CN114063145B - 水声发射和传感器周期线阵装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水声发射和传感器周期线阵装置，包括管体外壳、主线缆集束、径向极化压电陶瓷圆管声发射器、周向极化压电陶瓷圆管声发射器、压电陶瓷水声传感器和减振管。管体外壳内部填充绝缘液体，主线缆集束沿管体外壳的轴线穿设。上述水声发射和传感器周期线阵装置，通过一系列径向极化压电陶瓷圆管声发射器和周向极化压电陶瓷圆管声发射器分别辐射不同方向和波数的声波，用作水下结构物水声实验的稳态声源和瞬态声源，同时与压电陶瓷圆管声发射器对应设置的压电陶瓷水声传感器能够检测被水下物体反射的声波，并根据该反射声波判断水下物体的形状和运动状态，用于水下物体探测。压电陶瓷水声传感器线阵也能单独测量各个场点处的声压。
Description
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程、水声工程领域，特别是涉及一种水声发射和传感器周期线阵装置。
背景技术
海洋环境探测、海底矿产资源开发以及水声与水下结构物的相互作用，需要一个合适的声源。瞬态水声源一般用于海洋物体探测、海洋测深和深海油气探查等领域，这种大功率声源频谱信息很丰富。单频稳态水声源一般用于研究水下物体对入射声波的前后向散射。按声波在坐标系下的传播形态分为平面波、圆柱面波、椭圆柱波、球面波和椭球面波等。通常，大范围的特定频率平面波生成是比较困难的。圆柱波的生成相对容易一些，装备制造成本比较低，这种声源在水下圆柱壳结构声散射、声衍射和声透射方面有重要应用。
很多水声发射装置和水声传感器不具备产生特定轴向和周向波数的稳态声波、水下声场测量和水下结构物探测的多功能集成装置，并且这些传统的水声器件使用功能单一且不方便。
发明内容
基于此，为了获得具有特定轴向波数和周向波数的稳态声源，发射水声脉冲和检测水下声学信号，以及解决传统的水声器件使用功能单一且不方便的问题，有必要提供一种可同时用于水下稳态声源、声场测量和水下结构物探测的水声发射和传感器周期线阵装置。
一种水声发射和传感器周期线阵装置，包括管体外壳、主线缆集束、径向极化压电陶瓷圆管声发射器、周向极化压电陶瓷圆管声发射器、压电陶瓷水声传感器和安装在压电陶瓷圆管声发射器端部的减振管；
所述管体外壳内部填充有绝缘液体，所述主线缆集束沿管体外壳的轴线穿设，并分别固定在管体外壳的两端；所述径向极化压电陶瓷圆管声发射器和所述周向极化压电陶瓷圆管声发射器沿管体外壳轴向周期交错设置，并固定在管体外壳的内壁上；所述压电陶瓷水声传感器周期间隔设置在主线缆集束上；所述压电陶瓷圆管声发射器和压电陶瓷水声传感器的电极通过分支电缆分别接入对应的主线缆集束内。
进一步的，每个压电陶瓷圆管声发射器的两端均安装有两个减振管。
进一步的，所述压电陶瓷圆管声发射器设置为径向极化或周向极化压电陶瓷圆管声发射器。
进一步的，所述一系列径向极化压电陶瓷圆管声发射器电极相互并联或所述一系列周向极化压电陶瓷圆管声发射器电极相互并联，并由功率放大器驱动。
进一步的，每个所述水声传感器分别对应一个径向极化压电陶瓷圆管声发射器和一个周向极化压电陶瓷圆管声发射器；每个所述水声传感器圆柱内腔填充吸声橡胶。
进一步的，所述径向极化压电陶瓷圆管声发射器的内外表面均覆盖有银电极，且两个电极分别与功率放大器的输出电极相连。
进一步的，所述周向极化压电陶瓷圆管声发射器上沿周向交错覆盖有多个银电极，且这些银电极周向间隔均匀分布。
进一步的，所述周向极化压电陶瓷圆管声发射器上的银电极间隔连接，并分别构成周向极化压电陶瓷圆管声发射器元件的两极，且两个电极分别与功率放大器的输出电极相连。
进一步的，所述主线缆集束包括钢丝、四个粗线缆和多个细线缆；四个粗线缆分别与径向和周向极化压电陶瓷圆管声发射器的两极连接，多个细线缆分别与各个水声传感器的两电极连接；所述钢丝沿外套管的中心线从水声发射和传感器周期线阵的头部贯穿到尾部。
进一步的，所述管体外壳的两端由内到外依次设置多孔吸声橡胶、固定板和密封环氧树脂；所述主线缆集束的尾端连接在一个固定板上，首端穿过另一个固定板。
上述水声发射和传感器周期线阵装置，通过一系列径向极化压电陶瓷圆管声发射器和周向极化压电陶瓷圆管声发射器分别辐射不同方向的声波，用作水声声源或对水下物体进行探测，同时与压电陶瓷圆管声发射器对应设置的水声传感器能够检测被水下物体反射的声波，并根据该声波判断水下物体的形状和运动状态。并且当声压作用在压电陶瓷水声传感器上时，压电陶瓷水声传感器产生输出电压，通过测量电压，可以计算出场点的声压，实现声压的测量。通过采集水声传感器线阵输出的电压，就能测量多场点的声压。
附图说明
图1为水声发射和传感器周期线阵装置的剖面结构示意图；
图2为径向极化压电陶瓷圆管声发射器线阵的结构示意图；
图3为周向极化压电陶瓷圆管声发射器线阵的结构示意图；
图4为周向极化压电陶瓷圆管声发射器的表面银电极分布示意图；
图5为压电陶瓷圆管水声传感器线阵的结构示意图；
图6为主线缆集束的剖面结构示意图。
图中：100、管体外壳；110、密封环氧树脂；120、固定板；130、多孔吸声橡胶；140、过渡面板；150、水动力光滑过度物；160、硅油滴注管；170、螺纹接头；180、电气插头；200、主线缆集束；210、钢丝；220、细线缆；230、粗线缆；300、绝缘液体；400、径向极化压电陶瓷圆管声发射器；500、周向极化压电陶瓷圆管声发射器；510、正极电缆；520、负极电缆；530、焊点；600、压电陶瓷水声传感器；700、减振管；800、分支电缆。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，在一个实施例中，一种水声发射和传感器周期线阵装置，包括管体外壳100、主线缆集束200、径向极化压电陶瓷圆管声发射器400、周向极化压电陶瓷圆管声发射器500、压电陶瓷水声传感器600和减振管700。
管体外壳100内部填充有绝缘液体300，主线缆集束200沿管体外壳100的轴线穿设，并分别固定在管体外壳100的两端。一系列径向极化压电陶瓷圆管声发射器400和一系列周向极化压电陶瓷圆管声发射器500沿管体外壳100轴向周期交错设置，并固定在管体外壳100的内壁上。一系列压电陶瓷水声传感器600周期间隔设置并通过多孔吸声橡胶固定在主线缆集束上。压电陶瓷圆管声发射器包括径向极化压电陶瓷圆管声发射器400和周向极化压电陶瓷圆管声发射器500。一系列压电陶瓷圆管声发射器和一系列压电陶瓷水声传感器600的电极通过分支电缆800分别接入对应的主线缆集束200内。
上述水声发射和传感器周期线阵装置中，每种压电陶瓷圆管声发射器构成一个线阵，在使用时，同一类型的压电陶瓷圆管周期线阵工作，向水中发射声波，另一类压电陶瓷圆管周期线阵处于空置状态，反之亦然。同时压电陶瓷圆管声发射周期线阵还会产生振动，向绝缘液体300中辐射声波，声波透过管体外壳100向水中辐射声波。其中径向极化压电陶瓷圆管声发射器400和周向极化压电陶瓷圆管声发射器500分别向水中辐射声波。当声波遇到水下结构就会反射回来，并被压电陶瓷水声传感器600检测到，通过分析压电陶瓷水声传感器600的电压脉冲时序，就能探测水下物体的形状和运动状态。
上述水声发射和传感器周期线阵装置，通过一系列周期分布径向极化压电陶瓷圆管声发射器400和周向极化压电陶瓷圆管声发射器500分别发射不同方向的声波，用作水声声源或对水下物体进行探测，同时与压电陶瓷圆管声发射器对应设置的压电陶瓷水声传感器600能够检测被水下物体反射的声波，并根据该声波判断水下物体的形状和运动状态。并且当声压作用在压电陶瓷水声传感器600上时，压电陶瓷水声传感器600输出电压，通过信号放大器放大信号后，采集电压，可以推算出场点处的声压，实现声压的测量。通过采集压电陶瓷水声传感器600线阵输出的电压，就能测量多场点的声压。
在本实施例中，压电陶瓷圆管声发射器设置为径向极化压电陶瓷圆管声发射器400或周向极化压电陶瓷圆管声发射器500。压电陶瓷既能用于单个水声发射器件和传感器件制造，也能用于水声器件阵列制作，价格便宜，使用方便。
在本实施例中，每个压电陶瓷圆管声发射器的两端分别连接有两个减振管700。减振管700用于抑制管体外壳100湍流边界层引起的径向振动和压电陶瓷声发射器圆管的轴向振动，减少对其它声发射器和声传感器的干扰。
其中管体外壳100本体可采用聚四氟乙烯套管，减振管700可采用聚氨酯空心管，绝缘液体300可采用二甲基硅油。
在本实施例中，一系列径向极化压电陶瓷圆管声发射器400电极相互并联或一系列周向极化压电陶瓷圆管声发射器500电极相互并联，并由功率放大器驱动。由于水声发射器线阵属于周期结构，激发的声场可以由Floquet-Bloch(弗洛凯-布洛赫)波描述，这种波就是水声实验用的声源。
上述水声发射和传感器周期线阵装置，在单频水声发射器工作模式时，仅其中一类压电陶瓷声发射器周期线阵处于工作状态，另一类压电陶瓷声发射器周期线阵空置。功率放大器输出单频交流电压迫使这类压电陶瓷声发射器周期阵列振动，压电陶瓷圆柱管内外壁面振动，向绝缘液体300中辐射声波，声波透过管体外壳100聚四氟乙烯管向水中辐射声波。电极分布形式和压电陶瓷极化方式使这两种压电陶瓷声发射器周期线阵具有特殊的声压指向性。
在本实施例中，每个所述水声传感器分别对应一个径向极化压电陶瓷圆管声发射器400和一个周向极化压电陶瓷圆管声发射器500。
如图2所示，在本实施例中，所述径向极化压电陶瓷圆管声发射器400的内外表面均覆盖有银电极，且这两个电极分别与功率放大器的输出电极相连。
如图3所示，在本实施例中，所述周向极化压电陶瓷圆管声发射器500上沿周向交错覆盖有多个银电极，且这些银电极周向间隔均匀分布。所述周向极化压电陶瓷圆管声发射器500上的多个银电极间隔连接，并分别构成周向极化压电陶瓷圆管声发射器500的两极，且这两个电极分别与功率放大器的输出电极相连。
上述水声发射和传感器周期线阵装置，由于径向极化压电陶瓷圆管声发射器400组件沿轴向是周期分布的，并且内外壁圆柱面上全部被银电极，这种声发射器线阵的辐射声波是零阶Hankel(汉克尔)柱波，根据径向或轴向波数的不同，这些柱波会有几簇。当压电陶瓷声发射器周期线阵工作时，由于周向极化导致压电陶瓷圆管材料的非均性，功率放大器驱动声发射器线阵会产生n阶Hankel柱波，其中n为整数，这种周向非均匀声场的声波也是水声实验测试时需要使用的声源。在这种模式下，压电陶瓷水声传感器600组件可以处于空置状态，也可以处于测量状态，所测声压值就是二甲基硅油中场点处的声压。这两类压电陶瓷圆柱管声发射器周期线阵通过调整压电陶瓷空心圆柱管元件的间距，可以获得不同轴向波数声远场，甚至可以实现远声场只有轴向波数为零的柱波辐射。这些具有特定轴向和周向波数的柱波就是水声试验所需的声源。只有周向极化压电陶瓷圆管声发射器500周期线阵能产生不同周向波数的声场。
当水声线阵处于压电陶瓷水声传感器600工作模式时，两类压电陶瓷圆管声发射器周期组件空置。压电陶瓷水声传感器600组件都是径向极化的，内外圆柱面都是全覆盖银电极。外界声源辐射的声波透过管体外壳100聚四氟乙烯管和二甲基硅油绝缘液体300，入射到压电陶瓷水声传感器600外圆柱面上，压电效应使传感器输出电压，通过测量电压，可以计算出场点处的声压。通过采集压电陶瓷声传感器线阵所有元件的输出电压，就能实现一系列场点声压的测量。每个压电陶瓷水声传感器600圆柱内腔填充多孔吸声橡胶130，使声压作用于传感器元件的外柱面，实现声压的测量。
在水声发射和传感器周期线阵处于双工模式时，功率放大器输出脉冲电压信号，驱动压电陶瓷声发射器周期阵列发射声脉冲序列，一旦发射声脉冲马上就被压电陶瓷水声传感器600检测到，声脉冲通过绝缘液体300和管体外壳100聚四氟乙烯管，向水中发射声脉冲，当声脉冲遇到水下结构物就反射回来，被压电陶瓷圆管声传感器检测到。通过分析压电陶瓷水声传感器600组件的电压脉冲序列，就能探测水下物体的形状和运动状态。径向极化压电陶瓷圆管声发射器400周期阵列产生的是周向均匀的声压脉冲，如果需要特定周向方位的声波脉冲，可以选择由功率放大器驱动周向极化压电陶瓷圆管声发射器500周期阵列产生脉冲声波。
上述压电陶瓷水声发射和传感器周期线阵装置，有以上三种工作模式，结构紧凑，使用方便，制造成本低。既能用作具有特定轴向和周向波数的稳态声源，也能用作水下声压测量，还能用作水下物体的主动探测，它们都有重要的水声工程应用价值。
上述水声发射和传感器周期线阵装置在海水中产生特定轴向和周向波数的稳态声源，用于激励水下周期圆柱壳声散射和声透射实验测试的声源。简化声压场点的布置，一次能同时测量一系列均匀分布场点处的声压，省时省力。通过声波脉冲的发射和声波的接收，实现水下结构物的探测。本装置结构紧凑，用途广泛，成本低，维护保养方便，能产生水声实验测试用的柱波声场。还能大量用于水下侦听、水下预警、水下资源探查、水下物体探测、水下壳体结构声散射、鱼群探测等方面。
如图4所示，周向极化压电陶瓷圆管声发射器500的多个银电极通过电缆间隔相连，并分别构成正极电缆510和负极电缆520，电缆固定在银电极的位置为焊点530。
如图5所示，每个压电陶瓷水声传感器600沿轴向均匀分布，极化方向为径向，内外圆柱面分别引出两个电极。每个压电陶瓷水声传感器600通过分支电缆800与主线缆集束200中对应电缆相连。
如图6所示，在本实施例中，主线缆集束200包括钢丝210、四个粗线缆230和多个细线缆220；四个粗线缆230分别与径向和周向极化压电陶瓷圆管声发射器的两极连接，多个细线缆220分别与各个压电陶瓷水声传感器600的两电极连接；钢丝210沿管体外壳100的中心线从水声发射和传感器周期线阵的头部贯穿到尾部。由于功率放大器输出电流比较大，所用线缆要稍微粗一些。主线缆集束200的中间是一根钢丝210，起增加主线缆集束200强度的作用。粗线缆230、细线缆220和钢丝210需要包扎在一起，主线缆集束200也具有固定压电陶瓷水声传感器600周期阵列的作用。
基于压电陶瓷的逆压电效应，功率放大器输出的单频交流电压驱动径向极化压电陶瓷圆管声发射器400周期阵列或周向极化压电陶瓷圆管声发射器500周期阵列振动，然后向绝缘液体300中辐射声波，最后通过管体外壳100聚四氟乙烯管向水中辐射声波。这些压电陶瓷声发射器阵列在轴向和周向产生一系列特定波数的声波。相邻压电陶瓷圆柱管元件间距所产生的最小非零轴向波数如果大于一些频率下水中波数时，径向极化压电陶瓷圆管声发射器400周期阵列只能产生轴向波数为零和周向波数也为零的远场柱波，这种波具有特殊的实验用途，可以用于入射水下壳体产生声散射。轴向周期间距越小，在越宽的频带范围，水中声远场只有一个这样的声波传播。这种工作方式下，径向极化压电陶瓷圆管声发射器400周期阵列输出水声实验中需要的柱波，用作一种特殊的水下声源。周向极化压电陶瓷圆管声发射器500周期阵列也有相似的工作原理，但能输出特定周向指向性的声波，用作水下声源。
基于压电陶瓷的压电效应，海洋环境入射来的声波使水声周期线阵中压电陶瓷水声传感器600组件电极两端产生电压。每一个压电陶瓷水声传感器600单独输出感知电压，放大信号后，就可以采用信号采集仪获取声传感器输出电压，然后利用声传感器声压与电压的灵敏度系数，计算出声传感器场点处的声压。
当水声发射和传感器周期线阵处于双工模式时，功率放大器输出一个持续时间很短的脉冲电压，或者输出具有特定占空比的矩形方波信号构成的周期脉冲。这种脉冲电压驱动径向极化压电陶瓷圆管声发射器400周期线阵或周向极化压电陶瓷圆管声发射器500周期线阵，产生一系列的声脉冲，发射完声脉冲，水声发射器线阵马上停止工作。在压电陶瓷声发射器周期线阵刚工作时，压电陶瓷水声传感器600阵列就获得一个声压脉冲信号，这个脉冲信号可以用作一种初始时间标记。声脉冲同时向海水中传播，遇到海洋中的结构物，例如潜艇、沉船、鲸鱼、海底山脉、水下航行器等结构物，这些声脉冲就不断地反射回来，压电陶瓷声传感器阵列就监测到了一系列声脉冲的回波信号。通过这些声压脉冲信号就能探测水下结构物的大小和方位。
其它的水声发射器，例如激光源气化海水形成的声源、气动哨诱导水下声源、超磁致伸缩声源等，都很难形成水声周期线阵声源。光纤水听器虽然也可以形成线阵，但系统结构复杂，需要可靠稳定的激光源，不具备声发射器的作用，另外光学仪器很容易受到海洋环境的影响，导致不能正常工作。压电陶瓷水声发射和传感器周期线阵将声发射器件和声传感元件高效地集成到一起，得到激发特殊柱波声场的水下声学线阵和接收声压信号的线阵。
在本实施例中，管体外壳100的两端由内到外依次设置多孔吸声橡胶130、固定板120和密封环氧树脂110；固定板120起固定或隔离的作用。主线缆集束200的尾端连接在固定板120上，主线缆集束200的首端穿过固定板120。
其中管体外壳100顶端和底端最外层分别设置有过渡面板140和水动力光滑过度物150，管体外壳100的底端设有安装在光滑过度物内的螺纹接头170。管体外壳100的顶端设有贯穿过渡面板140、密封环氧树脂110、固定板120和多孔吸声橡胶130的硅油滴注管160，硅油滴注管160的顶端安装有堵头。管体外壳100的顶端还设置有与主线缆集束200连接的电气插头180。其中螺纹接头170用于挂载压载物、漂浮物或施加载荷，满足实验测试时声波入射方位的特殊要求，使压电陶瓷水声发射和传感器周期线阵工作于特定位置，例如处于倾斜或水平位置。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种水声发射和传感器周期线阵装置，其特征在于，包括管体外壳、主线缆集束、 径向极化压电陶瓷圆管声发射器、周向极化压电陶瓷圆管声发射器、压电陶瓷水声传感 器和安装在径向极化压电陶瓷圆管声发射器端部、以及周向极化压电陶瓷圆管声发射器端部的减振管；
所述管体外壳内部填充有绝缘液体，所述主线缆集束沿管体外壳的轴线穿设，并分 别固定在管体外壳的两端；所述径向极化压电陶瓷圆管声发射器和所述周向极化压电陶 瓷圆管声发射器沿管体外壳轴向周期交错设置，并固定在管体外壳的内壁上；所述压电 陶瓷水声传感器周期间隔设置并通过多孔吸声橡胶固定在主线缆集束上；所述径向极化 压电陶瓷圆管声发射器、所述周向极化压电陶瓷圆管声发射器、以及所述压电陶瓷水声传感器的电极通过分支电缆分别接入对应的主线缆集束内；
每个所述压电陶瓷水声传感器分别对应一个径向极化压电陶瓷圆管声发射器和一个周向极化压电陶瓷圆管声发射器。
2.根据权利要求 1 所述的水声发射和传感器周期线阵装置，其特征在于，每个所述径向极化压电陶瓷圆管声发射器的两端均安装有两个减振管；每个所述周向极化压电陶瓷圆管声发射器的两端均安装有两个减振管。
3.根据权利要求 1 所述的水声发射和传感器周期线阵装置，其特征在于，所述径向极化压电陶瓷圆管声发射器电极相互并联或所述周向极化压电陶瓷圆管声发射器电极相互并联，并由功率放大器驱动。
4. 根据权利要求 1 所述的水声发射和传感器周期线阵装置，其特征在于，每个所述压电陶瓷水声传感器圆柱内腔填充多孔吸声橡胶。
5.根据权利要求 1 所述的水声发射和传感器周期线阵装置，其特征在于，所述径向极化压电陶瓷圆管声发射器的内外表面均覆盖有银电极，且两个电极分别与功率放大器的输出电极相连。
6.根据权利要求 1 所述的水声发射和传感器周期线阵装置，其特征在于，所述周向极化压电陶瓷圆管声发射器上沿周向交错覆盖有多个银电极，且这些银电极周向间隔均匀分布。
7.根据权利要求 6 所述的水声发射和传感器周期线阵装置，其特征在于，所述周向极化压电陶瓷圆管声发射器上的多个银电极间隔连接，并分别构成周向极化压电陶瓷圆管声发射器元件的两极，且两个电极分别与功率放大器的输出电极相连。
8. 根据权利要求 5-7 任一所述的水声发射和传感器周期线阵装置，其特征在于，所述主线缆集束包括钢丝、四个粗线缆和多个细线缆；四个粗线缆分别与径向极化压电陶 瓷圆管声发射器和周向极化压电陶瓷圆管声发射器的两极连接，多个细线缆分别与各个 压电陶瓷水声传感器的两电极连接；所述钢丝沿外套管的中心线从水声发射和传感器周期线阵的头部贯穿到尾部。
9. 根据权利要求 1 所述的水声发射和传感器周期线阵装置，其特征在于，所述管体外壳的两端由内到外依次设置多孔吸声橡胶、固定板和密封环氧树脂；所述主线缆集束的尾端连接在一个固定板上，首端穿过另一个固定板。
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