CN110879099B - 一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涉及矢量水听器以及电涡流传感器领域，具体涉及一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器。包括外壳部分、内部框架部分和传感部分；其中，外壳部分为一柱体结构，其顶部预留有孔，底部左右两侧安装有固定用角铁；内部框架部分位于外壳部分内部，主体为一圆柱体刚性框架，其与外壳部分刚性连接；传感部分位于内部框架部分左右两侧。本发明引入超顺磁性溶液，在甚低频下灵敏度较高，极大的增加了矢量水听器的灵敏度，且具有易于安装、稳定性高、抑制噪声能力强、线缆不会对测量产生影响等优点。

Description

一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器

技术领域

本发明涉及矢量水听器以及电涡流传感器领域，具体涉及一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器。

背景技术

矢量水听器技术于20世纪40年代产生，相较于传统的声压水听器，矢量水听器可以获取水下声场中的矢量信息，包括水质点的位移、振速、加速度及声压梯度等信号。如今，振速、加速度及声压梯度式矢量水听器的技术已经趋于成熟，在水声的各个领域中都有着广泛的应用，然而位移式矢量水听器的研究较少，仍旧处于起步阶段。

由于甚低频声信号由于在水中衰减较小、传播距离较远从而成为远程探测和深海探测的有效手段。同时，随着减振降噪技术的不断发展，水下目标的辐射噪声不断下降，其频段甚至已经达到低于环境噪声的水平，使得传统矢量水听器的探测性能急速降低，然而在一百赫兹以下的低频、甚低频段集中了潜艇目标声辐射的绝大部分能量，且该频段声信号的波导传播随距离的衰减较小，对于潜艇来说，无论降噪能力如何加强，几十赫兹以下的轴频、叶频无法消除，因此，目前矢量水听器向低频、甚低频段发展是非常必要的。

传统的矢量水听器为加速度式矢量水听器，由于其自身特性，在低频段内灵敏度较低，而位移式矢量水听器，其灵敏度幅频特性是随频率的减小，每倍频程6dB增大，因此其灵敏度在低频、甚低频下相对较高。因此，位移传感器作为矢量水听器的敏感元件对低频性能有着一定的提升。

目前，电涡流位移矢量水听器由于其优秀的甚低频性能逐渐进入人们的视野。参考论文“Eddy-current non-inertial displacement sensing for underwaterinfrasound measurements”，国外对于电涡流式矢量水听器的研究有了一定的开展，然而其作者并未在水下进行实验，且其水听器样机由于位移传感器量程较大，牺牲了灵敏度，同时其水听器受到悬挂绳的作用，对其自由运动产生影响，该论文总体在探索阶段。在国内，这一领域暂无发表的资料。

发明内容

本发明的目的在于提供稳定性高、抑制噪声能力强并且易于安装的一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器。

本发明的目的是这样实现的：

一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器，包括外壳部分、内部框架部分和传感部分；其中，外壳部分为一柱体结构，其顶部预留有孔，底部左右两侧安装有固定用角铁；内部框架部分位于外壳部分内部，主体为一圆柱体刚性框架，其与外壳部分刚性连接；传感部分位于内部框架部分左右两侧；

外壳部分，包括：充油管1、充油口10以及角铁11；充油管1为一柱体结构，其上表面预留有孔；充油口10位于充油管1上表面预留孔处；两个角铁11分别位于充油管1下表面左右对称两端，其与充油管1刚性固定；

内部框架部分，包括：安装框架2、非磁性材料被测柱体3以及弹性元件5；安装框架2为一圆柱体刚性框架，其与充油管1刚性连接；非磁性材料被测柱体3位于安装框架2几何中心，其与安装框架2共轴；弹性元件5为拉伸弹簧或软橡胶绳，其一端连接在安装框架2上，另一端连接在非磁性材料被测柱体3上；

传感部分，包括：电涡流传感器4、导线6、水密件接插件7以及安装平台9；安装平台9为一笼式结构，其远离安装框架2轴线一侧刚性固定在安装框架2上，其指向安装框架2轴线一侧预留开孔，其底端同样预留开孔；电涡流传感器4位于安装平台9侧面预留开孔部位；导线6一端通过安装平台9底端预留开孔部位与电涡流传感器4连接，一端与水密件接插件7连接；水密件接插件7位于安装框架2底部。

本发明还包括这样一些结构特征：

所述的充油管1，其内部与其他部分形成的间隙之间填充有超顺磁溶液；

所述的超顺磁溶液，具体为为四氧化三铁纳米水溶液；

所述的安装框架2，其上下表面圆环四等分处共有8个悬挂钩，其圆周侧面对称分布有2个用于电涡流传感器4的安装平台9；

所述的非磁性材料被测柱体3，具体为铜材料柱壳，其内部填充低密度复合材料，其上下表面外围四等分处共有8个悬挂钩，通过弹性元件5与安装框架2上的8个悬挂钩对应连接；

所述的电涡流传感器4，两个电涡流传感器4严格对称分布在安装框架2的两侧，两者的连线穿过非磁性材料被测柱体3的轴线，通过差分输出构成单矢量通道。

本发明的有益效果在于：

1.本发明创造性的引入超顺磁性溶液，在甚低频下灵敏度较高，极大的增加了矢量水听器的灵敏度，且具有易于安装、稳定性高、抑制噪声能力强、线缆不会对测量产生影响等优点；填补了国内该领域的空白；

2.本发明的敏感元件为电涡流传感器，在被测体两侧安装，进行差分输出，增大了矢量水听器的灵敏度，减小了矢量水听器的噪声影响；

3.本发明相较于传统矢量水听器，本发明的矢量水听器可刚性固定在平台上，因此在矢量水听器完成后，安装更为简便；

4.本发明的线缆与被测柱体分离，避免了线缆对被测柱体的运动产生影响，相较于传统矢量水听器，本发明更近似于水质点的运动，同时测量稳定性更高。

附图说明

图1为一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器的结构示意图；

图2为一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器的俯视图；

图3为本发明电涡流传感器及其安装平台的示意图。

图中的附图标记为：充油管1，安装框架2，非磁性材料被测柱体3，电涡流传感器4，弹性元件5，导线6，水密件接插件7，安装平台9，充油口10，角铁11。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明包括一个充油管、安装框架、超顺磁溶液、两支电涡流传感器、非磁性材料被测体及八个弹性元件，被测体通过弹性元件悬挂在安装框架上。所述的充油管与安装框架刚性连接。所述的安装框架留有八个悬挂钩及两个电涡流传感器的安装平台。所述的超顺磁溶液为四氧化三铁纳米水溶液。所述的电涡流传感器与传感器安装平台连接，两个电涡流传感器分别安装在被测体两侧，进行差分输出，构成单矢量通道。所述的非磁性材料被测体为铜材料柱壳，内填充低密度复合材料，外部留有八个悬挂钩，用于通过弹性元件与安装框架悬挂。所述的弹性元件为拉伸弹簧或软橡胶绳。所述的充油管下部安装两个角铁，便于矢量水听器与实验平台刚性连接。

本发明中，矢量水听器的敏感元件为电涡流传感器。电涡流传感器的基本原理是电磁感应定律，当电涡流传感器的线圈探头有交流电流通过时，线圈产生磁场，并在附近金属中激发电涡流，产生涡流磁场，电涡流产生的磁场与线圈产生的磁场方向相反，因此涡流磁场对线圈磁场有着抵消的作用，从而使线圈的等效电感减小。当电涡流传感器与被测金属距离改变时，涡流磁场产生变化，从而使线圈的等效电感发生改变。

本发明中，被测圆柱体遵循同振柱形矢量水听器的声接收理论，当圆柱体的尺寸远小于波长，同时圆柱体的平均密度与水密度近似时，柱体振动可模拟水质点振动。由于本发明中矢量水听器测量的量为水质点位移，因此圆柱体位移与水质点位移之间的关系为

式(1)中，X₁为圆柱体的位移幅值，X₀为水质点的位移幅值，ρ₁为圆柱体的密度，ρ₀为水的密度。

本发明中，四氧化三铁纳米水溶液为超顺磁性物质，超顺磁性物质是指颗粒小于临界尺寸时具有单畴结构的铁磁物质，由许多微小的磁畴组成，当外部没有磁场作用时，表现为顺磁性特点，一旦外磁场对其产生作用，表现为铁磁性特点，磁畴产生与外磁场方向相同的附加磁场，从而对整个磁场进行加强。式(2)表示了磁场中充满磁介质时，磁感应强度大小的变化：

式(2)中，B₀为原磁场在真空中的磁感应强度，B为磁场在充满磁介质时的磁感应强度，ΔB₀为一定位移下真空中磁感应强度变化量，ΔB为同等位移下充满磁介质时的磁感应强度变化量，μ_r为磁介质的相对磁导率。超顺磁性物质相对磁导率大于1，因此磁场中加入超顺磁性物质增强了磁场强度，在同等位移下增大了磁感应强度的变化量，进而增大了传感器的灵敏度。同时四氧化三铁纳米水溶液与铜不发生化学反应，水听器较为稳定。

首先如图1和图2，整个系统包括充油管1，安装框架2，被测柱体3，电涡流传感器4，八根弹性元件5连接被测柱体3与安装框架2。

如图3，两个电涡流传感器4分别安装在两侧平台9上，平台9与安装框架2刚性连接，调整电涡流传感器4与平台9之间的位置，使得被测柱体3与两个电涡流传感器4之间的距离一致，达到电涡流传感器的最佳测量位置，同时电涡流传感器4的导线6从平台9中引出，并进入水密件接插件7中，将信号引出系统。

待整个系统安装完成，从充油口10将超顺磁性物质四氧化三铁纳米水溶液注入充油管1中，完成整个甚低频高灵敏度位移矢量水听器系统。

角铁11与充油管1刚性固定，可与外部平台固定，便于矢量水听器系统的安装。

一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器，包括一个充油管、安装框架、铁磁溶液、一支电涡流传感器件、非磁性材料被测体及八个弹性元件，被测体通过弹性元件悬挂在安装框架上。所述的非磁性材料被测体为矢量水听器的拾振元件，具体为铜圆柱壳体，内部由低密度材料灌封。所述的安装框架与充油管刚性连接。所述的铁磁溶液作为提高水听器灵敏度的增大剂，具体的说是四氧化三铁纳米水溶液，通过充油口注入充油管中。所述的矢量水听器采用电涡流传感器为其运动敏感元件，具体来说是一个单轴向位移传感器，对被测体的位移量进行测量。所述的八个弹性元件为拉伸弹簧或软橡胶绳。弹性元件将非磁性被测体悬挂在安装框架上。所述的电涡流传感器导线由水密接插件引出充油管。所述的安装框架上留有八个悬挂钩，可与弹性元件连接。所述的非磁性被测体上留有八个悬挂钩，可与弹性元件连接。

综上，本发明提供了一种高灵敏度的甚低频位移矢量水听器，包括一个充油管、安装框架、铁磁溶液、两支电涡流传感器件、非磁性材料被测体及八个弹性元件，被测体通过弹性元件悬挂在安装框架上。本发明突破了矢量水听器甚低频探测的难题，并在原有基础上提升了水听器的灵敏度；其特点为非接触测量，水听器抑制噪声能力强，灵敏度高，其线缆不会对被测体的运动产生影响，且整体可进行刚性安装。

Claims (7)

1.一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器，其特征在于：包括外壳部分、内部框架部分和传感部分；其中，外壳部分为一柱体结构，其顶部预留有孔，底部左右两侧安装有固定用角铁；内部框架部分位于外壳部分内部，主体为一圆柱体刚性框架，其与外壳部分刚性连接；传感部分位于内部框架部分左右两侧；所述的外壳部分包括充油管(1)、充油口(10)以及角铁(11)；充油管(1)为一柱体结构，其上表面预留有孔；充油口(10)位于充油管(1)上表面预留孔处；两个角铁(11)分别位于充油管(1)下表面左右对称两端，其与充油管(1)刚性固定；所述的充油管(1)内部与其他部分形成的间隙之间填充有超顺磁溶液。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器，其特征在于：所述的内部框架部分包括安装框架(2)、非磁性材料被测柱体(3)以及弹性元件(5)；安装框架(2)为一圆柱体刚性框架，其与充油管(1)刚性连接；非磁性材料被测柱体(3)位于安装框架(2)几何中心，其与安装框架(2)共轴；弹性元件(5)为拉伸弹簧或软橡胶绳，其一端连接在安装框架(2)上，另一端连接在非磁性材料被测柱体(3)上。

3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器，其特征在于：所述的传感部分包括电涡流传感器(4)、导线(6)、水密件接插件(7)以及安装平台(9)；安装平台(9)为一笼式结构，其远离安装框架(2)轴线一侧刚性固定在安装框架(2)上，其指向安装框架(2)轴线一侧预留开孔，其底端同样预留开孔；电涡流传感器(4)位于安装平台(9)侧面预留开孔部位；导线(6)一端通过安装平台(9)底端预留开孔部位与电涡流传感器(4)连接，一端与水密件接插件(7)连接；水密件接插件(7)位于安装框架(2)底部。

4.根据权利要求3所述的一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器，其特征在于：所述的超顺磁溶液具体为四氧化三铁纳米水溶液。

5.根据权利要求2或4所述的一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器，其特征在于：所述的安装框架(2)，其上下表面圆环四等分处共有8个悬挂钩，其圆周侧面对称分布有2个用于电涡流传感器(4)的安装平台(9)。

6.根据权利要求2所述的一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器，其特征在于：所述的非磁性材料被测柱体(3)，具体为铜材料柱壳，其内部填充低密度复合材料，其上下表面外围四等分处共有8个悬挂钩，通过弹性元件(5)与安装框架(2)上的8个悬挂钩对应连接。

7.根据权利要求3所述的一种高灵敏度甚低频位移矢量水听器，其特征在于：所述的电涡流传感器(4)，两个电涡流传感器(4)严格对称分布在安装框架(2)的两侧，两者的连线穿过非磁性材料被测柱体(3)的轴线，通过差分输出构成单矢量通道。

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