CN113155263A - 一种矢量水听器 - Google Patents

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张晓桐
朱林
胡天宇
李晋
李旭
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

本发明公开了一种矢量水听器，属于水声信号探测技术领域。该水听器包括复合声传感器、用于悬挂复合声传感器的透声密封腔体，所透声述密封腔体内设有透声液体介质；透声液体介质密度的数值在0.9g/cm3到1.2g/cm3之间。本发明能够提高矢量水听器的稳定性和环境适应性，有利于水下信号检测的准确性。

Description

一种矢量水听器
技术领域
本发明涉及到水声信号探测技术领域，特别涉及一种矢量水听器。
背景技术
随着水下目标隐身技术的不断发展，矢量水听器已成为水下目标低频、乃至甚低频探测技术中的主要接收器，在水声工程领域得到广泛应用。矢量水听器作为一种新型水声换能器，能提供水下声场质点振速信息，并且具有优越的低频余弦型指向性，使其能够在小孔径下获得较高的增益。
矢量水听器按照其工作原理，可以分为两大类。其中一种是非惯性类型，包括压差式和多模式矢量水听器，这种矢量水听器不需要弹性悬挂结构，能够独立使用，性能指标由传感器本身确定；另外一种是惯性类型，通常表现为同振柱型或球型矢量水听器，这种矢量水听器由于采用了惯性器件作为感知内核，通过感知加速度或速度参量实现水声信号的探测，因此在使用过程中必须要使用弹簧或皮筋作为弹性悬挂结构，性能指标由悬挂系统与传感器本身共同确定。
由于非惯性矢量水听器一般尺寸较大，且一致性相对较差，因此目前矢量水听器主要是惯性类型。针对惯性矢量水听器多采用金属弹簧或橡胶绳将其点对点悬挂，而重复悬挂会带来水听器性能指标不稳定的问题，
2017年中国人民解放军91388部队的谢攀等人在CN206593751U中公开了“一种可刚性固定安装的同振型矢量水听器”，该矢量水听器采用压电元件组成矢量水听器，使用液态硅橡胶代替皮筋或弹簧作为弹性结构；2016年哈尔滨工程大学的刘爽在博士毕业论文中公开了“新型矢量水听器研究”，同样采用了弹性包裹体作为弹性结构实现水听器的固定安装。以上公开内容存在如下问题：1弹性结构体的性能会受到周围环境的影响，进而影响矢量水听器的性能，；2外部缺乏有效的保护结构，声感知传感器直接与水介质接触，稳定性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种矢量水听器。该水听器提高矢量水听器的稳定性和环境适应性，有利于水下信号检测的准确性。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种矢量水听器，包括复合声传感器和透声密封腔体；所述复合声传感器悬于透声密封腔体内，且透声述密封腔体内设有透声液体介质；所述透声液体介质的密度为0.9g/cm3-1.2g/cm3。
进一步的，所述透声液体介质为硅油或轻蜡油。
进一步的，所述复合声传感器的重心和透声密封腔体的重心重合。
进一步的，所述透声密封腔体包括透声外壳和支架；所述透声外壳包覆在支架外，支架包括上端盖、下端盖和支撑柱；所述上端盖的中间位置设有出线孔，且在上端盖关于圆心对称的两个位置还分别设有注油孔和排气孔；所述支撑柱并立于下端盖的顶部，并呈圆周阵列的方式排布；所述上端盖固定于并立的支撑柱顶部；其中，透声外壳为透声弹性材料。
进一步的，所述支撑柱两端的柱壁还均设有挂耳；所述复合声传感器外壁上设有吊耳；对应的挂耳和吊耳之间通过弹性元件连接。
进一步的，所述弹性元件为弹簧或橡皮筋。
进一步的，还包括线缆，所述线缆连接一端连接在复合声传感器上，另一端穿过出线孔；所述线缆和出线孔之间的间隙通过聚氨酯填补。
进一步的，所述透声外壳的材料为聚氨酯。
进一步的，所述透声密封腔体还包括上锁紧环和下锁紧环；所述上锁紧环用于箍紧上端盖和透声外壳，下锁紧环用于箍紧下端盖和透声外壳。
进一步的，所述注油孔和排气孔内均设有用于实现密封的螺钉。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明由于采用“油封”结构设计，将复合声传感器封装在透声密封腔体内，并通过预先设置好弹性系数的弹簧将复合声传感器悬挂安装，使得悬挂系统和复合声传感器成为一个整体密封在“油封”结构内部，使用时直接通过上、下端盖上的螺丝孔刚性固定在平台上即可，避免了拆卸或更换弹簧引起的性能不稳定。
2、本发明所采用的透声外壳，一方面其具有良好的声学性能，能够将声信号几乎无损的传输至水听器内部；另一方面透声外壳还能够起到导流罩的作用，减少水下环境流噪声的影响，防止水中微生物的附着和环境的腐蚀。
3、本发明由于采用了低成本和小型化设计设计，电源和信号传输线从复合声传感器内部完整的延伸到整个水听器外部，从而可以不使用昂贵的水密接插件，降低了成本；同时极大的缩小了水听器的质量和尺寸。
附图说明
图1是本发明实施例的剖面结构示意图。
图2是本发明实施例的俯视结构示意图。
图3是本发明实施例的整体外观示意图。
图中：11、复合声传感器，12、悬挂弹簧，13、支撑柱，14、上端盖，15、下端盖，16、透声外壳，17、上锁紧环，18、下锁紧环，19、线缆，21、出线孔，22、注油孔，23、排气孔，24、平台安装螺丝孔。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
一种矢量水听器，包括复合声传感器和透声密封腔体；所述复合声传感器悬于透声密封腔体内，且透声述密封腔体内设有透声液体介质；所述透声液体介质的密度为0.9g/cm3-1.2g/cm3。
进一步的，所述透声液体介质为硅油或轻蜡油。
进一步的，所述复合声传感器的重心和透声密封腔体的重心重合。
进一步的，所述透声密封腔体包括透声外壳和支架；所述透声外壳包覆在支架外，支架包括上端盖、下端盖和支撑柱；所述上端盖的中间位置设有出线孔，且在上端盖关于圆心对称的两个位置还分别设有注油孔和排气孔；所述支撑柱并立于下端盖的顶部，并呈圆周阵列的方式排布；所述上端盖固定于并立的支撑柱顶部；其中，透声外壳为透声弹性材料。
进一步的，所述支撑柱两端的柱壁还均设有挂耳；所述复合声传感器外壁上设有吊耳；对应的挂耳和吊耳之间通过弹性元件连接。
进一步的，所述弹性元件为弹簧或橡皮筋。
进一步的，还包括线缆，所述线缆连接一端连接在复合声传感器上，另一端穿过出线孔；所述线缆和出线孔之间的间隙通过聚氨酯填补。
进一步的，所述透声外壳的材料为聚氨酯。
进一步的，所述透声密封腔体还包括上锁紧环和下锁紧环；所述上锁紧环用于箍紧上端盖和透声外壳，下锁紧环用于箍紧下端盖和透声外壳。
进一步的，所述注油孔和排气孔内均设有用于实现密封的螺钉。
下面为一更具体的实施例，
参照图1至图3，为满足矢量水听器正常工作，根据同振式水听器工作原理，内部复合声传感器的平均密度应该接近1g/cm3与水的密度相当。为了提高水下声信号信息接收的准确型，复合声传感器的重心和几何重心要与整体结构的重心和几何重心相重合。同时为了尽量拓宽水听器的工作频段，水听器整体结构尺寸要尽量小。
本发明的理论基础：
声波穿过透声外壳进入水听器腔体内部，并通过内部填充介质传播至复合声传感器表面。如果复合声传感器的几何尺寸远远小于波长，则其在水中声波作用下做自由振动时，传感器的振动速度幅值V与声场中柱体几何重心处水质点的振动速度幅值V0之间存在以下关系：
Figure BDA0003047300290000061
其中：ρ0—介质密度，
Figure BDA0003047300290000062
—声学传感器的平均密度。
根据上述公式，当传感器的平均密度ρ0等于水介质密度
Figure BDA0003047300290000063
时，其振动速度幅值V与水质点振动速度幅值V0相同。通过传感器内部的矢量传感器拾取该振动速度，并将振动信号转化为电信号输出，即可获得声场中水听器几何重心位置水质点的振动速度。
本实施例的结构设计和制作：
本发明主体剖面结构示意图，如图1所示，包括复合声传感器11，悬挂弹簧12，支撑柱13，上端盖14，下端盖15，透声外壳16，上锁紧环17，下锁紧环18和线缆19。
具体的，所述复合声传感器11和支撑柱13外侧有挂耳；所述复合声传感器11通过悬挂弹簧12拉紧后连接在支撑柱13挂耳上；所述复合声传感器11的上、下表面悬挂后与水平面保持平行；支撑柱13将上端盖14和下端盖15通过螺丝或者焊接等方式刚性连接；上端盖14的平面、下端盖15的平面和复合声传感器11的平面呈平行关系。
复合声传感器11位于上端盖14和下端盖15中间几何中心位置；所述透声外壳16套在上端盖14和下端盖15外侧，并与水平面保持垂直关系；透声外壳16上部通过锁紧环17与上端盖14锁锁紧定，下部通过锁紧环18与下端盖18锁紧固定；所述线缆19从复合声传感器11上表面中引出，通过上端盖14中心的出线孔21，延伸到水听器外部。
优选的，悬挂弹簧12应该选取适当的弹性系数k，使得复合声传感器11在透声介质中悬挂状态下处于整体结构的重心、几何中心位置，并且能够随着声波在三维空间内自由振动。
组装完成后的水听器俯视示意图如图2所示，包括出线孔21，注油孔22，排气孔23，平台安装螺丝孔24和线缆。
具体的，所述注油孔22用于向完成组装后的水听器内部注入液体透声介质；所述排气孔23在注入液体时打开，能够方便排出水听器内部气体；所述平台安装螺丝孔24通过螺丝与外部平台实现刚性固定；所述出线孔21将线缆从复合声传感器11中引出到水听器外部；所述注油孔22和出气孔23在完成注油后通过水密螺丝封堵，防止液体流出；所述线缆外部浇筑有环装凸起水密垫，水密垫安装在出线孔21内部，通过螺丝锁紧或水密胶固化实现密封。
水听器使用前内部需要填充满硅油或轻蜡油等透声液体介质，完成组装后的小型化低成本可刚性安装的矢量水听器示意图如图3所示。
优选的，填充透声液体介质密度接近于1g/cm3。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种矢量水听器，包括复合声传感器(11)，其特征在于，还包括透声密封腔体；所述复合声传感器悬于透声密封腔体内，且透声述密封腔体内设有透声液体介质；所述透声液体介质的密度为0.9g/cm3-1.2g/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种矢量水听器，其特征在于，所述透声液体介质为硅油或轻蜡油。
3.根据权利要求1所述的一种矢量水听器，其特征在于，所述复合声传感器的重心和透声密封腔体的重心重合。
4.根据权利要求1所述的一种矢量水听器，其特征在于，所述透声密封腔体包括透声外壳(16)和支架；所述透声外壳包覆在支架外，支架包括上端盖(14)、下端盖(15)和支撑柱(13)；所述上端盖的中间位置设有出线孔(21)，且在上端盖关于圆心对称的两个位置还分别设有注油孔(22)和排气孔(23)；所述支撑柱并立于下端盖的顶部，并呈圆周阵列的方式排布；所述上端盖固定于并立的支撑柱顶部；其中，透声外壳为透声弹性材料。
5.根据权利要求4所述的一种矢量水听器，其特征在于，所述支撑柱两端的柱壁还均设有挂耳；所述复合声传感器外壁上设有吊耳；对应的挂耳和吊耳之间通过弹性元件连接。
6.根据权利要求5所述的一种矢量水听器，其特征在于，所述弹性元件为弹簧或橡皮筋。
7.根据权利要求4所述的一种矢量水听器，其特征在于，还包括线缆(19)，所述线缆连接一端连接在复合声传感器上，另一端穿过出线孔；所述线缆和出线孔之间的间隙通过聚氨酯填补。
8.根据权利要求4所述的一种矢量水听器，其特征在于，所述透声外壳的材料为聚氨酯。
9.根据权利要求4所述的一种矢量水听器，其特征在于，所述透声密封腔体还包括上锁紧环(17)和下锁紧环(18)；所述上锁紧环用于箍紧上端盖和透声外壳，下锁紧环用于箍紧下端盖和透声外壳。
10.根据权利要求4所述的一种矢量水听器，其特征在于，所述注油孔和排气孔内均设有用于实现密封的螺钉。
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