CN112683389B - 一种纵振矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纵振矢量水听器，包括压电晶堆，所述压电晶堆等分为四个独立部分，分别对应于四个象限内，对压电晶堆进行极化，相邻两个象限极化方向相反，每部分的顶部和底部均插入电极片，每部分压电晶堆的电极片并联接外部的显示处理设备，所述压电晶堆上方为金属辐射头，下方为刚性金属块，三部分共轴堆叠；所述压电晶堆为圆环形结构，其包括偶数个压电陶瓷片，相邻两个压电陶瓷片的极化方向相反，所述显示处理设备将相邻两个象限的电压和曲线第一个峰值的归一值和入射声波方位角、仰角进行拟合，进而可以判断出入射声波的方向。其优点在于，运用电压和实现对入射声波方向的估计。

Description

一种纵振矢量水听器

技术领域

本发明属于水声探测领域，特别设计一种纵振矢量水听器，通过水听器所接收的标量信息，对入射声波方向进行估计。

背景技术

声波是目前唯一能够在海水中进行远距离传播的能量形式，也是目前在水中良好的信息和能量的载体。迄今为止，利用声波作为信息载体进行海洋探测是水下信息获取的最佳方式。水声换能器最为一种水下的能量转换器件，在涉及海洋技术方面都取得了非常广泛的应用，已经成为不可或缺的关键器件。其中，用于接收的水声换能器称为水听器。目前，对于水下声波方位的被动估计大多借助于水听器基阵或者矢量水听器，其具有内部结构复杂、信号处理繁琐、成本高等缺点。

发明内容

基于上述问题，本申请提供一种结构简单、成本较低的纵振矢量水听器。其技术方案为，

一种纵振矢量水听器，包括压电晶堆，所述压电晶堆等分为四个独立部分，分别对应于四个象限内，对压电晶堆进行极化，相邻两个象限极化方向相反，每部分的顶部和底部均插入电极片，每部分压电晶堆的电极片并联接外部的显示处理设备，所述压电晶堆上方为金属辐射头，下方为刚性金属块，三部分共轴堆叠；所述压电晶堆为圆环形结构，其包括偶数个压电陶瓷片，相邻两个压电陶瓷片的极化方向相反，所述显示处理设备将相邻两个象限的电压和曲线第一个峰值的归一值和入射声波方位角、仰角进行拟合，进而可以判断出入射声波的方向。

进一步的，所述金属辐射头、压电晶堆、刚性金属块通过位于中心轴线处的预应力螺栓进行夹紧。

进一步的，所述压电晶堆、刚性金属块、预应力螺栓外包透声橡胶。

进一步的，相邻两个象限的电压和曲线第一个峰值的归一值和入射声波方位角的拟合曲线为：

V_θ和MAX＝1.201×sin(0.03795×θ+1.846)+0.1963×sin(0.08262×θ+3.55)

其中V_θ和MAX为第1、2象限、第1、4象限、第2、3象限、第3、4象限的电压和曲线第一个峰值的归一值，θ为入射声波方位角。

进一步的，相邻两个象限的电压和曲线第一个峰值的归一值和入射声波仰角的拟合曲线为：

其中

为第1、2象限、第1、4象限、第2、3象限、第3、4象限的电压和曲线第一个峰值的归一值，

为入射声波仰角。

有益效果

1.结构简单、成本低廉；

2.精度较高，应用MATLAB对其数据进行拟合，获得拟合公式，应用拟合公式计算所求方位角、仰角与真实角度之间的误差大约均为±1°左右。

附图说明

图1为本申请剖视图；

图2为本申请俯视图(省略金属辐射头)；

图3为本申请的有限元模型示意图；

图4为本实施方案的方位角拟合曲线图。

图5为本实施方案的仰角拟合曲线图。

其中1、压电晶堆，2、金属辐射头，3、刚性金属块，4、预应力螺栓，5、透声橡胶，6、水域。

具体实施方式

以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。

一种纵振矢量水听器，包括圆环形结构的压电晶堆1，所述压电晶堆1包括四个压电陶瓷片，所述压电晶堆1等分为四个独立部分，所述压电晶堆四个独立部分分别对应于四个象限内，对压电晶堆进行极化，相邻两个象限极化方向相反，对压电晶堆1按其厚度进行极化，相邻两个象限极化方向相反，每部分压电陶瓷堆的顶部和底部均插入电极片，相邻两个压电陶瓷片的极化方向相反，每部分压电晶堆的电极片通过导线并联接外部的显示处理设备，所述压电晶堆1上方为金属辐射头2，下方为刚性金属块3，三部分共轴堆叠；所述金属辐射头2、压电晶堆1、刚性金属块3通过位于中心轴线处的预应力螺栓4进行夹紧，所述压电晶堆1、刚性金属块3、预应力螺栓4外围包透声橡胶5。

以第1象限的压电晶堆极化来说，第一片压电陶瓷片为向上极化，第二片压电陶瓷片向下，以此类推；第2象限就是第一片压电陶瓷片向下极化，第二片压电陶瓷片向上，以此类推；第1象限和第3象限极化方向相同，第2象限和第4象限极化方向相同。

所述显示处理设备将相邻两个象限的电压和曲线第一个峰值的归一值和入射声波方位角、仰角进行拟合，进而可以判断出入射声波的方向。

为了方便计算，建立所述纵振矢量水听器模型时，忽略预应力螺栓，且圆环设置一个。以COMSOL软件进行仿真为例，应用压力声学瞬态、固体力学、静电三个物理场耦合仿真求解。

所构建的纵振矢量水听器模型的平面图如图3所示。压电晶堆材料为PZT-5，设置其圆环大小，并等分为四个象限，内部中空；设置辐射头、刚性金属块大小；设置水域大小，并设置水域边界为阻抗边界，使得所构建水域为无限域；在距离辐射头辐射面一定距离的水域中设置一个点声源，且设置其声源信号幅值、频率、相位大小。

由于本发明需对四个象限的压电陶瓷部分进行不同方向的极化，且COMSOL软件默认压电材料极化方向与应用坐标系Z轴方向相同，因此需建立新的坐标系。由于本发明压电陶瓷均沿厚度方向极化，即沿Z轴方向极化，且第1、3象限与第2、4象限极化方向相反，所以需建立一个旋转坐标系，使得Z轴指向原坐标系的Z轴负向。

由于方位角和仰角都会影响电极片响应电压大小，因此，对于方位角估计的仿真，需要固定仰角进行；对于仰角估计的仿真，需要固定方位角进行。

进行多物理场耦合并剖分网格，设置点声源位置，使入射声波方向固定仰角，声波从不同方位角进行入射，进行仿真，获得仿真数据。

如图4所示，相邻两个象限的电压和曲线第一个峰值的归一值和入射声波方位角的拟合曲线为：

V_θ和MAX＝1.201×sin(0.03795×θ-1.846)+0.1963×sin(0.08262×θ+3.55)

其中V_θ和MAX为第1、2象限、第1、4象限、第2、3象限、第3、4象限的电压和曲线第一个峰值的归一值，θ为入射声波方位角。如表1所示为方位角真实值与计算值的对比。

表1方位角真实值与计算值

再次设置点声源位置，使入射声波方向固定方位角，声波从不同仰角进行入射，进行仿真，获得仿真数据。

如图5所示，相邻两个象限的电压和曲线第一个峰值的归一值和入射声波仰角的拟合曲线为：

其中

为第1、2象限、第1、4象限、第2、3象限、第3、4象限的电压和曲线第一个峰值的归一值，

为入射声波仰角。如表2所示为仰角真实值与计算值的对比。

表2仰角真实值与计算值

将计算结果与真实角度进行比对，应用拟合公式计算所得方位角、仰角与真实角度之间的误差均大约为±1°左右。

上述所述仅为本发明的较佳实施方案，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种纵振矢量水听器，其特征在于，包括压电晶堆，所述压电晶堆等分为四个独立部分，分别对应于四个象限内，对压电晶堆进行极化，相邻两个象限极化方向相反，每部分的顶部和底部均插入电极片，每部分压电晶堆的电极片并联接外部的显示处理设备，所述压电晶堆上方为金属辐射头，下方为刚性金属块，三部分共轴堆叠；所述压电晶堆为圆环形结构，其包括偶数个压电陶瓷片，相邻两个压电陶瓷片的极化方向相反，所述显示处理设备将相邻两个象限的电压和曲线第一个峰值的归一值和入射声波方位角、仰角进行拟合，进而可以判断出入射声波的方向；

相邻两个象限的电压和曲线第一个峰值的归一值和入射声波方位角的拟合曲线为：

其中

为第1、2象限、第1、4象限、第2、3象限、第3、4象限的电压和曲线第一个峰值的归一值，

为入射声波方位角。

2.根据权利要求1所述的一种纵振矢量水听器，其特征在于，所述金属辐射头、压电晶堆、刚性金属块通过位于中心轴线处的预应力螺栓进行夹紧。

3.根据权利要求1所述的一种纵振矢量水听器，其特征在于，所述压电晶堆、刚性金属块、预应力螺栓外包透声橡胶。

4.根据权利要求1所述的一种纵振矢量水听器，其特征在于，相邻两个象限的电压和曲线第一个峰值的归一值和入射声波仰角的拟合曲线为：

其中

为第1、2象限、第1、4象限、第2、3象限、第3、4象限的电压和曲线第一个峰值的归一值，

为入射声波仰角。

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