水听器实测灵敏度曲线及主被动吸声系数曲线。
这种传感与消声一体化水听器的实现方法，其主要包括以下步骤：
步骤一：根据灵敏度工作频率及PVDF薄膜的压电性能确定PVDF薄膜的厚度hp，即水听器的接收灵敏度随PVDF薄膜厚度的增大而增大；
步骤二：根据PVDF薄膜的横向灵敏度模态响应，确定将PVDF薄膜切割尺寸，避免横向 灵敏度出现在工作频率，以消除横向灵敏度的影响；
步骤三：根据灵敏度响应的平坦性以及水听器的散射特性，确定背衬材料以及背衬厚度；
步骤四：将PVDF薄膜粘贴在背衬正反两面，有利于提高接收灵敏度；
步骤五：把振速传感器采用软连接方式安装在背衬正中心，以保证振速传感器不受到外 界振动的干扰且能实现与PVDF水听器同时接收到水中声波信号；
步骤六：将步骤四与步骤五采用聚氨酯灌注在一起，灌注模块应具有高灵敏度及高透声 性能；
步骤七：根据被动吸声层吸声频率范围以及吸声系数确定被动吸声层的内部结构，包括 实心层厚度及空腔结构形状，空腔的孔隙率；
步骤八：根据被动吸声层要求的抗高静水压特性，设计合适结构及确定采用的耐高静水 压材料；
步骤九：根据工作频率f及陶瓷颗粒的纵向声速V确定陶瓷颗粒的高度h，之后确定陶 瓷颗粒的长度a和宽度b；
步骤十：根据所需的带宽选择陶瓷颗粒与匹配层之间的占空比，占空比是指陶瓷颗粒与 匹配层粘接的面积与匹配层面积之比；
步骤十一：把陶瓷颗粒插入多孔的硬质泡沫中，正极在上，负极在下，每个陶瓷颗粒相 对独立，再采用PCB电路板将正极与负极分别并联，用两根导线引出，构成发射换能器；
步骤十二：在钢板与发射换能器中间粘接一块硬质泡沫形成去耦隔振层；
步骤十三：将接收水听器引线及发射换能器引线通过前端接插件分别引出，避免发射换 能器大电压对接收水听器小信号产生干扰；
步骤十四：将整体构件灌注水密聚氨酯，得到传感与消声一体化水听器模块；
步骤十五：外界声波作用在一体化水听器上时，水听器同时接收声压振速信号，被动吸 声层吸收高频声波，主动控制系统控制换能器改变一体化水听器表面声阻抗，吸收低频声波， 实现宽频段的传感与消声一体化。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换 或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种传感与消声一体化水听器，其特征在于：主要包括声学结构系统和电子控制系统，其中声学结构系统包括去耦隔声层、发射换能器、被动吸声层和PVDF水听器，PVDF水听器、被动吸声层、发射换能器、去耦隔声层、钢板粘贴在一起，整体灌注水密聚氨酯形成单个一体化水听器模块；PVDF水听器上设有振速传感器和接插件，PVDF水听器引线及发射换能器引线通过前端接插件分别引出；PVDF薄膜粘贴在背衬的正反两面，振速传感器采用嵌入式安装于背衬中心，得到PVDF水听器；陶瓷颗粒嵌入多孔的硬质泡沫内，所有陶瓷颗粒正极与负极分别并联，用两根导线引出，形成发射换能器；通过被动吸声层实现高频声波的吸声，通过发射换能器发声实现对低频声波的抵消。
2.根据权利要求1所述的传感与消声一体化水听器，其特征在于：所述的背衬的正反两面粘贴多张小块PVDF薄膜构成整体PVDF薄膜。
3.一种传感与消声一体化水听器的实现方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：根据灵敏度工作频率及PVDF薄膜的压电性能确定PVDF薄膜的厚度hp，即水听器的接收灵敏度随PVDF薄膜厚度的增大而增大；
步骤二：根据PVDF薄膜的横向灵敏度模态响应，确定将PVDF薄膜切割尺寸，避免横向灵敏度出现在工作频率；
步骤三：根据灵敏度响应的平坦性以及水听器的散射特性，确定背衬材料以及背衬厚度；
步骤四：将PVDF薄膜粘贴在背衬正反两面；
步骤五：把振速传感器采用软连接方式安装在背衬正中心，以保证振速传感器不受到外界振动的干扰且能实现与PVDF水听器同时接收到水中声波信号；
步骤六：将步骤四与步骤五采用聚氨酯灌注在一起，灌注模块应具有高灵敏度及高透声性能；
步骤七：根据被动吸声层吸声频率范围以及吸声系数确定被动吸声层的内部结构，包括实心层厚度及空腔结构形状，空腔的孔隙率；
步骤八：根据被动吸声层要求的抗高静水压特性，设计合适结构及确定采用的耐高静水压材料；
步骤九：根据工作频率f及陶瓷颗粒的纵向声速V确定陶瓷颗粒的高度h，之后确定陶瓷颗粒的长度a和宽度b；
步骤十：根据所需的带宽选择陶瓷颗粒与匹配层之间的占空比，占空比是指陶瓷颗粒与匹配层粘接的面积与匹配层面积之比；
步骤十一：把陶瓷颗粒插入多孔的硬质泡沫中，正极在上，负极在下，每个陶瓷颗粒相对独立，再采用PCB电路板将正极与负极分别并联，用两根导线引出，构成发射换能器；
步骤十二：在钢板与发射换能器中间粘接一块硬质泡沫形成去耦隔振层；
步骤十三：将接收水听器引线及发射换能器引线通过前端接插件分别引出；
步骤十四：将整体构件灌注水密聚氨酯，得到传感与消声一体化水听器模块；
步骤十五：外界声波作用在一体化水听器上时，水听器同时接收声压振速信号，被动吸声层吸收高频声波，主动控制系统控制换能器改变一体化水听器表面声阻抗，吸收低频声波，实现宽频段的传感与消声一体化。
4.根据权利要求3所述的传感与消声一体化水听器的实现方法，其特征在于：所述的振速传感器应具有高灵敏度及高散射特性。
5.根据权利要求3所述的传感与消声一体化水听器的实现方法，其特征在于：低频声波通过主动控制方法实现声波反射声的控制，高频声波通过被动吸声层实现吸收。
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