CN111551243A - 一种共振空腔水听器的工作频率拓展方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共振空腔水听器的工作频率拓展方法，水听器的工作频率小于等于阈值时，所述方法包括：水听器包括：圆柱螺旋管道器件或立体螺旋管道器件或平面螺旋管道器件、麦克风布放位置、扫描螺旋线、电源和信号线、固定麦克风的盖子、插入麦克风的孔、平面螺旋管道器件的一个横截面、以及麦克风；过圆柱螺旋管道器件或立体螺旋管道器件或平面螺旋管道器件的表面任意一点布放位置，用垂直于扫描螺旋线的平面截取立体螺旋管道器件或平面螺旋管道器件，获取截面图；通过数值计算不同条件下的螺旋线的弧长，通过调节弧长连续地调节工作频率。

Description

一种共振空腔水听器的工作频率拓展方法

技术领域

本发明涉及水听器领域，尤其涉及一种共振空腔水听器的工作频率拓展方法。

背景技术

水听器可以将水下声信号转换为电信号，并广泛用于水下声检测、测距、通信、充液加压管道的泄漏检测等。灵敏度是水听器最重要的性能指标之一，高的灵敏度可以带来更高的信噪比以及更长的检测和通信距离。

为了提高水听器的灵敏度，一方面，采用具有更高压电系数的新材料来提高压电转换效率；另一方面，采用增敏结构提高声压到压电水听器的压电材料的振动的耦合效率或提高声压到光纤水听器的光纤的动态应变的耦合效率。当水听器在远离共振频率的频带中工作时，其频率响应是平坦的，并且可以在非常宽的频率范围内接收信号。然而，一些用于回声检测和通信的水听器通常在谐振频率下工作以获得足够高的灵敏度，而在其他频率下它们的灵敏度则尽可能低以抑制环境噪声的干扰。在窄带场景中使用的水听器，一般使用具有共振现象的固体增敏结构和液体共振腔来提高灵敏度。

这类共振型水听器，都是利用固体元件本身的共振或液体腔的共振，其共振频率与壳体尺寸和材料属性有密切关系，因此设计变量多、结构复杂、设计成本高，无法充分满足各种频率水听器的快速设计和制备的需求。

发明内容

本发明提供了一种共振空腔水听器的工作频率拓展方法，可避免传统水听器为增加灵敏度所引起的设计周期长、结构复杂、成本高的缺点，详见下文描述：

一种共振空腔水听器的工作频率拓展方法，水听器的工作频率小于等于阈值时，所述方法包括：

水听器包括：圆柱螺旋管道器件或立体螺旋管道器件或平面螺旋管道器件、麦克风布放位置、扫描螺旋线、电源和信号线、固定麦克风的盖子、插入麦克风的孔、平面螺旋管道器件的一个横截面、以及麦克风；

过圆柱螺旋管道器件或立体螺旋管道器件或平面螺旋管道器件的表面任意一点布放位置，用垂直于扫描螺旋线的平面截取立体螺旋管道器件或平面螺旋管道器件，获取截面图；通过数值计算不同条件下的螺旋线的弧长，通过调节弧长连续地调节工作频率。

其中，平面螺旋管道器件上、截面上设置有麦克风布放位置，麦克风布放位置处设置有麦克风，麦克风上设置有电源和信号线，以及固定麦克风的盖子，电源和信号线与麦克风焊接在一起，麦克风插入小孔进而固定在平面螺旋管道器件上。

当水听器的工作频率大于阈值时，所述方法包括：

水听器包括：球形腔或扁圆柱腔或长圆柱腔或长方体腔或圆环腔，将麦克风插入空腔中，获取截面图；

敲击外壳，记录麦克风声音数据做傅里叶变换，得到频谱图，识别特征峰，如果预期工作频率f0与特征峰fri，i＝1,2,3,…之一相等，则该器件可用；如不相等，则等比例改变腔体的尺寸，旧器件和新器件的尺寸比例系数为f0/fri，使得新器件的工作频率之一fri等于预期工作频率f0。

其中，电源和信号线与麦克风焊接在一起，麦克风通过平面螺旋管道器件上的小孔插入水听器、安装在截面上，电源和信号线的一部分露在水听器的外部，电源和信号线穿过盖子，电源和信号线、盖子之间、以及盖子、小孔之间由速干胶水密封固定。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、水下声测距和检测通常要求水听器在窄带工作频率下具有高灵敏度。与借助新材料和固/液谐振结构的传统增敏方法不同，本发明提供了一种基于谐振气腔的低成本、高灵敏度、多频水听器的设计方法，该谐振器内部装有廉价的商用MEMS麦克风。该水听器的共振频率由空气腔尺寸和声学模态决定(即腔尺寸和共振频率的乘积为一个定值)，但与固体外壳的共振无关，这大大简化了水听器的设计、提高了水听器工作频率的设计精度，保证了特定频率处的高灵敏度。

2、本发明开发的水听器在共振频率下的灵敏度和信噪比(SNR)高于商业标准水听器TC4013+50dB放大器。

3、本发明所提出的水听器被成功地应用于水下声测距和充水管道的泄漏检测；当压力降至70kPa时，泄漏检测分辨率高达0.164L/min。

附图说明

图1为基于螺旋管道的共振空腔水听器的结构示意图；

图2为基于短共振空腔水听器的结构示意图；

图3为螺旋管道器件的声压声场分布示意图；

图4为螺旋管道器件的沿线声压分布示意图；

图5为两个不同大小水听器的频率响应曲线示意图；

图6为不同直径空腔水听器的前三个工作频率与半径的关系示意图；

图7为本发明试制的水听器和标准水听器的输出信号对比示意图；

图8为本发明试制的水听器用于检测管道泄漏时的信号幅度和压力、泄漏量随着时间变化的曲线示意图。

表1为本发明试制的水听器进行水下测距的结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

该基于共振空腔的水听器由一个空壳组成，空壳浸没在水中，空壳内部固定设置有麦克风，麦克风采集从外部水域投射进来的声音信号。空壳的形状和大小根据预期的水声探测频率确定。该空壳没有压电陶瓷等敏感材料、不需要阻抗匹配层，可以由3D打印、机械加工、注塑等工艺制作。当组成多频水听器时，也可以由多个水听器组成(即包括多个空壳)。

一、水听器的工作频率f0小于等于阈值f1时，基于螺旋管道的共振空腔水听器的结构如下：

当水听器的工作频率f0很低时，例如：当f0小于等于f1时，采用如图1所示的螺旋管状结构。该水听器由一个圆柱片内部挖去一个螺旋管道构成，或者由一个长管螺旋弯曲构成。在圆柱片的端面开有小孔，麦克风从该小孔插入螺旋管道内，麦克风的电源线、信号线、地线则留在圆柱片外侧，构成水听器。经过发明人的多次实验测试，f1可被设置为1000Hz，具体实现时，也可以为其他的数值，本发明实施例对此不做限制。

图1为基于螺旋管道的共振空腔水听器，包括：立体螺旋管道器件1或平面螺旋管道器件2或圆柱螺旋管道器件91、麦克风布放位置3、扫描螺旋线4、电源和信号线5、固定麦克风的盖子6、插入麦克风的孔7、平面螺旋管道器件2的一个横截面8、以及麦克风9。

其中，立体螺旋管道器件1或平面螺旋管道器件2的内部为空气腔，具体形式为：过立体螺旋管道器件1或平面螺旋管道器件2的表面任意一点布放位置3、用垂直于扫描螺旋线4的平面截取立体螺旋管道器件1或平面螺旋管道器件2，可以得到图1子图D所示的截面图，阴影部分为固体，内部空白部分为空气腔。图1C是图1D的俯视图，图1D是图1A或图1B过麦克风布放位置3的横截面图。

其中，立体螺旋管道器件1和平面螺旋管道器件2是两种结构相似的水听器，立体螺旋管道器件1的安装固定方式与平面螺旋管道器件2相同。

下面以平面螺旋管道器件2为例，说明各个部件之间的连接方式：

平面螺旋管道器件2上设置有麦克风布放位置3，麦克风布放位置3处设置有麦克风9，麦克风9上设置有电源和信号线5，以及固定麦克风的盖子6，电源和信号线5与麦克风9焊接在一起，麦克风9插入小孔7进而固定在平面螺旋管道器件2上。

平面螺旋管道器件2在三维建模扫描时形成扫描螺旋线4，平面螺旋管道器件2的器壁用横截面8表示(即为薄壳)，电源和信号线5、盖子6之间、以及盖子6、小孔7之间由速干胶水密封固定。

具体的，螺旋管道的扫描螺旋线4的方程为：

x＝cos(2π(r₁-r_z)/p1)*r_z

y＝sin(2π(r₁-r_z)/p1)*r_z r_z∈[r₂,r₁]

z＝0

其中，r₁、r₂、p1分别为螺旋线的外半径、内半径和螺距，r_z为螺旋线上任意一点距离中心点的距离。扫描横截面为圆形，或矩形、正方形、梯形、三角形等多边形，多边形有无倒角或圆角皆可。

通过数值计算不同条件下的螺旋线的弧长s：固定r₁(或r₂)，调节r₂(或r₁)使得s＝c0/f0/2，则该器件可以工作在f0*n的频率处，通过调节弧长s可以连续地调节工作频率，其中，c0为空气中的声波波长，n0＝1,2,3，…，螺旋线弧长s的计算公式为：

二、水听器的工作频率f0大于阈值频率f1，基于圆柱腔的共振空腔水听器的结构如下：

当水听器的工作频率f0较高时，例如当f0大于阈值频率f1时，如图2所示，采用球形腔、扁圆柱腔、长圆柱腔、长方体腔、圆环腔等结构，将麦克风插入空腔中，构成水听器。经过发明人的多次实验测试，f1可被设置为1000Hz。

该空腔是指图2中的11-19各个形状的固体内部挖空形成，具体形式为：过11-19的表面任意一点31、用平面截取11-19，可以得到图2子图A-F所示的截面图，阴影部分为固体，内部空白部分为空气腔。

参见图2，包括：椭球壳11、长方体壳12、圆锥壳13、正方体壳14、截面为圆形的圆环壳15、球壳16、扁圆柱壳17、圆柱壳18、截面为矩形的圆环壳的水听器19，子图A是18和19的截面，B是圆环壳15和球壳16的截面，C是正方体壳14的截面，D是扁圆柱壳17和长方体壳12的截面，E是圆锥壳13的截面，F是椭球壳11的截面。

电源和信号线5与麦克风9焊接在一起，麦克风9通过平面螺旋管道器件2上的小孔7插入水听器，电源和信号线5的一部分露在水听器的外部，电源和信号线穿过盖子6，电源和信号线5、盖子6之间、以及盖子6、小孔7之间由速干胶水密封固定。

试制一个器件，轻敲击外壳，记录麦克风声音数据s1。对数据s1做傅里叶变换，得到其频谱图，识别其特征峰fr1，fr2，fr3，…。如果f0与这些特征峰之一相等，则该器件可用；如果不相等，则等比例改变腔体的尺寸，比例系数为f0/fri，i＝1,2,3,…，使得新器件的工作频率之一fri等于预期工作频率f0。

下面结合具体的试验验证本发明的可行性，详见下文描述：

1、对于低频共振腔水听器，以平面螺旋管道水听器为例，展示本发明的有益效果。

设计的工作频率f0＝182Hz，根据前述方法，s＝c0/f0/2＝343m/s/182Hz/2＝942mm，于是试制了这样的器件。如图3所示，试制的器件可以明显地感知到f0＝182Hz的低频水声信号，试制的器件内部声压有明显的加强现象，灵敏度很高。如图4所示，这样一个固定螺旋线长度s＝942mm的一个平面螺旋管道水听器，还可以感知工作频率fr2＝364Hz，fr3＝546Hz的其他频率声波，且分别为f0的2倍和3倍。如图4所示，峰值灵敏度出现的个数分别为2、3、4，对于每个频率，相邻峰的间距分别为1、1/2、1/3倍的s。这说明对于fr2＝364Hz，fr3＝546Hz的声波，器件的长度可以分别缩短为1/2、1/3倍的s，通过调节s可以方便地改变预期工作频率。

2、对于高频共振腔水听器，以圆柱腔水听器为例，展示本发明的有益效果，其他腔体与此相似。

试制了一个大小为R1＝15mm的共振腔水听器，对其敲击获得了声音数据，对声音数据做傅里叶变换，得到其频谱图，如图5点线图所示，其前两个峰值频率分别为f12＝7600Hz，f22＝16400Hz。现在想让一个新的水听器工作在f0＝f21＝9900Hz，根据本发明，可以将该水听器等比例增大至f22/f21*R1＝25mm。于是试制了第二个大小为25mm的共振腔水听器，对其敲击获得了声音数据，对声音数据做傅里叶变换，得到其频谱图，如图5断线图所示，其前两个峰值频率分别为f12＝4600Hz，f22＝9800Hz。可见f22和预期的f0＝9900Hz非常接近。

又试制了一批不同大小的共振腔水听器，大小分别为8mm，16mm，24mm，32mm，40mm，测试并提取前三个共振频率，结果如图6中的点所示。点表示测试获得的不同大小的水听器的共振工作频率，自下而上分别是第1,2,3个工作频率。曲线表示对这些点进行拟合，自下而上分别是第1,2,3个工作频率，拟合方程为y＝k*x^-1，说明工作频率与器件大小的倒数成正比。因此，通过调节共振空腔水听器的大小，可以方便且准确地调节水听器的共振频率，实现对各种不同频率水声信号的探测。

3、具体应用效果

(1)灵敏度

将标准水听器与所设计的水听器放在同一位置，接收同一大小的水下声压。利用标准水听器TC4013的输出电压和其手册上标注的灵敏度计算测点处的声压。最后用所设计的水听器的输出电压除以测点处的声压，得到共振腔水听器的灵敏度。其中，标准水听器TC4013的前置放大器的放大倍数设置为50dB。测得的两种水听器的信号如图7所示。测试结果表明，当标准水听器的前置放大倍数为50dB、共振腔水听器没有后续放大时，后者的灵敏度大于前者的、且波形很规整。

(2)测距

测量水声信号从发射点到接收点所经历的渡越时间，可以计算发射和接收点之间的距离。测距实验在35米×35米×1.6米的大型水池中进行。固定水听器，通过移动发射换能器改变水听器与换能器间的距离。采集卡同时采集激励电信号和水听器的接收信号，计算直达声信号起点与激励信号的时间差，再乘以声速，就得到水听器和换能器间的距离。测距结果如表1所示。可以看到，实际距离和测得距离相差很小。水听器能够成功在水下测距，后续可以应用于基于时延法的长、短基线定位中。

表1水声测距结果

(3)泄漏检测

打印了一个半径为45mm的水听器样机，内部安装有麦克风和声音信号记录器。搭建了12m长的管道泄漏实验装置。将水听器放入到管道的中心处。用自来水给充水并加压至0.3MPa，管道开始泄漏；然后关闭进水阀，管道继续泄漏，但泄漏量随着压力的下降而逐渐变小。水听器采集整个过程的泄漏声信号，等到泄漏停止后，取出水听器、下载数据并进行频谱分析。泄漏实验过程中连续记录管道内压力和泄漏水的重量。计算泄漏水量关于时间的微分，可以获得瞬时泄漏率。

关闭进水阀后，泄漏持续了将近9min。在这段时间内的原始泄漏声信号和2400Hz特征频率处的幅值变化曲线如图8所示。可以看到，在前70s内信号幅值下降较快，70s-280s内信号幅值下降缓慢，最后趋于平稳。从时频图可以看出，在前20s，水听器能够检测到非常明显的泄漏声特征峰；t＝70s时，特征频率的幅值变弱了一些；t＝280s时，频谱图中特征峰已经很微弱了，且此后特征频率的幅值不再变化。可以认为280s以后不能检测到泄漏信号，此时泄漏速率为2.72g/s，约0.164L/min，对应压力为70kPa。该检漏灵敏度很高、属于微小泄漏级别。

有上述对实际器件的验证测试可知本技术的有益效果为：提供了一种基于谐振气腔的低成本、高灵敏度、多频水听器设计方法，该谐振器内部装有廉价的商用MEMS麦克风。该水听器的共振频率和指向性由气孔尺寸和声学模态决定，与固体外壳的共振无关，这大大简化了水听器的设计、提高了水听器工作频率的设计精度，保证了特定频率处的高灵敏度。所开发的水听器在共振频率下的灵敏度和SNR高于商业标准水听器TC4013+50dB放大器。所提出的水听器被成功地应用于水下声测距和充水管道的泄漏检测；当压力降至70kPa时，泄漏检测分辨率高达0.164L/min。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (4)

1.一种共振空腔水听器的工作频率拓展方法，其特征在于，水听器的工作频率小于等于阈值时，所述方法包括：

水听器包括：圆柱螺旋管道器件或立体螺旋管道器件或平面螺旋管道器件、麦克风布放位置、扫描螺旋线、电源和信号线、固定麦克风的盖子、插入麦克风的孔、平面螺旋管道器件的一个横截面、以及麦克风；

过圆柱螺旋管道器件或立体螺旋管道器件或平面螺旋管道器件的表面任意一点布放位置，用垂直于扫描螺旋线的平面截取立体螺旋管道器件或平面螺旋管道器件，获取截面图；通过数值计算不同条件下的螺旋线的弧长，通过调节弧长连续地调节工作频率。

2.根据权利要求1所述的一种共振空腔水听器的工作频率拓展方法，其特征在于，

平面螺旋管道器件上、截面上设置有麦克风布放位置，麦克风布放位置处设置有麦克风，麦克风上设置有电源和信号线，以及固定麦克风的盖子，电源和信号线与麦克风焊接在一起，麦克风插入小孔进而固定在平面螺旋管道器件上。

3.一种共振空腔水听器的工作频率拓展方法，其特征在于，水听器的工作频率大于阈值时，所述方法包括：

水听器包括：球形腔或扁圆柱腔或长圆柱腔或长方体腔或圆环腔，将麦克风插入空腔中，获取截面图；

敲击外壳，记录麦克风声音数据做傅里叶变换，得到频谱图，识别特征峰，如果预期工作频率f0与特征峰fri，i＝1,2,3,…之一相等，则该器件可用；如不相等，则等比例改变腔体的尺寸，旧器件和新器件的尺寸比例系数为f0/fri，使得新器件的工作频率之一fri等于预期工作频率f0。

4.根据权利要求3所述的一种共振空腔水听器的工作频率拓展方法，其特征在于，

电源和信号线与麦克风焊接在一起，麦克风通过平面螺旋管道器件上的小孔插入水听器、安装在截面上，电源和信号线的一部分露在水听器的外部，电源和信号线穿过盖子，电源和信号线、盖子之间、以及盖子、小孔之间由速干胶水密封固定。

Images