CN109760805A - 一种单体旋转式组合气爆声源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单体旋转式组合气爆声源，属于反水雷技术领域。该气爆声源包括伺服电机、转子、定子壳体、活塞和活塞缸体；转子带释放孔的空腔部分插入定子内部，活塞两端分别位于转子和活塞缸体内，活塞缸体与定子壳体同轴对接；转子内部的高压气体将通过转子与定子上对应的释放孔周期性打开与关闭而排气释放，在水中产生一系列宽频振荡的声波脉冲；通过调整活塞在转子中的位移控制转子打开的端口数量以调节声源强度；通过伺服电机带动转子的旋转，当转子所打开的释放孔与定子的释放孔有重合时产生特定频谱的脉冲，转子打开的端口在连续发射中的不断变化实现频谱的平滑控制。本发明能够有效的模拟舰船产生的物理场。

Description

一种单体旋转式组合气爆声源

技术领域

本发明涉及一种组合气爆声源，具体涉及一种旋转式组合气爆声源，属于反水雷技术领域。

背景技术

众所周知，舰船辐射的总噪声谱是由连续分布的宽带噪声谱和在若干个离散频率上的窄带线谱分量构成。在进行船舶噪声信号仿真计算的时候，比较常用的方法是将舰船辐射噪声功率谱分为两种类型：一种是有连续谱的宽带噪声，其噪声级是连续的，可采用宽带平稳随机过程产生连续谱；另一种是具有非连续的单频噪声，这种噪声由出现在离散频率上的线谱组成，可采用周期信号作为线谱模型。

在次声扫雷领域，由于非触发水雷不能区别声扫雷具产生的场和舰船场，所以比较容易欺骗，因而研制开发的非接触扫雷具主要是用于模拟非连续的单频噪声，如现装备海军的次声扫雷具是一种单枪气爆声源，它属于一种非连续的单频噪声源，声频能量主要集中在低频段，利用该频谱特性即可以扫除水雷，但是该单枪气爆声源无法有效的模拟舰船物理场。随着智能的非触发水雷的出现，它具备识别扫雷具和舰船发出的物理场的能力，因而寻求可“模拟一切被保护舰船所产生的物理场的非接触式扫雷具”成为亟需解决的问题。

目前，为有效模拟舰船产生的物理场，需要构建一个连续或趋于连续的声场，才能有效的迷惑水雷，采用的主要方法是应用多个不同容积的单枪组阵，这样即可以较好的解决单枪气爆声源频谱不足之处，但是应用单枪组阵需要配备多套单枪气爆声源，其结构较为复杂，重量及尺寸均相对较大，同时单枪组阵采用时序控制，即按照不同的工作时序控制不同的单枪激发，控制相对复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种单体旋转式组合气爆声源，该气爆声源相对与其他形式枪阵组合其机械结构与控制更加简单，可方便实现多枪同时放气，使不同特征的脉冲同步生成，从而实现频谱可调，并可随时调节工作气枪的数量，保证与目标频谱特征匹配，因而能够有效的模拟舰船产生的物理场。

一种单体旋转式组合气爆声源，该气爆声源包括伺服电机、转子、定子壳体、活塞和活塞缸体；

所述转子和定子均为表面上加工释放孔的圆柱形空腔结构；

所述伺服电机固定于密封壳体内，其输出轴与转子相连，所述转子带释放孔的空腔部分插入定子内部，活塞一端插入转子的腔体内，另一端位于活塞缸体内，活塞缸体与定子壳体同轴对接；转子内部的高压气体将通过转子与定子上对应的释放孔周期性打开与关闭而排气释放，从而在水中以一定频率产生一系列宽频振荡的声波脉冲；通过调整活塞在转子中的位移来控制转子打开的端口数量以调节声源强度；通过伺服电机带动转子的旋转，当转子所打开的释放孔与定子的释放孔有重合时产生特定频谱的脉冲，转子打开的端口在连续发射中的不断变化实现频谱的平滑控制。

进一步地，所述释放孔在转子和定子轴线为中心呈180°的方位上分布。

进一步地，所述转子的释放口设计为缩放喷嘴，即释放口在转子部分为由大变小向中间收缩成一个窄喉。

进一步地，所述定子部分具有与转子窄喉大小相同截面的收缩部分，该收缩部分之后释放口逐渐扩张至定子外壁，定子部分选用圆锥扩张型释放口，扩张角角度大于射流膨胀扩散的角度。

进一步地，所述活塞在转子中的位移通过两个开关电磁阀调节活塞与活塞缸体接触处产生的背压气室中的压力实现。

有益效果：

1、由于单体旋转式组合气爆声源相当于多个小容积声源，即可以替代模拟非连续单频噪声源的单枪组阵，在提高作业效率的同时，降低了气爆式声源的扫雷成本。

2、本发明利用单体旋转式组合气爆声源能够使不同特征的脉冲同步生成，从而实现频谱可调。

3、本发明利用单体旋转式组合气爆声源活塞的移动能够控制打开端口数目，从而实现幅值可调。

4、本发明通过多端口定子协同转子实现压缩空气能量的可控与循环释放，以产生特定形状的波谱。

5、本发明利用单体旋转式组合气爆声源能够产生具有目标形状频谱、尤其是模拟移动水面船只所产生的频谱的声波传输，从而能够有效的扫除现代智能水雷。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图

图2为转子的结构示意图

图3为释放孔的结构示意图

图4为释放孔打开过程示意图

其中，1－伺服电机、2－转子、3－定子、4－活塞、5－开关电磁阀Ⅰ、6－活塞缸体、7－进气接头、8-开关电磁阀Ⅱ、9－卡箍Ⅰ、10－轴套、11－卡箍Ⅱ、12－深沟球轴承、13－密封壳体Ⅰ、14－推力调心滚子轴承、15－卡箍Ⅲ、16－密封壳体Ⅱ。

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，本发明提供了一种单体旋转式组合气爆声源，包括伺服电机1、转子2、定子3、活塞4、开关电磁阀Ⅰ5、活塞缸体6、进气接头7、开关电磁阀Ⅱ8、卡箍Ⅰ9、轴套10、卡箍Ⅱ11、深沟球轴承12、密封壳体Ⅰ13、推力调心滚子轴承14、卡箍Ⅲ15、密封壳体Ⅱ16等。其中伺服电机1固定于密封壳体Ⅱ16内，其输出轴通过平键与转子2上的轴孔相连，转子2左右两端与定子3之间设置了推力调心滚子轴承14、深沟球轴承12作为支撑，转子2带孔的空腔部分插入定子3壳体内部，活塞4一端插入转子2的腔体内，另一端位于活塞缸体6内，两个开关电磁阀5(8)分别连接在活塞缸体6的进出气控制口上，最右端为高压气体进气接头7，密封壳体Ⅱ16与密封壳体Ⅰ13通过卡箍Ⅲ15密封连接，密封壳体Ⅰ13与定子3通过卡箍Ⅱ11密封连接，定子3与活塞缸体6通过卡箍9密封连接。

根据水面舰船柴油机的工作模式，所需模拟的声谱频率在70Hz-140Hz范围内，根据计算当压力为15Mpa，采用容积3.3mL的气源，在水中所产生的脉冲经阻尼气泡震荡后，可获取该频率范围内的短暂宽谱峰。但是由于3.3mL单个气枪的声谱在连续频率段上的幅值具有明显的波动特性，能量大小不平稳，因此需要进行调制，选择的方法是采用1.64mL的气枪声谱进行叠加，两种气枪组合后的频谱曲线在低频段各频率上能量分布将会均匀。

为保证该单体旋转式组合气爆声源产生的频谱可调，使用脉冲组合源，本发明采用的方法是：在转子2和定子3轴线为中心呈180°的方位上设计有一系列的气体释放孔，在定子3上(与中心线相垂直的壁上)设计的释放孔称为第一系列释放端口，在转子2上(与中心线相垂直的壁上)设计有相同数量的释放口，如图2所示，其相对位置和角度与第一系列释放端口相同，称之为第二系列释放端口，各个释放端口即相当于一个小型声源。这些端口以可调整时间的重复率即刻同步打开(发射)。例如，图2中所示组合源，有5枪以9脉冲每秒的重复率发射，随后5枪以10脉冲每秒的重复率发射，接着5枪以11脉冲每秒的重复率发射，以上述顺序不断重复。此重复产生了约10赫兹的频谱峰值。同时打开或发射的端口协同产生了脉冲。由于脉冲顺序以变化重复率循环出现，因而整个波谱在额定重复率基础上平滑扩展。由于可控制的声源谱级的轮廓为20logN，此处N为打开释放端口数量，若需具有20分贝的动态范围，则要求最少10个如示例中尺寸的端口或气枪同时发射，由于端口排列成180°，因而至少选用20个孔，本发明以选用20个孔进行说明，即选用10个1.64mL(图2中孔Ⅰ所示)和10个3.3mL的释放孔(图2中孔Ⅱ所示)，1.64mL的释放孔与3.3mL的释放孔交错排列，如图2所示，其中3.3mL与1.64mL指的是释放孔缩口处的截面积，如图3中A、B所示。端口或气枪的数量在序列射击中不断变化以实现频谱的平滑控制，并模拟特定频谱的振幅调制。

为保证释放口加工方便，性能优良，释放口能量传输效率高，采用的方法是：释放口设计为缩放喷嘴，即释放口在转子部分为由大变小向中间收缩成一个窄喉，由于截面小处流速大，截面大处流速小，缩口的设计即提高了高压气体经过缩放喷嘴后向外释放的速度，这样更有利于释放气体的膨胀，从而获得较佳的动力学性能，充分辐射能量。在定子部分具有与转子窄喉大小相同截面的收缩部分，该收缩部分之后释放口逐渐扩张至定子外壁，如图3所示。定子部分选用圆锥扩张型释放口，扩张角角度大于射流膨胀扩散的角度，以减小释放口对高压气体射流的扰动，从而减小高压气体射流的紊流强度，保证产生的声源的强度。一般流体释放口选择圆形缩口，加工方便成本低，但是对于该种利用旋转方式来开关释放口的方式来说，采用方形内孔，其开关过程中气体流量与转子2转动的速率是呈线性变化的，有利于高压气体排放量的计算，因此选择内孔为方型。如图4所示为转子释放孔和定子释放孔重合打开过程示意图。

由于该单体旋转式组合气爆声源工作压力范围为5～15MPa，因而在工作过程中，转子2所受的轴向力较大甚至达到数吨以上，这对于小型装置的结构配置是极其不利的，为保证转子2能够正常运转，且具有足够的旋转精度，采取的方法为：在转子2轴的左侧设置推力调心滚子轴承11，该种轴承主要用于承受单向轴向力的受力工况，具有补偿转子2加工和装配中产生的倾斜和同轴度误差的能力，可降低加工精度和改善装配难度，此处主要用于承受高压气体对转子2向左轴向力。同时转子2左端设置了深沟球轴承12用于转子2左端的径向支撑，最后在转子2右端设置了短的轴套10支撑，以承受转子2转动时右端悬臂结构的径向动载荷。

为保证所打开的端口数量可调，采用的方法是：采用开关电磁阀Ⅰ5、开关电磁阀Ⅱ8调节活塞4与活塞缸体6接触处产生的背压气室中的压力，从而控制活塞4的行程。开关电磁阀Ⅰ5控制进入背压气室中的气体流量，开关电磁阀Ⅱ8控制背压气室中的泄气流量，开关电磁阀Ⅱ8的泄气孔直径比开关电磁阀Ⅰ5进气孔直径小，便于控制背压气室的排气量。工作时，根据需要控制开关电磁阀Ⅰ5和开关电磁阀Ⅱ8的开阀时间，调节活塞4的工作行程，控制放气孔数量，若放气孔数量少，增加开关电磁阀Ⅰ5的开阀时间，减小开关电磁阀Ⅱ8的开阀时间，若放气孔数量多，增加开关电磁阀Ⅱ8的泄气时间，减小开关电磁阀Ⅰ5的进气时间。

工作原理：工作时首先通过进气接头7向活塞缸体6内充入高压气体，且保持进气接头7持续打开通气。此时活塞4由于两端压力差作用，被推至最左端，封闭所有气体释放口。待腔体压力上升至预定值后，开关电磁阀Ⅰ5打开，背压气室中的高压气体推动活塞4向右移动打开转子上预定气体释放孔。随后伺服电机1启动，驱动转子2以一定速率转动，此时转子2内部的高压气体将通过转子2与定子3上对应的释放孔周期性打开与关闭而排气释放，从而在水中以一定频率产生一系列宽频振荡的声波脉冲。工作时通过控制活塞4左右移动的位移大小，决定工作的气体释放孔的数目，以调节声源强度。伺服电机1断电后，停止由进气口向活塞缸体6中充入高压气体，打开压力控制阀另一通路排出气体至外界，释放孔全部关闭，枪阵处于储气状态，发声器不工作，不产生声场。

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 (5)

1.一种单体旋转式组合气爆声源，其特征在于，该气爆声源包括伺服电机、转子、定子壳体、活塞和活塞缸体；

所述转子和定子均为表面上加工释放孔的圆柱形空腔结构；

所述伺服电机固定于密封壳体内，其输出轴与转子相连，所述转子带释放孔的空腔部分插入定子内部，活塞一端插入转子的腔体内，另一端位于活塞缸体内，活塞缸体与定子壳体同轴对接；转子内部的高压气体将通过转子与定子上对应的释放孔周期性打开与关闭而排气释放，从而在水中以一定频率产生一系列宽频振荡的声波脉冲；通过调整活塞在转子中的位移来控制转子打开的端口数量以调节声源强度；通过伺服电机带动转子的旋转，当转子所打开的释放孔与定子的释放孔有重合时产生特定频谱的脉冲，转子打开的端口在连续发射中的不断变化实现频谱的平滑控制。

2.如权利要求1所述的组合气爆声源，其特征在于，所述释放孔在转子和定子轴线为中心呈180°的方位上分布。

3.如权利要求1或2所述的组合气爆声源，其特征在于，所述转子的释放口设计为缩放喷嘴，即释放口在转子部分为由大变小向中间收缩成一个窄喉。

4.如权利要求3所述的组合气爆声源，其特征在于，所述定子部分具有与转子窄喉大小相同截面的收缩部分，该收缩部分之后释放口逐渐扩张至定子外壁，定子部分选用圆锥扩张型释放口，扩张角角度大于射流膨胀扩散的角度。

5.如权利要求4所述的组合气爆声源，其特征在于，所述活塞在转子中的位移通过两个开关电磁阀调节活塞与活塞缸体接触处产生的背压气室中的压力实现。