CN108106716A - 一种可调频高灵敏度水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可调频高灵敏度水听器，其特征在于，包括：圆柱壳体，内部设置各元器件后再填充环氧树脂；可调声放大阵列，置于壳体内部，具有多个尺寸呈线性变化的、均布排列的可调声放大阵列主体，可调声放大阵列主体通过导线与电阻、开关和控制电源依次连接构成回路；弹性体，置于壳体内部，且连接并固定于壳体的一端；压电体，置于弹性体表面且由导线引出；汇聚阵列，具有多个汇聚阵列组元布置于弹性体表面且环绕压电体设置。本发明通过调节控制电源电压的大小，可以有效调整水听器的敏感频率范围(带宽)，实现水下声信号的宽范围高灵敏度探测，灵敏度可提升36.0倍，具有结构新颖合理、易于加工、适用性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及压电水听器技术领域，尤其涉及一种适用于水下声音信号探测的装置，即一种可调频高灵敏度水听器。
背景技术
水声学是声学的一个重要分支，主要研究声音在水下的产生、传播与接收，而水听器是用来接收水下声信号并将其转换为电压信号的装置，又称为接收换能器。其广泛应用于水下探测、识别、通信及海洋环境监测和海洋资源开发等领域，具有极高的应用价值。
目前水听器领域应用最广泛的就是压电陶瓷水听器，其具有性能稳定、响应平坦、环境适应强等优点。传统的压电陶瓷水听器为圆柱体结构，主要由压电陶瓷材料、电极以及包裹材料组成，但其接收灵敏度有限。为了获得高灵敏度的压电水听器，国内外学者提出了多种具有不同结构形式的新型水听器，如复合棒式水听器(高灵敏度声压水听器研究)，迷你罐式水听器(A compact and inexpensive hydrophone with an internal ultra-low-noise preamp)，钹式水听器(Transducers and arrays for underwater sound)，复合液腔式水听器(复合液腔高灵敏度水听器)等。
尽管这些结构形式可以有效提升水听器的灵敏度，但其敏感频率范围严重依赖于结构自身的静动力学特性，且无法依据水下环境的变化而自主调节，从而限制了水听器的适用范围。因此，如何保证大频率范围下的高灵敏度特性是目前水听器设计的难点。
发明内容
根据上述提出的现有的压电水听器灵敏度低的技术问题，而提供一种可调频高灵敏度水听器。本发明通过引入可调声放大阵列和汇聚阵列来有效调整水听器的工作频段，并使其在该频段下具有极高的声探测灵敏度。本发明水听器接收灵敏度与传统压电式水听器相比，灵敏度可提高36.0倍。
本发明采用的技术手段如下：
一种可调频高灵敏度水听器，其特征在于，包括：
壳体，为圆柱壳体，内部设置各元器件后再填充环氧树脂；
可调声放大阵列，置于所述壳体内部，具有多个尺寸呈线性变化的、均布排列的可调声放大阵列主体，所述可调声放大阵列主体通过导线与电阻、开关和控制电源依次连接构成回路；
弹性体，置于所述壳体内部，且连接并固定于所述壳体的一端；
压电体，置于所述弹性体表面且由导线引出；
汇聚阵列，具有多个汇聚阵列组元布置于所述弹性体表面且环绕所述压电体设置。
进一步地，相邻的所述可调声放大阵列主体之间的长度、宽度和间距等参数呈线性变化。
进一步地，所述可调声放大阵列主体的数量为n，n≥3。
进一步地，所述可调声放大阵列主体的材料为压电材料、介电弹性体、形状记忆合金或高分子材料，所述压电材料包括石英晶体、压电陶瓷、锆钛酸铅和钛酸钡等；所述高分子材料包括硅橡胶和丙烯酸酯弹性体。
进一步地，所述汇聚阵列组元为圆柱体，均匀布置与所述弹性体表面上的所述压电体的周围，即所述压电体设置于所述汇聚阵列的中心位置。
进一步地，所述汇聚阵列组元的数量为n，n≥3。
本发明在可调声放大阵列上下表面分别加上电源正负极，通过调节电压的大小来控制其长度、宽度和间距等参数呈线性变化，从而有效调整水听器的工作频段，并使其在该频段下具有极高的声探测灵敏度。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明采用的可调声放大阵列和汇聚阵列，在压电体处对入射声波有很好的汇聚作用，增大了压电体上下表面的电势差，使水听器的探测灵敏度提升36.0倍。
2、本发明采用压电材料、介电弹性体、形状记忆合金或高分子材料作为可调声放大阵列的材料，通过施加电刺激来使其尺寸线性变化，来有效调整水听器的敏感频率范围(带宽)，从而实现大频率宽范围高灵敏度的水下声探测。
3、本发明采用的可调声放大阵列结构新颖合理、易于加工、适用性强，对声波信号具有较大的探测灵敏度，可广泛用于水下声信号检测领域，具有广阔的应用前景和推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种可调频高灵敏度水听器的剖面图。
图2是本发明的声探测灵敏度与传统压电水听器探测灵敏度的对比图。
图3是本发明工作频带调节前后的水听器响应曲线。
图中：1、壳体；2、可调声放大阵列；2-1、可调声放大阵列主体；2-2、电阻；2-3、控制电源；2-4、开关；3-1、汇聚阵列组元；4、弹性体；5、压电体。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种可调频高灵敏度水听器，主要包括：
壳体1，为圆柱壳体，内部设置各元器件(是指下述的可调声放大阵列、弹性体、压电体等等)后再填充环氧树脂；
可调声放大阵列2，置于所述壳体1内部，具有多个尺寸呈线性变化的、均布排列的可调声放大阵列主体2-1，其中尺寸按照直线方程、指数形式或者三角函数形式规律变化；所述可调声放大阵列主体2-1通过导线与电阻2-2、开关2-4和控制电源2-3依次连接构成回路，进一步地，多个可调声放大阵列主体2-1所在的回路构成并联结构，通过控制电源2-3驱动；相邻的所述可调声放大阵列主体2-1之间的长度、宽度和间距等参数呈线性变化；所述可调声放大阵列主体2-1的数量为n，n≥3。
所述可调声放大阵列主体2-1的材料为压电材料、介电弹性体、形状记忆合金或高分子材料，所述压电材料包括石英晶体、压电陶瓷、锆钛酸铅和钛酸钡；所述高分子材料包括硅橡胶和丙烯酸酯弹性体。
弹性体4，置于所述壳体1内部，且连接并固定于所述壳体1的一端；
压电体5，置于所述弹性体4表面且由导线引出；
汇聚阵列，具有多个汇聚阵列组元3-1布置于所述弹性体4表面且环绕所述压电体5设置。所述汇聚阵列组元3-1为圆柱体，均匀布置与所述弹性体4表面上的所述压电体5的周围，即所述压电体5设置于所述汇聚阵列的中心位置。所述汇聚阵列组元3-1的数量为n，n≥3。
上述的可调声放大阵列2、压电体5、弹性体4以及汇聚阵列等均置于壳体1内部，并填充环氧树脂，其中尺寸呈线性变化的可调声放大阵列主体2-1通过导线与控制电源2-3连接，汇聚阵列、压电体5和弹性体4连接并固定于壳体1的一端，通过调节控制电源2-3电压的大小，可以有效调整水听器的敏感频率范围(带宽)，实现水下声信号的宽范围高灵敏度探测，灵敏度可提升36.0倍。
图2为本发明实施方式中，按照本发明结构参数表1中的尺寸，所得到声探测灵敏度与传统压电水听器探测灵敏度对比图。图中横坐标为声波频率(Hz)，纵坐标为灵敏度值(uV/Pa)。从对比图中可以看出，本发明声探测灵敏度值明显高于同尺寸下传统压电水听器的探测灵敏度值。
图3为可调声放大阵列的尺寸线性变化前后，即为本发明的工作频带变化前后的水听器灵敏度曲线对比图。从图中可以看出，可调声放大阵列通过电刺激使其尺寸发生线性变化后，其灵敏度峰值时的频率变大，即其工作频带发生变化。
表1水听器几何参数
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种可调频高灵敏度水听器，其特征在于，包括：
壳体(1)，为圆柱壳体，内部设置各元器件后再填充环氧树脂；
可调声放大阵列(2)，置于所述壳体(1)内部，具有多个尺寸呈线性变化的、均布排列的可调声放大阵列主体(2-1)，所述可调声放大阵列主体(2-1)通过导线与电阻(2-2)、开关(2-4)和控制电源(2-3)依次连接构成回路；
弹性体(4)，置于所述壳体(1)内部，且连接并固定于所述壳体(1)的一端；
压电体(5)，置于所述弹性体(4)表面且由导线引出；
汇聚阵列，具有多个汇聚阵列组元(3-1)布置于所述弹性体(4)表面且环绕所述压电体(5)设置。
2.根据权利要求1所述的可调频高灵敏度水听器，其特征在于，相邻的所述可调声放大阵列主体(2-1)之间的长度、宽度和间距呈线性变化。
3.根据权利要求2所述的可调频高灵敏度水听器，其特征在于，所述可调声放大阵列主体(2-1)的数量为n，n≥3。
4.根据权利要求3所述的可调频高灵敏度水听器，其特征在于，所述可调声放大阵列主体(2-1)的材料为压电材料、介电弹性体、形状记忆合金或高分子材料，所述压电材料包括石英晶体、压电陶瓷、锆钛酸铅和钛酸钡；所述高分子材料包括硅橡胶和丙烯酸酯弹性体。
5.根据权利要求1所述的可调频高灵敏度水听器，其特征在于，所述汇聚阵列组元(3-1)为圆柱体，均匀布置与所述弹性体(4)表面上的所述压电体(5)的周围，即所述压电体(5)设置于所述汇聚阵列的中心位置。
6.根据权利要求5所述的可调频高灵敏度水听器，其特征在于，所述汇聚阵列组元(3-1)的数量为n，n≥3。
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