CN110987157A - 悬臂梁挠曲电效应矢量水听器 - Google Patents

悬臂梁挠曲电效应矢量水听器 Download PDF

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李肇奇
邓谦
申胜平
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    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
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Abstract

本发明公开了悬臂梁挠曲电效应矢量水听器，包括固定基座，所述固定基座的前端外表面中间位置固定连接有挠曲电介质材料，且挠曲电介质材料的上下端外表面均固定连接有电极，上下两个所述电极外接调节电阻，所述挠曲电介质材料呈悬臂梁形状，由于悬臂梁形状的挠曲电介质材料尺寸较小，其宽与厚的比值极小，可以将声波近似为沿水听器上表面法向量传播来的平面波，若干个该悬臂梁水听器可通过组合来测得三维方向上的声波信号。本发明通过应变梯度导致的电极化，通过悬臂梁上下表面电极连接的电阻两端的电压，线性反映声压的梯度大小，结构简单，操作方便，便于使用，通过多个水听器的有效组合，可以测得三维方向上的声波信号。

Description

悬臂梁挠曲电效应矢量水听器
技术领域
本发明涉及矢量水听器技术领域，具体为悬臂梁挠曲电效应矢量水听器。
背景技术
声波是海洋中唯一能够远距离传播的能量形式，水听器就是在海洋中用于检测海洋声波的基本器件。其中，矢量水听器是一种用于检测声波声压高阶梯度的水声探测器件。由于矢量水听器探测的是声压梯度，所以不需要将其配成基阵即可探测声源方位。
挠曲电效应是一种力电耦合效应，它存在于几乎所有电介质材料中，当电介质发生非均匀应变导致的应变梯度时，电介质就会因为挠曲电效应产生电极化。由于挠曲电效应的尺寸效应以及各种材料挠曲电系数较低等原因的限制，使得挠曲电并没有广泛的实际应用。在矢量水听器的方面，由于探测的是声压梯度，而声压梯度可以在某些情况下转变为电介质的应变梯度，所以，挠曲电效应在矢量水听器方面会有广泛的应用前景。
现有的矢量水听器工作原理基于测量声场振速，无法直接测量声压梯度为此，提出悬臂梁挠曲电效应矢量水听器。
发明内容
本发明的目的在于提供悬臂梁挠曲电效应矢量水听器，结构简单，操作方便，通过应变梯度导致的电极化，通过悬臂梁上下表面电极连接的电阻两端的电压，线性反映声压的梯度大小，便于使用；通过多个水听器的有效组合，可以测得三维方向上的声波信号，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：悬臂梁挠曲电效应矢量水听器，包括固定基座，所述固定基座的前端外表面中间位置固定连接有挠曲电介质材料，且挠曲电介质材料的上下端外表面均固定连接有电极，上下两个所述电极外接调节电阻。
通过应变梯度导致的电极化，通过悬臂梁上下表面电极连接的电阻两端的电压，线性反映声压的梯度大小，结构简单，操作方便，便于使用。
优选的，所述挠曲电介质材料呈悬臂梁形状。
该设置便于接收声波。
优选的，若干个该悬臂梁水听器可通过组合来测得三维方向上的声波信号。
该设置使得本发明可测得三维方向上的声波信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过应变梯度导致的电极化，通过悬臂梁上下表面电极连接的电阻两端的电压，线性反映声压的梯度大小，结构简单，操作方便，便于使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1、固定基座；2、挠曲电介质材料；3、电极；4、调节电阻。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
悬臂梁挠曲电效应矢量水听器，包括固定基座1，所述固定基座1的前端外表面中间位置固定连接有挠曲电介质材料2，且挠曲电介质材料2的上下端外表面均固定连接有电极3，上下两个所述电极3外接调节电阻4。
通过应变梯度导致的电极化，通过悬臂梁上下表面电极连接的电阻两端的电压，线性反映声压的梯度大小，结构简单，操作方便，便于使用。
具体的，如图1所示，所述挠曲电介质材料2呈悬臂梁形状。
通过采用上述技术方案，该设置便于接收声波。
具体的，如图1所示，若干个该悬臂梁水听器可通过组合来测得三维方向上的声波信号。
通过采用上述技术方案，该设置使得本发明可测得三维方向上的声波信号。
工作原理：使用时，当有声波传至该水听器时，由于悬臂梁形状的挠曲电介质材料2尺寸较小，其宽与厚的比值极小，可以将声波近似为沿水听器上表面法向量传播来的平面波，假设目标发出的声波为谐波形式，传播至水听器的声波方程可以写为如下形式：
Figure RE-GDA0002391470190000031
prec为谐波振幅，j是虚数单位，ω是谐波的角频率，c 是声速，t是时间,x1是平面波传播方向。沿x1方向的声压梯度为：
Figure RE-GDA0002391470190000041
模型上表面各处的声压就是p,x1方向的声压梯度就是
Figure RE-GDA0002391470190000042
同时，模型的广义变形幅值和声压输出也应该是谐波形式，如下所示：
b(t)＝Bejωt v(t)＝Vejωt
B是广义变形幅值，V是输出电压幅值。系统的动力学方程可以写为如下形式：
Figure RE-GDA0002391470190000043
Figure RE-GDA0002391470190000044
上面的方程组中，
Figure RE-GDA0002391470190000045
表示对*求时间的一阶导数，
Figure RE-GDA0002391470190000046
表示对*求时间的二阶导数。M是广义质量，D是广义阻尼，K是广义弹性系数，S是水听器上表面面积，R是外接电阻阻值。
Figure RE-GDA0002391470190000047
为介电参数，其中h是水听器模型厚度，a是倒极化率，∈0是真空介电常数。
Figure RE-GDA0002391470190000048
是力电耦合系数，其中f是挠曲电系数，
Δ是与应变梯度相关的形状参数。
将声波方程
Figure RE-GDA0002391470190000049
及广义振幅b(t)还有电压输出v(t)代入动力学方程中即可求得电压及广义变形幅值：
Figure RE-GDA0002391470190000051
Figure RE-GDA0002391470190000057
在V的表达式中，将声压梯度
Figure RE-GDA0002391470190000052
移至左端，令
Figure RE-GDA0002391470190000053
Gf(ω，R)可以写为如下形式：
Figure RE-GDA0002391470190000054
该函数Gf(ω，R)是关于ω和R的二元隐函数，分析该二元函数图像及其导函数图像即可得到满足一定工作频带的外接电阻值；
通过上述内容可以知道，在使用过程中，使用者将调节电阻4的电阻值确定，从而确定Gf(ω，R)，再通过测量调节电阻4两端的电压的时域信号 (即V)，根据公式
Figure RE-GDA0002391470190000055
即可推算出
Figure RE-GDA0002391470190000056
从而知道所求的声压梯度，整个装置结构简单，操作方便，便于使用；本发明中的悬臂梁水听器只能测得一个方向的声压梯度，需要计算测量多个方向的声压梯度可将至少三个悬臂梁水听器放置在线性无关的三个方向上。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.悬臂梁挠曲电效应矢量水听器，其特征在于：包括固定基座(1)，所述固定基座(1)的前端外表面中间位置固定连接有挠曲电介质材料(2)，且挠曲电介质材料(2)的上下端外表面均固定连接有电极(3)，上下两个所述电极(3)外接调节电阻(4)。
2.根据权利要求1所述的悬臂梁挠曲电效应矢量水听器，其特征在于：所述挠曲电介质材料(2)呈悬臂梁形状。
3.根据权利要求2所述的悬臂梁挠曲电效应矢量水听器，其特征在于：若干个该悬臂梁水听器可通过组合来测得三维方向上的声波信号。
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