CN113588070A - 一种高频二维矢量水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频二维矢量水听器，属于水声换能器技术领域。该水听器包括声压通道压电陶瓷环、矢量通道压电陶瓷环和金属外壳，三者的轴线重合；声压通道压电陶瓷环和矢量通道压电陶瓷环的内壁和外壁均设有镀银层；声压通道压电陶瓷环的内镀银层作为作为压电陶瓷敏感单元的P+极，外镀银层作为压电陶瓷敏感单元的PGND极；矢量通道压电陶瓷环内壁的镀银层通过与轴线平行的分割线分割为四等份，且四等分的镀银层分别作为压电陶瓷敏感单元的X+极、X‑极、Y+极和Y‑极；金属外壳内设有调理电路。本发明实现水下声场声压梯度的感知和拾取；将信号调理电路安装于传感器端，减小了环境对水声信号采集传输的影响。
Description
技术领域
本发明涉及到水声换能器技术领域，特别涉及一种高频二维矢量水听器。
背景技术
水下高频声信号主要包括水声通信信号和主动声纳信号等。高频水声接收换能器主要有声压传感器和矢量传感器等形式。声压传感器接收标量声压，通常为全向接收器，不具有空间指向性，为了实现水声目标探测，通常需要由声压传感器组成较大规模的接收阵列。相比声压传感器，矢量传感器的矢量通道具有空间偶极子指向性，通过声压、振速联合处理，单个矢量传感器即可实现水声目标的检测和测向，是未来水声换能器领域的发展趋势之一。
常规的高频矢量水听器按照拾振原理，可分为同振式和压差式两种，同振式矢量水听器体积较大，受限于其拾振原理，可用频带上限不高；压差型矢量水听器体积相对较小，可用频带上限高，通常以分立声压传感器差分结构为主，差分单元的加工工艺直接影响通道指向性和一致性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高频二维矢量水听器。该水听器实现水下声场声压梯度的感知和拾取；同时，将信号调理电路安装于传感器端，减小了环境对水声信号采集传输的影响。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种高频二维矢量水听器，包括压电陶瓷敏感单元和调理电路单元；所述压电陶瓷环敏感单元包括声压通道压电陶瓷环和矢量通道压电陶瓷环；所述调理电路单元包括调理电路；
所述声压通道压电陶瓷环和矢量通道压电陶瓷环的内壁和外壁均设有镀银层；所述声压通道压电陶瓷环的内镀银层作为作为压电陶瓷敏感单元的P+极，外镀银层作为压电陶瓷敏感单元的PGND极；所述矢量通道压电陶瓷环内壁的镀银层通过与所述轴线平行的分割线分割为四等份，且四等分的镀银层分别作为压电陶瓷敏感单元的X+极、X-极、Y+极和Y-极，其中，作为X+和X-极的镀银层正对，作为Y+和Y-极的镀银层正对；所述调理电路的输入端分别连接X+极、X-极、Y+极、Y-极、P+极和PGND极。
进一步的，所述压电陶瓷环敏感单元还包括上盖板、下盖板和后盖，所述上盖板和下盖板分别位于声压通道压电陶瓷环的顶部和底部，所述矢量通道压电陶瓷环位于下盖板的底部。
进一步的，所述调理电路单元还包括金属外壳和后盖；所述金属外壳的一端设有开口，所述后盖盖于开口处；金属外壳的另一端设有基座，基座中心处设有刚性支柱；所述矢量通道压电陶瓷环位于基座上，刚性支柱穿过矢量通道压电陶瓷的轴线，并连接在下盖板下表面的凹槽内；所述调理电路位于金属外壳内。
进一步的，所述压电陶瓷敏感单元的外设有聚氨酯外护套。
进一步的，所述后盖为一锥形空腔结构，锥形结构的尖端位置延伸出水密电缆，所述调理电路的输出端通过导线与水密电缆的内端连接。
进一步的，所述后盖旋入金属外壳的部分上设有环形凹槽，且环形凹槽内安装有O型密封圈。
进一步的，所述后盖旋入金属外壳的端部设有至少两个垂直于后盖外壁面的弧形凸起，中间位置设有垂直于后盖外壁面的环形凸起；所述金属外壳的内壁上设有与弧形凸起对应的限位块；后盖安装时，限位块穿过相邻弧形凸起之间的空腔，并抵在环形凸起上，旋转后盖，使限位块位于环形凸起和弧形凸起之间。
进一步的，所述后盖和金属外壳的紧贴边缘处均设有定位凹槽；后盖安装后，两个定位凹槽正对并形成一长槽；所述长槽内填补有刚性的粘结剂。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明使用压电陶瓷电极分割技术，以经过内极板切割的、完整的一只压电陶瓷圆环代替传统的若干分立压电陶瓷环结构，减小传感器体积，实现水下声场声压梯度的感知和拾取。同时，将信号调理电路安装于传感器端，减小了环境对水声信号采集传输的影响。
附图说明
图1是本发明实施例的内部结构示意图。
图2是图1中声压通道压电陶瓷环的结构示意图。
图3是图1中矢量通道压电陶瓷环的结构示意图。
图4是图1中上盖板的结构示意图。
图5是图1中下盖板的结构示意图。
图6是图1中金属外壳的结构示意图。
图7是图1中后盖的结构示意图。
图8是本发明实施例调理电路的正面示意图。
图9是本发明实施例调理电路的反面示意图。
图10是图1的外形尺寸示意图。
图11是本发明实施例中声压通道指向性测试结果示意图。
图12是本发明实施例中矢量通道指向性测试结果示意图。
图中：1、聚氨酯外护套，2、矢量通道压电陶瓷环，3、声压通道压电陶瓷环，4、上盖板，5、下盖板，6、金属外壳，7、调理电路，9、环形凹槽，10、后盖，11、后盖聚氨酯填充空间，13、水密电缆，3.1、声压通道压电陶瓷环的内镀银层，3.2、声压通道压电陶瓷环的外镀银层，2.1、矢量通道压电陶瓷环的外镀银层，2.2、矢量通道压电陶瓷环的内分瓣镀银层，4.1、水声压电陶瓷限位突起结构，4.2、盖板外边框，5.1、盖板出线通孔，5.2、压电陶瓷限位突起结构，5.3、盖板走线凹槽，5.4、支撑柱限位凹槽，5.5、矢量压电陶瓷限位突起结构，6.1、刚性支柱，6.2、矢量压电陶瓷限位突起结构，6.3、出线通孔，6.4、聚氨酯外护套限位突起结构，6.5、后盖旋转限位凹槽结构，6.6、电路板安装限位凹槽，6.7、后盖锁定结构，10.1、锁定结构，10.2、环形凹槽，10.3、旋转限位凹槽结构。
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。
一种高频二维矢量水听器，包括压电陶瓷敏感单元和金属外壳和后盖；所述压电陶瓷环敏感单元包括声压通道压电陶瓷环和矢量通道压电陶瓷环，且声压通道压电陶瓷环、矢量通道压电陶瓷环和金属外壳顺次设置，且三者的轴线重合；
所述声压通道压电陶瓷环3和矢量通道压电陶瓷环2的内壁和外壁均设有镀银层；所述声压通道压电陶瓷环的内镀银层作为作为压电陶瓷敏感单元的P+极，外镀银层作为压电陶瓷敏感单元的PGND极；所述矢量通道压电陶瓷环内壁的镀银层通过与所述轴线平行的分割线分割为四等份，且四等分的镀银层分别作为压电陶瓷敏感单元的X+极、X-极、Y+极和Y-极，其中，作为X+和X-极的镀银层正对，作为Y+和Y-极的镀银层正对；所述金属外壳内设有调理电路，调理电路的输入端分别连接X+极、X-极、Y+极、Y-极、P+极和PGND极。
进一步的，还包括上盖板4、下盖板5和后盖10，所述上盖板和下盖板分别位于声压通道压电陶瓷环的顶部和底部，所述矢量通道压电陶瓷环位于下盖板的底部。
进一步的，所述压电陶瓷敏感单元和和上、下盖板的外部包覆有聚氨酯外护套1。
进一步的，所述金属外壳底部为开口结构，其顶部的中心处设有刚性支柱；所述矢量通道压电陶瓷环位于金属外壳的顶部，刚性支柱穿过矢量通道压电陶瓷的轴线，并连接在下盖板下表面的凹槽内。
进一步的，所述金属外壳的底部开口处设有后盖，后盖上设有水密电缆，所述调理电路7的输出端通过导线与水密电缆连接。
进一步的，后盖旋入金属外壳的部分上设有环形凹槽，且环形凹槽9内安装有O型密封圈。
进一步的，所述后盖旋入金属外壳6的端部设有至少两个垂直于后盖外壁面的弧形凸起，中间位置设有垂直于后盖外壁面的环形凸起；所述金属外壳的内壁上设有与弧形凸起对应的限位块；后盖安装时，限位块穿过相邻弧形凸起之间的空腔，并抵在环形凸起上，旋转后盖，使限位块位于环形凸起和弧形凸起之间。
进一步的，所述后盖和金属外壳上均设有凹槽；后盖安装后，两个凹槽正对形成一长槽；所述长槽内填补有固化的环氧树脂。
下面为更一具体的实施例：
参照图1至图11，本实施例包括采用高温烧结工艺制造的压电陶瓷环作为矢量通道敏感单元。
压电陶瓷环为PZT-5材质的立体圆环结构，内层和外层采用喷涂镀银工艺，形成类似于电容器的内、外层金属极板，内层极板通过高精度机加工艺进行打磨切割，在不切断压电陶瓷圆环的前提下，由径向方向将内镀银层均匀切割为大小、环形开角均相同的4部分，切割后，内层对向形成的两组镀银层相互正交，外镀银层作为小型高频二维矢量水听器矢量通道差分单元的共地极(VGND)、4个内镀银层分别作为压电陶瓷敏感单元的X+、X-、Y+、Y-极，其中，作为X+和X-极的内镀银层对向分布，作为Y+和Y-极的内镀银层对向分布，对向分布的X+/X-和Y+/Y-两对镀银层呈相互正交分布。
声压通道敏感单元以额外的小尺寸压电陶瓷圆环实现，小尺寸压电陶瓷环与组成矢量通道敏感单元的压电陶瓷圆环材质、工艺均相同，但内镀银层不进行切割，以内镀银层作为压电陶瓷敏感单元的正极(P+)，外镀银层作为压电陶瓷敏感单元的负极(PGND)。
两个压电陶瓷圆环通过硅橡胶等非刚性粘接剂固定于圆形非金属基座上，圆形非金属基座由光敏树脂材料制造，基座上有通孔。基座固定于水听器外壳上。
水听器外壳由304型不锈钢材料制造，为一端开口、一端封闭的圆柱筒形结构，封闭的一端有固定圆形非金属基座的凹槽；开口的一端外壳内壁有用于锁紧后盖的凸起结构。
信号调理电路安装于金属外壳内部的空腔中，信号调理电路具备阻抗变换、滤波及放大等信号调理功能。信号调理电路的输入端连接压电陶瓷环各极板，输出端连接后盖上的水密电缆。
后盖为锥形结构的密封盖，通过O型圈及卡槽与水听器外壳连接，后盖上有水密电缆，为水听器提供电源并传输信号。
如图3所示，以采用高温烧结工艺加工的压电陶瓷圆环作为矢量通道的敏感单元，矢量通道压电陶瓷圆环外层、内层均采用镀银工艺处理，内镀银层已均匀切割为4片，即矢量通道压电陶瓷环的内分瓣镀银层2.2分别作为压电陶瓷敏感单元的X+、X-、Y+、Y-极，矢量通道压电陶瓷圆环的外镀银层2.1作为共地极VGND。
如图2所示，声压通道的压电陶瓷圆环内镀银层不作切割处理，以声压通道压电陶瓷圆环的内镀银层3.1作为压电陶瓷敏感单元的正极P+，声压通道压电陶瓷圆环的外镀银层3.2作为压电陶瓷敏感单元的负极PGND。
声压通道压电陶瓷圆环由图4中光敏树脂固定上盖板封闭一端，另一端由图5下盖板封闭，压电陶瓷与上、下盖板的连接均需使用非刚性粘接剂连接和密封。上盖板包括声压通道压电陶瓷限位突起结构4.1和盖板外边框4.2，具体结构参照图4，安装方式参照图1。
矢量通道压电陶瓷环由图5光敏树脂下盖板封闭一端，另一端由图5水听器金属外壳一端的非金属基座封闭，矢量通道压电陶瓷环与下盖板、基座间均需使用非刚性粘接剂连接和密封，且矢量通道压电陶瓷环与矢量通道压电陶瓷环限位凸起结构对应并固定。下盖板包括声压通道压电陶瓷限位突起结构5.2和矢量通道压电陶瓷限位突起结构5.5，上盖板上还设有刚性立柱限位凹槽5.4、盖板出线通孔5.1和盖板走线凹槽5.3。
声压通道压电陶瓷圆环各极板的导线通过图5中下盖板的盖板走线凹槽3进入盖板出线通孔5.1，并由图6中金属外壳的通孔6.3进入金属外壳内部。
矢量通道压电陶瓷圆环各极板的导线通过图6金属外壳的通孔6.3进入金属外壳内部。
图6金属外壳的刚性支柱6.1与图5中刚性立柱限位凹槽5.4相互连接。图6中聚氨酯外护套限位突起结构6.4上安装聚氨酯外护套1。
进入图5金属外壳内部的导线与图7调理电路的对应输入端连接，调理电路放置于金属外壳内部，并由图6金属外壳的电路板安装限位凹槽6.6固定。
图8和图9的调理电路输出导线与图1中后盖内侧的水密电缆13相互连接。
图7后盖与图6金属外壳底部的开口连接，通过后盖的锁定结构10.1与金属外壳的限位块即后盖锁定结构6.7相互锁紧，后盖的环形凹槽10.2内安装橡胶材质的O型密封圈。图1中的后盖聚氨酯填充空间11内充满聚氨酯。
通过旋转图7后盖，将后盖的定位凹槽即旋转限位凹槽结构10.3与图6金属外壳的定位凹槽即后盖旋转限位凹槽结构6.5对齐，并在凹槽内填充刚性粘接剂，限制后盖旋转。本实施例刚性粘结剂采用的是环氧树脂。
参照图8和图9，本调理电路中X-极输入连接矢量通道压电陶瓷环内对应X-极的镀银层，X+极输入连接矢量通道压电陶瓷环内对应X+极的镀银层，Y-极输入连接矢量通道压电陶瓷环内对应Y-极的镀银层，+极输入，连接矢量通道压电陶瓷环内对应Y+极的镀银层；调理电路的矢量X通道输出正极与水听器信号传输线连接，调理电路的矢量Y通道输出正极与水听器信号传输线连接，调理电路的声压通道输入正极与声压通道压电陶瓷环的内镀银层连接，调理电路声压通道输入负极与声压通道压电陶瓷换的外镀银层连接，调理电路的地极同时为调理电路矢量X通道和矢量Y通道输入地极并与矢量通道压电陶瓷环的外镀银层连接，调理电路电源输入负极与水听器电源传输线的负极连接，调理电路电源输入正极与水听器电源传输线的正极连接。
本实施例中通过图6后盖外侧的水密电缆13接入电源和输出信号。
通过矢量水听器计量装置对本发明中的小型高频二维矢量水听器进行计量测试，可以得到如图10所示小型高频二维矢量水听器声压通道指向性，如图11所示的矢量通道指向性，符合常规矢量水听器声压通道全向接收特性以及矢量通道偶极子指向特性。
该水听器内部结构如图1所示，压电陶瓷圆环及其固定结构件包覆于聚氨酯外护套1中。
该水听器尺寸如图10所示，相比常规高频二维矢量水听器，具有小型化的特点。
本发明的理论基础：
声波通过海洋或其他液体介质传播至矢量水听器，声波穿透聚氨酯护套作用于声压通道压电陶瓷环和矢量通道压电陶瓷环，引起压电陶瓷环表面的压力变化，通过压电效应使得压电陶瓷环内外极板间的电荷量产生变化，电荷的变化量通过调理电路的有源变换、放大和滤波，完成声波压力信号到电压信号的转换，并通过水听器信号传输线输出。
海洋或其他液体介质中的质点振速信号的拾取通过对声压信号在指定方向上距离维度上的有限差分实现。由流体动力学中的运动方程可知，流体介质中质点加速度与密度的乘积等于沿加速度方向的压力梯度负值，即：
其中：ρ为介质密度，u为介质质点加速度信号，p为介质中声压信号。在获得介质质点加速度信号后，可通过积分变换获得介质质点的振速信号。
Claims (9)
1.一种高频二维矢量水听器，包括压电陶瓷敏感单元和调理电路单元；其特征在于，所述压电陶瓷环敏感单元包括声压通道压电陶瓷环(3)和矢量通道压电陶瓷环(2)；所述调理电路单元包括调理电路(7)；
所述声压通道压电陶瓷环和矢量通道压电陶瓷环的内壁和外壁均设有镀银层；所述声压通道压电陶瓷环的内镀银层作为作为压电陶瓷敏感单元的P+极，外镀银层作为压电陶瓷敏感单元的PGND极；所述矢量通道压电陶瓷环内壁的镀银层通过与所述轴线平行的分割线分割为四等份，且四等分的镀银层分别作为压电陶瓷敏感单元的X+极、X-极、Y+极和Y-极，其中，作为X+和X-极的镀银层正对，作为Y+和Y-极的镀银层正对；所述调理电路的输入端分别连接X+极、X-极、Y+极、Y-极、P+极和PGND极。
2.根据权利要求1所述的一种高频二维矢量水听器，其特征在于，所述压电陶瓷环敏感单元还包括上盖板(4)和下盖板(5)，所述上盖板和下盖板分别位于声压通道压电陶瓷环的顶部和底部，所述矢量通道压电陶瓷环位于下盖板的底部。
3.根据权利要求2所述的一种高频二维矢量水听器，其特征在于，所述调理电路单元还包括金属外壳(6)和后盖(10)；所述金属外壳的一端设有开口，所述后盖盖于开口处；金属外壳的另一端设有基座，基座中心处设有刚性支柱(6.1)；所述矢量通道压电陶瓷环位于基座上，刚性支柱穿过矢量通道压电陶瓷的轴线，并连接在下盖板下表面的凹槽内；所述调理电路位于金属外壳内。
4.根据权利要求1所述的一种高频二维矢量水听器，其特征在于，所述压电陶瓷敏感单元的外设有聚氨酯外护套(1)。
5.根据权利要求3所述的一种高频二维矢量水听器，其特征在于，所述后盖为一锥形空腔结构，锥形结构的尖端位置延伸出水密电缆(13)，所述调理电路的输出端通过导线与水密电缆的内端连接。
6.根据权利要求3所述的一种高频二维矢量水听器，其特征在于，所述后盖旋入金属外壳的部分上设有环形凹槽(9)，且环形凹槽内安装有O型密封圈。
7.根据权利要求5所述的一种高频二维矢量水听器，其特征在于，所述锥形空腔结构的空腔为聚氨酯填充空间(11)。
8.根据权利要求3所述的一种高频二维矢量水听器，其特征在于，所述后盖旋入金属外壳的端部设有至少两个垂直于后盖外壁面的弧形凸起，中间位置设有垂直于后盖外壁面的环形凸起；所述金属外壳的内壁上设有与弧形凸起对应的限位块；后盖安装时，限位块穿过相邻弧形凸起之间的空腔，并抵在环形凸起上，旋转后盖，使限位块位于环形凸起和弧形凸起之间。
9.根据权利要求8所述的一种高频二维矢量水听器，其特征在于，所述后盖和金属外壳的紧贴边缘处均设有定位凹槽；后盖安装后，两个定位凹槽正对并形成一长槽；所述长槽内填补有刚性的粘结剂。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110882598.1A CN113588070A (zh) | 2021-08-02 | 2021-08-02 | 一种高频二维矢量水听器 |
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| CN113588070A true CN113588070A (zh) | 2021-11-02 |
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| CN (1) | CN113588070A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114754861A (zh) * | 2022-03-03 | 2022-07-15 | 浙江大学 | 一种对称式双圆片低频高灵敏度压电水听器 |
-
2021
- 2021-08-02 CN CN202110882598.1A patent/CN113588070A/zh active Pending
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