CN112683386A - 一种积分型压电振速矢量水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水声探测技术领域，公开了一种积分型压电振速矢量水听器，提出用电路积分方法将加速度矢量信息积分成为振速矢量信息输出，以实现恒定灵敏度(灵敏度与频率无关)的振速型矢量水听器，从而可以采用结构简单、性能稳定、技术成熟的压电加速度传感器来制作振速矢量水听器。既解决了因加速度型矢量水听器灵敏度频响呈‑6dB/oct衰减以至低频灵敏度很低甚至不可测的问题，克服了动圈式(磁电式)振速矢量水听器设计繁复且永磁场对安装环境要求苛刻等问题，提高了对低噪声目标的探测能力及振速型矢量水听器的适装性。可应用于水声侦察、对潜警戒探测、鱼雷对抗等水声设备，分布式传感器网络等多种声纳，提高声纳对目标的检测能力。为新型声纳装备的发展提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于水声探测技术领域，主要是一种积分型压电振速矢量水听器。
背景技术
矢量水听器作为20世纪晚期出现的一种新型水下声传感器，可以同步共点的获得声场的标量和矢量信息，改善了水声系统的性能。为了满足远距离探测和低频噪声测量的要求，低频、小型化、高灵敏度己成为矢量水听器发展的一个重要趋势。
随着工程应用领域的扩大，声场及测量声场的边界条件更加复杂。声压水听器有时显得无能为力，如：在声学软边界处声压最小，用声压水听器测量可能会遇到灵敏度和信噪比过低以至无法测量的困难。但在此类边界处，振速值最大，用振速水听器和位移传感器测量是行之有效的。又如，复杂结构辐射声场尤其是近场是很复杂的，在用声强法研究结构振动特性时，传统的声压水听器便不能满足要求。
历史上物理学家很早就意识到声场具有能量，并认识到要测量声强必须同时测量声压和质点振速，但如何测量质点振速一直是声学测量中的重要问题。“瑞利盘”是最古老最简单的测量质点振速的工具，Parker等曾经利用浮置在声波中的微粒的振动径迹来测质点振速。但这种方法因装置复杂没能走出实验室。根据尤拉方程，通过测量声场中某两点之间的声压差值和距离差值，根据有限差分近似原理，可计算出声场中两点连线中心处的声压梯度，1943年Bolt等人便提出利用间隔小于波长的两相同传声器的输出电压近似和声场中被测点的压力梯度成正比这一原理进行质点振速的测量，实际上这也是英国F.J.Fahy和美国Ching J.Y提出的双传声器互谱法测声强的基础，利用这种方法，曾有人制作了声功率计和声强测量系统，但这种利用有限差分近似质点振速的方法存在互谱法测声强中所存在的问题。为了直接测量水质点的振速，许多水声工作者为此作过很多努力，首次制作出振速水听器的是美国贝尔电话实验室，但他们设计的BTL-1A型水听器，灵敏度很低，约为-240dB(0dB＝1V/uPa)，且寄生谐振使校准曲线变形。后来CBS实验室的B.B.Bauer和NOL研究所的Leslie制作了类似的动圈式振速水听器，后者将灵敏度提高到-210dB～-220dB(0dB＝1V/uPa)，其开路灵敏度在200Hz～2kHz之间为一平坦的直线。
依据内部敏感元件测量的物理量不同，矢量水听器可分为振速式、位移式、加速度式矢量水听器。由于历史上压电陶瓷在水声中的统治地位，美俄两国研制的主要是基于压电加速度传感器的原理工作的声压梯度水听器，振速水听器的制作相对较少，但近年来，出现了用PVDF、光纤、电容，磁致伸缩材料制作的矢量水听器，也是以加速度传感器居多。动圈式振速水听器具有能实现振速的直接测量，输出阻抗低和灵敏度在一定频段内不随频率变化等优点，虽然动圈式振速传感器在航空、地震测量和结构测振中应用广泛，但在国内除了2000年哈尔滨工程大学的硕士叶俊英在其硕士论文“动圈式振速水听器设计与制作”期间对动圈式振速水听器的设计及制作工艺方面做了些研究，715所孙好广在用动圈式振速传感器制作了被动定向浮标(潜标)用动圈式振速矢量水听器外，其他少有报导。动圈式振速水听器与地音器都是微弱信号检波器，利用相同的原理，结构大同小异，都与传声器结构类似。动圈式振速水听器的设计包括确定水听器结构、磁路设计、弹簧-质量振动系统设计、阻尼及回路电阻的选择，以及水听器中性悬浮条件的满足等，设计工作比较繁琐，计算量大，任一结构参数的变化都要求对整个水听器重新设计。
由于压电陶瓷性能稳定，压电加速度传感器结构简单，技术成熟等特点，目前美俄两国和我国研制的矢量水听器基本上都是采用以压电加速度传感器为敏感元件的惯性型矢量水听器。
尽管矢量水听器可以额外提供声场的矢量信息，但目前矢量水听器的主流产品，无论是压差式矢量水听器还是加速度型矢量水听器，其矢量通道灵敏都存在着随频率降低呈-6dB/oct衰减，低频灵敏度会变得很低的问题，最小可检测信噪比也高于声压通道，导致对于微弱信号检测性能的提升有限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种积分型压电振速矢量水听器。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种积分型压电振速矢量水听器，包括水密壳体、密封盖、加速度矢量单元、声压水听器、电路组件、透声介质、水密电缆、低密度复合材料同振体，加速度矢量单元与声压水听器通过低密度复合材料同振体形成组合矢量振子，用电路组件对组合矢量振子的输出的声压信息进行放大、滤波，对输出的加速度矢量信息进行放大、滤波和积分后输出振速矢量信息，形成声压振速组合矢量水听器。
所述的加速度矢量单元是由X\Y\Z三维加速度矢量的任意组合，由1～3维加速度传感器相互正交地粘结安装或灌封在低密度复合材料同振体里形成。
所述电路组件，包含1～4通道差动放大器，1～4通道巴特沃斯滤波器，1～3通道积分器，按放大、滤波、积分的功能顺序电装在一块多层电路板上，并用金属屏蔽外壳封装起来，形成电路组件；所述的组合矢量振子的矢量通道加速度传感器输出的加速度信号通过电路组件后，经信号放大器放大进入滤波器滤波，然后进入积分器积分，输出振速信号。
所述的信号放大器采用差动放大器，滤波器采用巴特沃斯滤波器，积分器采用低噪声，低漂移，高共模抑制比的运算放大器组成，积分后的速度幅频特性与原始的加速度幅频特性曲线相交于100Hz～200Hz，有效积分频率范围选择在10kHz以内。
所述的低密度复合材料同振体由中空膨胀玻璃微珠粉与乙烯基树脂在模具里复合成型，再机加工成需要的结构件。
所述声压水听器：为由外形结构、尺寸及性能都一致性良好的2-6个平面型、球形或柱形水听器，对称地固定安装在加速度矢量单元周围的低密度复合材料同振体上，形成组合的矢量振子。
本发明的有益效果为：用电路积分方法将加速度矢量信息积分成为振速矢量信息输出，以实现恒定灵敏度(灵敏度与频率无关)的振速型矢量水听器，从而可以采用结构简单、性能稳定、技术成熟的压电加速度传感器来制作振速矢量水听器。既解决了因加速度型矢量水听器灵敏度频响呈-6dB/oct衰减以至低频灵敏度很低甚至不可测的问题，克服了动圈式(磁电式)振速矢量水听器设计繁复且永磁场对安装环境要求苛刻等问题，提高了对低噪声目标的探测能力及振速型矢量水听器的适装性。可应用于水声侦察、对潜警戒探测、鱼雷对抗等水声设备，分布式传感器网络等多种声纳，提高声纳对目标的检测能力。
附图说明
图1本发明实施例提供的加速度和振速矢量水听器的声压灵敏度幅频特性关系图；
图2为本发明实施例提供的压电积分振速型矢量水听器结构示意图；
图3为本发明实施例提供的矢量通道电路组件原理图；
图4为本发明实施例提供的矢量通道积分器原理图；
图5为本发明实施例提供的压电积分振速型矢量水听器在矢量校准装置里测试的加速度声性能示意图；
图6为本发明实施例提供的压电积分振速型矢量水听器在矢量校准装置里测试的振速声性能示意图。
图7为本发明实施例提供的压电积分振速型矢量水听器在消声水池里测试的振速声性能示意图。
附图标记说明：水密壳体1、密封盖2、加速度矢量单元3、声压水听器4、电路组件5、透声介质6、水密电缆7、低密度复合材料同振体8、组合矢量振子9。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
振速型矢量水听器的灵敏度不随频率变化，但目前常见的振速矢量水听器多是动圈式振速矢量水听器，其工作原理是将声波的机械能转化为磁场中运动线圈的电能，以检测水质点的振速。通常，动圈式振速传感器的X、Y与Z通道不能互换安装使用，并且，动圈式振速传感器由于永磁场的存在，对安装环境、信号放大与传输电路的防电磁干扰也提出了更多的要求。
由于在平面波声场中声压、声压梯度、质点振速、位移和加速度存在如下关系：
声波沿x轴方向传播，声场中某点x处在t时刻的声压p(x,t)可以表示为：
p(x,t)＝p0ej(ωt-kx) (1)
式中p0-声压的幅值；ω-声波的角频率；k-波数；c-声速。
则声压梯度为：
振速v(x,t)为：
加速度a(x,t)为：
可见平面波声场中中p、v、
a的相位存在图1所示关系，也即质点加速度的相位较声压和质点振速超前90°，声压梯度的相位则较质点振速落后90°。
并且矢量水听器的声压、声压梯度、振速、加速度灵敏度之间存在如下关系。
可见加速度与振速间存在一个积分关系，压电积分振速型矢量水听器技术，便利用常见的压电加速度传感器作为敏感元件，采用电路积分的方法，将加速度矢量信息积分成为振速矢量信息输出，也即是在水听器端直接将加速度式矢量水听器变成振速式矢量水听器，将灵敏随频率降低呈-6dB/oct衰减的加速度型矢量水听器，改变成灵敏度频率响应为一条与频率无关的直线，也即在工作频带内恒定灵敏的振速式矢量水听器。既保留了压电加速度传感器的技术成熟、简单易实现且性能稳定等特点，也拥有了振速水听器频率响应的优势，还克服了动圈式振速矢量X、Y与Z通道不能互换安装，设计复杂难实现且对安装环境要求较高等问题。振速水听器的输出电压正比于质点振速，单个指向性矢量水听器就是一个空间滤波器，其抑制随机入射噪声的能力比无指向性(或全指向性)水听器强。
本发明公开了一种积分型压电振速矢量水听器，利用常见的压电加速度传感器(不限于压电式)作为敏感元件，采用电路积分的方法，将加速度传感器输出的正比于加速度信息的电压通过积分变成正比于振速信息的电压输出，将灵敏随频率降低呈-6dB/oct衰减的加速度型矢量水听器，改变成灵敏度频率响应为一条与频率无关的直线(如图1所示)，也即在工作频带内恒定灵敏的振速式矢量水听器。
加速度传感器拾取的振动加速度信号通过CR高通隔直后，通过差动放大器放大，再经过巴特沃斯二阶滤波后经过积分电路变成速度信号后输出，通过线缆传送到信号采集系统进行采集处理。
所述积分型压电振速矢量水听器(如图2所示)：包含水密壳体1、密封盖2、加速度矢量单元3、声压水听器4、电路组件5、透声介质6、水密电缆7、低密度复合材料同振体8。
所述水密壳体1：为圆柱壳或球壳(不限于柱形或球冠形)，由加工好的金属(不限于金属)框架用模具与透声橡胶硫化在一起或与聚氨酯灌注在一起形成圆柱形或球冠形(不限于圆柱形或球冠形)水密壳体1。
所述密封盖2：是与水密壳体1圆柱壳或球壳(不限于柱形或球冠形)相匹配的带O形橡胶密封圈的密封盖。
所述加速度矢量单元3：为X\Y\Z三维加速度矢量的任意组合，由1～3维加速度传感器灌封在低密度复合材料同振体里形成加速度矢量单元3。
所述声压水听器4：为由外形结构、尺寸及性能都一致性良好的2-6个平面型、球形或柱形水听器，对称地固定安装在加速度矢量单元周围的低密度复合材料同振体8上，形成组合的矢量振子9；
所述透声介质6：为硅油、聚氨酯类(不限于硅油、聚氨酯类)等透声物质。
所述组合的矢量振子9：为一个声压通道(2-6个声压水听器)与加速度矢量单元3通过低密度复合材料复合而成；
所述水密电缆7为柔软的多芯水密电缆与水密连接器插头硫化而成。
所述低密度复合材料同振体8：为中空膨胀玻璃微珠粉与乙烯基树脂(不限于乙烯基树脂)在模具里复合成型，可以直接复合成想要的结构形式，或者复合成棒材、板材等，再机加工成需要的结构件。
所述电路组件5(如图3所示)，包含1～4通道差动放大器(不限于差分放大)，1～4通道巴特沃斯滤波器，1～3通道积分器，按放大、滤波、积分的功能顺序电装在一块多层电路板上，并用金属屏蔽外壳封装起来，形成电路组件。加速度传感器输出的加速度信号通过电路组件后，经放大进入巴特沃斯滤波器滤波，然后进入积分器积分，输出振速信号。
所述积分器(如图4所示)：本设计采用低噪声，低漂移，高共模抑制比的运算放大器组成积分器，积分后的速度幅频特性与原始的加速度幅频特性曲线相交于100Hz～200Hz，根据公式V＝A/2πf，所以V的单位为mm/s，综合考虑电路各个部分的误差和噪声问题，有效积分频率范围选择在10kHz以内。
各部分组成按以下步骤实施。
1、所述水密壳体1：为由加工好的圆柱形或球冠形(不限于圆柱形或球冠形)金属(不限于金属)框架用模具与透声橡胶硫化在一起或与聚氨酯灌注在一起形成圆柱形或球冠形(不限于圆柱形或球冠形)水密壳体(1)，清洗烘干后将水密壳体内腔打毛；
2、所述水密电缆)：为柔软的多芯水密电缆与水密连接器插头硫化而成，将多芯水密电缆7的一端穿过密封盖2中间导缆孔，在密封盖2的内侧预留15～20cm长，外侧与密封盖2的柱装导缆孔做一体水密硫化，水密电缆7的长度根据具体使用平台的安装要求来定，水密电缆7的另一端与一只多芯水密连接器插头一起做水密硫化；
3、所述低密度复合材料同振体8：为中空膨胀玻璃微珠粉与乙烯基树脂(不限于乙烯基树脂)在模具里复合成型，可以直接复合成想要的结构形式，或者复合成棒材、板材等，再机加工成需要的结构件。
4、所述加速度矢量单元3：为X\Y\Z三维加速度矢量的任意组合，由1～3维加速度传感器相互正交地安装、灌封在低密度复合材料同振体8里形成加速度矢量单元3；
5、所述声压水听器4：为由外形结构、尺寸及性能都一致性良好的2-6个平面型、球形或柱形水听器，对称地固定安装在加速度矢量单元周围的低密度复合材料同振体8上，形成组合的矢量振子9；
6、所述所述电路组件5，包含包含1～4通道差动放大器(不限于差分放大)，1～4通道巴特沃斯滤波器，1～3通道积分器按放大、滤波、积分的功能顺序电装在一块多层电路板上，并用金属屏蔽外壳封装起来构成电路组件5，将电路组件5上的输入输出导线按标记分别与组合矢量振子9及预留在密封盖2内侧的水密电缆7逐一对接；
7、所述透声介质6：为硅油、聚氨酯类(不限于硅油、聚氨酯类)等透声物质。将组合矢量振子9通过灌注安装夹具对称安装在水密壳体内腔的中心位置，灌注填充适量的透声介质6，待灌注完成并固化后拆掉灌注安装夹具；
8、所述密封盖2：是加工好的与水密壳体1圆柱壳或球壳(不限于柱形或球冠形)相匹配的带O形橡胶密封圈的密封盖，在密封盖2的O形密封圈上和水密壳体1的金属(不限于金属)框架部分的内侧相应位置均匀涂抹4#真空密封酯，将带有O形密封圈的密封盖2安装入水密壳体1的金属(不限于金属)框架内，安装时注意将密封盖2侧面与金属(不限于金属)框架侧面的水密安装螺纹孔对准，安装到位后拧紧螺钉。一只完整的积分型压电振速矢量水听器就完成了。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种积分型压电振速矢量水听器，其特征在于：包括水密壳体(1)、密封盖(2)、加速度矢量单元(3)、声压水听器(4)、电路组件(5)、透声介质(6)、水密电缆(7)、低密度复合材料同振体(8)，加速度矢量单元(3)与声压水听器(4)通过低密度复合材料同振体(8)形成组合矢量振子(9)，用电路组件(5)对组合矢量振子(9)的输出的声压信息进行放大、滤波，对输出的加速度矢量信息进行放大、滤波和积分后输出振速矢量信息，形成声压振速组合矢量水听器。
2.根据权利要求1所述的积分型压电振速矢量水听器，其特征在于：所述的加速度矢量单元(3)是由X\Y\Z三维加速度矢量的任意组合，由1～3维加速度传感器相互正交地粘结安装或灌封在低密度复合材料同振体(8)里形成。
3.根据权利要求1所述的积分型压电振速矢量水听器，其特征在于：所述电路组件(5)，包含1～4通道差动放大器，1～4通道巴特沃斯滤波器，1～3通道积分器，按放大、滤波、积分的功能顺序电装在一块多层电路板上，并用金属屏蔽外壳封装起来，形成电路组件；所述的组合矢量振子(9)的矢量通道加速度传感器输出的加速度信号通过电路组件后，经信号放大器放大进入滤波器滤波，然后进入积分器积分，输出振速信号。
4.根据权利要求3所述的积分型压电振速矢量水听器，其特征在于：所述的信号放大器采用差动放大器，滤波器采用巴特沃斯滤波器，积分器采用低噪声，低漂移，高共模抑制比的运算放大器组成，积分后的速度幅频特性与原始的加速度幅频特性曲线相交于100Hz～200Hz，有效积分频率范围选择在10kHz以内。
5.根据权利要求1所述的积分型压电振速矢量水听器，其特征在于：所述的低密度复合材料同振体(8)由中空膨胀玻璃微珠粉与乙烯基树脂在模具里复合成型，再机加工成需要的结构件。
6.根据权利要求1所述的积分型压电振速矢量水听器，其特征在于：所述声压水听器(4)：为由外形结构、尺寸及性能都一致性良好的2-6个平面型、球形或柱形水听器，对称地固定安装在加速度矢量单元周围的低密度复合材料同振体(8)上，形成组合的矢量振子(9)。
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