CN204598291U - 一种水听器线阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水听器线阵列，一种水听器线阵列包括：支撑件和6个水听器；其中，水听器内嵌在支撑件上，支撑件的轴线垂直于每个水听器的横切面，水听器线阵列的预设工作频率为3.75KHz，第二至第六水听器与第一水听器之间的间隔依次为125mm、200mm、250mm、325mm、450mm，相距200mm的两个水听器串联为一对水听器，每对水听器与其他任一对水听器之间并联连接。应用本实用新型实施例提供的水听器线阵列，通过输出指向性测试，其实验结果表明，相对于现有技术，抗干扰能力良好，能够减小甚至消除端射方向的噪声对水听器线阵列的接收性能带来的不利影响，获得很好的输出指向性。

Description

一种水听器线阵列

技术领域

本实用新型涉及声信号处理技术领域，特别是涉及一种水听器线阵列。

背景技术

水听器又称水下传声器，是把水下声信号转换为电信号的换能器。水听器阵列是指将多个水听器按照一定的方式放置在不同的空间位置上，形成固定阵型的传感器阵列。在水下导航、水下声学测量、海洋勘探与开发等领域，水听器阵列均具有重要应用。而水听器线阵列作为水听器阵列的基本形式，在水听器阵列中具有非常重要的地位，其特点是多个水听器按照一定的方式排列为直线型。因此，对水听器线阵列的研究具有重要意义。

现有技术中水听器线阵列有三种：一种水听器线阵列中的水听器等间隔布放，一种水听器线阵列中的水听器的布放方式是中间紧密两边稀疏，还有一种水听器线阵列中的水听器的布放方式是中间稀疏两边紧密。

理论分析和实验结果表明：与水听器等间隔布放的水听器线阵列相比，水听器布放中间紧密两边稀疏时，指向性曲线的主瓣相对较宽，而旁瓣相对较低；水听器布放中间稀疏两边紧密时，指向性曲线的主瓣相对较窄，而旁瓣相对较高。其中，旁瓣存在的意义在于：当存在旁瓣时，如果水听器线阵列的端射方向存在噪声时，会影响到水听器线阵列的接收性能，水听器线阵列的指向性不好。而现有技术中的三种水听器线阵列，在端射方向均存在旁瓣，即在端射方向存在噪声时，现有技术中的水听器线阵列的输出指向性不好。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种水听器线阵列，以使在水听器线阵列的端射方向存在噪声时，获得较好的输出指向性。具体技术方案如下：

一种水听器线阵列，包括：支撑件和6个依次成直线布放的水听器；其中，所述水听器内嵌在所述支撑件上，所述支撑件的轴线垂直于每个水听器的横切面，6个水听器的具体布放方式为：第一水听器与第三水听器串联组成一对水听器，第二水听器与第五水听器串联组成一对水听器，第四水听器与第六水听器串联组成一对水听器，每对水听器与其他的任一对水听器之间并联连接，所述水听器线阵列的预设工作频率为3.75KHz，第二至第六水听器与第一水听器之间的间隔依次为125mm、200mm、250mm、325mm、450mm。

在本实用新型的一种具体实施方式中，所述水听器具体为压电陶瓷圆环。

在本实用新型的一种具体实施方式中，还包括：设置在所述支撑件的一端的输出端，其中，所述输出端与所述每对水听器的输出端电连接。

在本实用新型的一种具体实施方式中，还包括：设置在所述水听器外侧的与所述支撑件连接的水密层。

在本实用新型的一种具体实施方式中，还包括：设置在所述水听器与所述水密层之间的内嵌在所述支撑件中的屏蔽层，其中，每个水听器对应一个屏蔽层。

应用本实用新型实施例提供的水听器线阵列，通过输出指向性测试，其实验结果表明，相对于现有技术，本实用新型所提供的水听器线阵列具备良好的抗干扰能力，能够减小甚至消除端射方向的噪声对水听器线阵列的接收性能带来的不利影响，获得很好的输出指向性。且布放方式简单，易操作。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用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实用新型的一些实施例，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。

图1为本实用新型实施例的一种水听器线阵列的结构示意图；

图2为不同的水听器线阵列的归一化指向性曲线图；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1所示为本实用新型实施例的一种水听器线阵列的结构示意图。由图可知，本实用新型实施例中的水听器线阵列至少可以包括以下部件：

支撑件01和6个依次成直线布放的水听器02。进一步地，在本实用新型的一种具体实施方式中，上述水听器线阵列中的水听器02可以是压电陶瓷圆环。当有声波传来时，振动使压电陶瓷圆环输出一定的电压，这样水下声信号就转换成电信号。

其中，水听器02内嵌在支撑件01上，支撑件01的轴线垂直于每个水听器02的横切面。如图1所示，依次将左数第一个水听器02命名为第一水听器，左数第二个水听器02命名为第二水听器，左数第三个水听器02命名为第三水听器，左数第四个水听器02命名为第四水听器，左数第五个水听器02命名为第五水听器，左数第六个水听器02命名为第六水听器。6个水听器的具体布放方式为：第一水听器02与第三水听器02串联组成一对水听器，第二水听器02与第五水听器02串联组成一对水听器，第四水听器02与第六水听器02串联组成一对水听器，每对水听器与其他的任一对水听器之间并联连接，所述水听器线阵列的预设工作频率为3.75KHz，第二至第六水听器与第一水听器之间的间隔依次为125mm、200mm、250mm、325mm、450mm。由上述水听器之间的间隔关系可知，第一水听器02与第三水听器02之间的间隔为200mm，第二水听器02与第五水听器02之间的间隔为200mm，第四水听器02与第六水听器02之间的间隔为200mm，即每对水听器内的两个水听器之间的间隔均为200mm。可以理解的是，上述水听器线阵列的工作环境的声波频率也可以不是上述预设工作频率3.75KHz。当然，当声波频率等于预设工作频率3.75KHz时，上述水听器线阵列将得到最佳的输出。另外，显而易见的是，上述第一个水听器02和第六个水听器02与上述支撑件01的两端的距离应满足加工工艺要求。

由于海水中的声速为1500m/s左右，所以对于预设工作频率为3.75KHz的水听器线阵列来说，上述每对水听器内的两个水听器之间的间隔为200mm刚好为波长的一半。且由每个水听器02的布放位置可知，本实用新型中的水听器02在支撑件01上的布放方式符合组合声源辐射的规律，经实验结果表明，本实用新型中的水听器线阵列能够获得很好的输出指向性。

为了方便理解，这里给出在满足组合声源辐射规律情况下的水听器的布放方式。具体如下：

步骤1、布放第1对和第2对水听器：

1)若h+a≤D＜h+2a+g，只能布放1对水听器，其布放位置分别为：

①–h/2，

②h/2，

布阵完成；

2)若h+2a+g≤D≤2h-g，布放2对水听器，其布放位置分别为：

①-(D-a)/2，

②h-(D-a)/2，

③-h+(D-a)/2，

④(D-a)/2，

进入步骤3；

3)若2h-g＜D＜2h+2a+g，令：D′＝2h-g,布放2对水听器，其布放位置分别为：

①-(D′-a)/2，

②h-(D′-a)/2，

③-h+(D′-a)/2，

④(D′-a)/2，

进入步骤3；

4)若D≥2h+2a+g，布放2对水听器，其布放位置分别为：

①-(D-a)/2，

②h-(D-a)/2，

③-h+(D-a)/2，

④(D-a)/2，

记当前有效阵列长度d＝D-(2g+2a+2h)，进入步骤2；其中，当前有效阵列长度d为在支撑件01上布放两对水听器后按照公式d＝D-(2g+2a+2h)计算得出的，得到当前有效阵列长度d后，进一步地，按照递归方法依次布放水听器。

步骤2、依递归方法布放水听器：

1)若d＜h+a，进入步骤3；

2)若h+a≤d＜h+2a+g，布放1对水听器，其布放位置分别为

①-h/2，

②h/2，

布阵完成；

3)若h+2a+g≤d≤2h-g，布放2对水听器，其布放位置分别为：

①-(d-a)/2，

②h-(d-a)/2，

③-h+(d-a)/2，

④(d-a)/2，

进入步骤3；

4)若2h-g＜d＜2h+2a+g，进入步骤3；

5)若d≥2h+2a+g，布放2对水听器，其布放位置分别为：

①-(d-a)/2，

②h-(d-a)/2，

③-h+(d-a)/2，

④(d-a)/2，

将d-(2g+2a+2h)赋值给当前有效阵列长度d，进入步骤2进行递归布放；

步骤3、布放最后一对水听器，观察在下列位置是否满足布放水听器的条件：

①-h/2，

②h/2，

如果满足布放条件，则在这两个位置布放一对水听器，布阵完成；如果不满足布放条件，则布阵完成；

其中，上述水听器的布放位置为位置坐标，该坐标以支撑件的中心为原点；D＝L-2b为总体有效阵列长度，h＝1500/2f为半波长参数，每对水听器内的两个水听器之间的间隔等于半波长参数h，a为每个水听器的长度，g为由加工工艺确定的每对水听器之间的最小安装间隔，L为所述支撑件的长度，b为由加工工艺确定的支撑件的最外侧水听器的外部边缘与支撑件边缘的最小距离，可以是0-15mm之间，f为水听器线阵列的预设工作频率。

在本实用新型的一种具体实施方式中，上述水听器线阵列还可以包括：设置在支撑件01一端的输出端03，其中，该输出端03与每对水听器的输出端电连接。当然，可以理解的是，在具体实施过程中，我们也可以将支撑件01的一端加长处理，将该输出端03直接设置在支撑件01上。图1所示水听器线阵列即为对支撑件一端做加长处理后直接将输出端03设置在支撑件01上的水听器线阵列。此时，水听器02的布放位置对支撑件01的中心不再有对称性，但各水听器间的间隔不变。具体地，在图1中，L＝500mm，而由加工工艺确定的支撑件的最外侧水听器的外部边缘与支撑件边缘的最小距离b可以位于0-15mm之间，D-a＝450mm。这里对D-a的意义进行说明：由组合声源辐射规律可知，水听器线阵列上位于两端的两个水听器之间的间隔为D-a。其中，D＝L-2b，b可以位于0-15mm之间，所以通常情况下L＝500mm时，D可以位于470mm-500mm之间，进一步地，通常水听器的长度a为10mm左右，取a＝10mm，则D-a可以位于460mm-490mm之间。而在图1中，由于我们对支撑件01做了加长处理后L＝500mm，所以我们在计算D-a时，还需减去加长处理的部分，此时我们可取D-a＝450mm。

根据上述布放水听器的方式，结合一具体实例，对本实用新型再做详细说明。参见图1，令L＝500mm，D-a＝450mm，每对水听器内的两个水听器02之间的间隔h＝200mm，而通常水听器02的长度a为10mm左右，这里，取a＝10mm；由加工工艺确定的每对水听器之间的最小安装间隔g为10mm左右，取g＝10mm，所以在本实用新型的实施例中，总体有效阵列长度D＝460mm，而2h+2a+g＝2*200+2*10+2*10＝440mm，因而满足D≥2h+2a+g，按照组合声源辐射规律中坐标系的建立方法，去除支撑件01的加长部分后，本实用新型中水听器线阵列的两对水听器的布放位置分别为：

第一对水听器内一个的布放位置为-(D-a)/2＝-225mm，另一个的布放位置为h-(D-a)/2＝-25mm；

第二对水听器内一个的布放位置为-h+(D-a)/2＝25mm，另一个的布放位置为(D-a)/2＝225mm。

当前有效阵列长度d＝D-(2g+2a+2h)＝20mm，h+a＝230mm，所以d＜h+a。另外，由于在-h/2和h/2处，即-100mm处和100mm处没有布放水听器02，且这两个位置与其他布放水听器02的位置的间隔最小均为75mm，满足布放水听器02的要求。此时布放最后一对水听器，该最后一对水听器的位置为：

最后一对水听器内一个的布放位置为-h/2＝-100mm，另一个的布放位置为h/2＝100mm。

同时，由于图1中对支撑件01做了加长处理，水听器02的布放位置对支撑件01的中心不再有对称性，为描述方便，我们将第一水听器02所在位置确定为坐标原点，这样相当于将各个水听器02的位置坐标向坐标轴正向平移了225mm，所以本实用新型实施例的水听器线阵列中第一至第六水听器02的布放位置依次为0mm、125mm、200mm、250mm、325mm和450mm。

由上述分析过程可知，本实用新型的水听器线阵列中的水听器的布放位置与组合声源辐射规律的步骤1中的4)，以及步骤3中水听器的布放位置一致，这表明本实用新型的水听器线阵列中的水听器的布放位置满足组合声源辐射规律。

在各个水听器将水下声信号转换为电信号后，上述输出端03与每对水听器的输出端电连接，将水听器线阵列的信号输出给水听器线阵列以外的信号处理装置。具体地，该信号处理装置可以是处理水听器线阵列的输出信号的计算机。

在本实用新型的一种具体实施方式中，上述水听器线阵列还可以包括：设置在水听器外侧的与支撑件连接的水密层04，以保护水听器线阵列中的水听器和内部电路。

在本实用新型的一种具体实施方式中，上述水听器线阵列还可以包括：设置在水听器02与水密层04之间的内嵌在支撑件01中的屏蔽层05，其中，每个水听器02对应一个屏蔽层05，该屏蔽层05由声学材料制成，具体可以由镀锡铜丝编织而成。由图1可知，屏蔽层05位于水听器02的外围，尺寸较水听器02较宽，屏蔽层05的作用为降低乃至消除输出端03引入的电噪声对声波信号的影响，以使水听器更好地接收来自于水中的声波信号。

图2所示，为不同的水听器线阵列的归一化指向性曲线图。在该曲线图中，虚线为水听器线阵列中的水听器等间隔布放时的归一化指向性曲线，带有小分割线的实线为水听器线阵列中水听器中间稀疏两边紧密布放时的归一化指向性曲线，带有小圆圈的虚线为水听器线阵列中的水听器中间紧密两边稀疏布放时的归一化指向性曲线，实线为水听器线阵列中的水听器按本实用新型的技术方案布放时的归一化指向性曲线。其中，接近0度和180度的方向为端射方向，附近的曲线为波形的旁瓣。相应地，接近90度和270度的方向为侧射方向，附近的曲线为波形的主瓣。

为描述方便，我们将现有技术中的三种线阵列进行命名。其中，我们将水听器的布放方式是中间稀疏两边紧密的水听器线阵列命名为中间稀疏两边紧密的水听器线阵列；将水听器等间隔布放的水听器线阵列命名为等间隔的水听器线阵列；将水听器的布放方式是中间紧密两边稀疏的水听器线阵列命名为中间紧密两边稀疏的水听器线阵列。

图2表明：中间稀疏两边紧密的水听器线阵列的旁瓣最高，等间隔的水听器线阵列的旁瓣略小于中间稀疏两边紧密的水听器线阵列的旁瓣，中间紧密两边稀疏的水听器线阵列的旁瓣较前两种水听器线阵列的旁瓣都低，但旁瓣的幅度依然大于0.6，而本实用新型技术方案中的水听器线阵列没有旁瓣，即表明本实用新型技术方案中的水听器线阵列具有良好的抗干扰能力，能够消除端射方向造成对水听器线阵列接收性能的影响，获得很好的输出指向性。

应用本实用新型实施例提供的水听器线阵列，通过输出指向性测试，其实验结果表明，相对于现有技术，本实用新型所提供的水听器线阵列具备良好的抗干扰能力，能够减小甚至消除端射方向的噪声对水听器线阵列的接收性能带来的不利影响，获得很好的输出指向性。且布放方式简单，易操作。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种水听器线阵列，其特征在于，包括：支撑件和6个依次成直线布放的水听器；其中，所述水听器内嵌在所述支撑件上，所述支撑件的轴线垂直于每个水听器的横切面，6个水听器的具体布放方式为：第一水听器与第三水听器串联组成一对水听器，第二水听器与第五水听器串联组成一对水听器，第四水听器与第六水听器串联组成一对水听器，每对水听器与其他的任一对水听器之间并联连接，所述水听器线阵列的预设工作频率为3.75KHz，第二至第六水听器与第一水听器之间的间隔依次为125mm、200mm、250mm、325mm、450mm。

2.根据权利要求1所述的水听器线阵列，其特征在于，所述水听器具体为压电陶瓷圆环。

3.根据权利要求1所述的水听器线阵列，其特征在于，还包括：设置在所述支撑件的一端的输出端，其中，所述输出端与所述每对水听器的输出端电连接。

4.根据权利要求3所述的水听器线阵列，其特征在于，还包括：设置在所述水听器外侧的与所述支撑件连接的水密层。

5.根据权利要求4所述的水听器线阵列，其特征在于，还包括：设置在所述水听器与所述水密层之间的内嵌在所述支撑件中的屏蔽层，其中，每个水听器对应一个屏蔽层。