CN208689928U - 一种数字式流控制水声发射换能器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种数字式流控制水声发射换能器，包括一壳体以及设于壳体内的加压泵、耐压水箱、由复数条流控管组成的流控管组、复数个电控阀门、声发射控制器、将流体外排的排水管；加压泵的进水口连通外界水源，出水口连通耐压水箱，各流控管的一端分别与耐压水箱连通，另一端均接入排水管，各流控管上均设置一电控阀门，声发射控制器具有与流控管数量相同的输出端口，输出端口与电控阀门一一对应连接，声发射控制器将输入的电压信号转换成数字信号，且该数字信号的每一位对应声发射控制器的一输出端口。本实用新型通过数字式控制方式对由换能器内至外的水流流速进行调制，形成速度脉动进而对外辐射声波，具有优越的低频声发射性能，且体积小、重量轻、功率低。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种数字式流控制水声发射换能器，属于水声换能器技术领域。
背景技术
声波是唯一已知的能够在水下远距离传播的信息载体，声学方法是水下探测、测量、目标识别及定位、海洋地质勘探等诸多领域的主要手段，其应用日益深入。随着现代水声技术的发展，在一些领域中声波的低端工作频率已延伸至一百赫兹以下的甚低频段，因此，作为水声技术得以实施的必要工具，低频宽带水声换能器、尤其是发射换能器的研制具有重要意义和价值。
传统的水下低频声辐射换能器主要有溢流式圆环换能器、多模弯张换能器、电动式换能器等等。为了达到较高的低频声辐射能力，这些换能器一般具有较大的体积、重量及损耗功率，并需要能够输出大幅度模拟信号的大功率功放进行驱动，使用期间损坏率高、长期工作可靠性较差。目前，水声领域仍然缺乏体积小、重量轻、功耗低的低频换能器，其应用需求十分迫切。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种数字式流控制水声发射换能器，通过数字式控制方式对由换能器内至外的水流流速进行调制，具有优越的低频声发射性能，且其体积小、重量轻、功率低。
本实用新型的技术方案如下：
一种数字式流控制水声发射换能器，包括一壳体以及设于壳体内的加压泵、用于存储高压流体的耐压水箱、由复数条流控管组成的流控管组、复数个电控阀门、声发射控制器、将流体外排的排水管；所述加压泵的进水口连通外界水源，所述加压泵的出水口连通耐压水箱，所述流控管组中各流控管的一端分别与耐压水箱连通，另一端均接入所述排水管，所述排水管的排水口设于所述壳体上，各所述流控管上均设置一所述电控阀门，所述声发射控制器具有与流控管数量相同的输出端口，所述输出端口与所述电控阀门一一对应连接，所述声发射控制器将输入的电压信号转换成数字信号，且该数字信号的每一位对应所述声发射控制器的一输出端口，并根据该位的0/1值输出对应的电平值至电控阀门，电控阀门根据输入的电平值控制对应流控管的通断。
更优地，所述水声发射换能器还包括压力开关，所述压力开关设于所述耐压水箱的侧壁上，用于探测耐压水箱内的静态液压，所述压力开关的输出端连接所述加压泵的工作开关，用于控制加压泵的通断电。
更优地，所述耐压水箱内还放置一气囊，所述气囊内充有气体。
更优地，所述声发射控制器包括相互连接的AD转换器和Delta-Sigma调制器，输入的电压信号通过AD转换器转换成数字信号，再由Delta-Sigma调制器输出具有与流控管数量相同位数的数字信号。
更优地，所述流控管组中各流控管的横截面积由小至大排列后应为等比数列，所述等比数列的系数为2，所述Delta-Sigma调制器输出的数字信号最低位至最高位对应的输出端口连接的电控阀门，按照横截面积由小至大的顺序分别依次安装于对应的流控管上。
更优地，所述加压泵的出水口设有一止回阀。
更优地，所述排水管上设有消声器，用来抑制其内部的高频噪声。
更优地，所述壳体上固定一电接口，所述电接口连接所述声发射控制器，所述信号用于接收外部的电压信号，然后将电压信号传输至所述声发射控制器。
本实用新型具有如下有益效果：
(1) 本实用新型利用Delta-Sigma调制器配合多个电控阀门对由换能器内至外的水流进行调制，产生脉动液体流速进而向外部辐射声波，与现有的水声发射换能器相比，具有更高的低频声发射性能；
(2) 本实用新型中使用数字式控制方式、通过电控阀门对水流流速进行调制，可大幅降低传统换能器的功耗、体积和重量，同时还可提高换能器的非线性失真等指标；
(3) 实际应用中，既可将本实用新型直接置于水下目标位置，也可利用耐压软管将水流引导至目标位置，使用更加灵活。
附图说明
图1为本实用新型数字式流控制水声发射换能器的结构剖面图；
图2为本实用新型数字式流控制水声发射换能器的声发射控制器的连接图。
图中附图标记表示为：
1、壳体；2、加压泵；3、耐压水箱；4、流控管；5、电控阀门；6、声发射控制器；7、排水管；8、电接口；9、压力开关；21、进水口；22、出水口；23、进水管；24、出水管；25、止回阀；31、气囊；61、输出端口；62、AD转换器；63、Delta-Sigma调制器；71、排水口；72、消声器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本实用新型进行详细的说明。
请参阅图1，一种数字式流控制水声发射换能器，包括一壳体1以及设于壳体1内的加压泵2、用于存储高压流体的耐压水箱3、由复数条流控管4组成的流控管组、复数个电控阀门5、声发射控制器6、将流体外排的排水管7；所述加压泵2的进水口21连通外界水源，所述加压泵2的出水口22连通耐压水箱3，所述流控管组中各流控管4的一端分别与耐压水箱3连通，另一端均接入所述排水管7，所述排水管7的排水口71设于所述壳体1上，各所述流控管4上均设置一所述电控阀门5，所述声发射控制器6具有与流控管4数量相同的输出端口61，所述输出端口61与所述电控阀门5一一对应连接，所述声发射控制器6将输入的电压信号转换成数字信号，且该数字信号的每一位对应所述声发射控制器6的一输出端口，并根据该位的0/1值输出对应的电平值至电控阀门5，电控阀门5根据输入的电平值控制对应流控管4的通断。
一般地，所述加压泵2的进水口21连接一进水管23，通过进水管23与外界水源连通，所述加压泵2的出水口22连接一出水管24，通过出水管24连通耐压水箱3。
所述水声发射换能器工作时，可以将其整体置于水中，使排水管7的排水口71位于目标位置处，或将水声发射换能器置于地面上，利用耐压软管连接所述加压泵2的进水口21（或进水管23），然后其另一端再连接外界水源，再利用另一耐压软管连接排水管7的排水口71，然后其另一端置于目标位置处，作为声波发射的端口。
在所述壳体1上固定一电接口8，所述电接口8连接所述声发射控制器6，所述电接口8用于接收外部的电压信号。
所述水声发射换能器工作时，加压泵2开始工作，提升耐压水箱3内部水压。需要发射的外部声信号以电压信号的形式通过所述电接口8输入所述声发射控制器6，声发射控制器6将其转换为数字信号，根据数字信号每一位0/1值输出低/高电平值至电控阀门5，电控阀门5根据输入的电平值控制对应流控管4的通断，从而对流控管4中的水流进行调制，使排水管7内的总体流速跟随电接口8输入电压的高低而变化，形成速度脉动，该速度脉动在排水口71处向外界辐射声波。与其他换能器的位移控制相比，本实用新型中直接对流体速度进行调制，具有更好的低频声发射性能。
耐压水箱3和外界的静压差将使电控阀门5打开时，流控管4中的流体以恒定速度流出。电控阀门5在声发射控制器6控制下工作时，通过高频的通断操作对流控管4中水流流速进行调制。为了更好地控制耐压水箱3的压力，在所述耐压水箱3的侧壁上设置一压力开关9，其探测耐压水箱3内的静态液压，所述压力开关9的输出端连接所述加压泵2的工作开关，用于控制加压泵2的通断电。例如，在压力开关9上设置压力正常值的范围，当压力超过正常值范围时，发出信号控制加压泵2停止工作，当压力低于正常值范围时，发出信号控制加压泵2开始工作。一般地，换能器刚开始工作时，通过加压泵2将耐压水箱3内的压力提升至正常值范围的上限值。
在所述加压泵2的出水口22设有一止回阀25，当加压泵2工作时，该止回阀25在流体压力下自动开启，加压泵2停止工作时，该止回阀25关闭，防止所述耐压水箱3中的水产生倒流而泄压。
所述耐压水箱3内还放置一气囊31，所述气囊31内充有气体。气囊31可以起到压力缓冲作用，防止耐压水箱3内压力过快地增长和降低。
所述声发射控制器6的一种较优实施方式为：
请参阅图2，所述声发射控制器6包括相互连接的AD转换器62和Delta-Sigma调制器63，输入的电压信号通过AD转换器62转换成数字信号，再由Delta-Sigma调制器63输出具有与流控管4数量相同位数的数字信号。
所述AD转换器62将外部输入的电压信号转换成低采样率、高位数（即高精度）数字信号，然后输入Delta-Sigma调制器63，将该信号转换成高采样率、低位数（低精度）的数字信号。Delta-Sigma调制器63的实现方式已是本领域的公知技术，早在2007年 第5期《电子测量技术》上就公开了《多位数字Delta-Sigma调制器的设计》（作者：杨文荣 程媛媛）。
所述流控管组中各流控管4的横截面积由小至大排列后应为等比数列，所述等比数列的系数为2。所述Delta-Sigma调制器63输出的数字信号最低位至最高位对应的输出端口61连接的电控阀门5，按照横截面积由小至大的顺序分别依次安装于对应的流控管4上。Delta-Sigma调制器94输出的数字信号是二进制数，因此，各个位的权值的比例系数为2，所以横截面积比例系数必须为2。以输出二进制数abcd为例，a为1时，二进制数为1000，代表十进制的8，所以a这一位对应的旁支管横截面积必须是8S，其他类似；进一步，如果abcd为1111，对应十进制数为15，此时所有阀门全开，总的横截面积是8S+4S+2S+S=15S，从而使产生的流量正比于15，这样辐射的声也正比于15。总的目的是使产生的瞬时流量正比于调制器的输出abcd，这样就可以形成与输出信号成正比的速度脉动从而正确辐射声波。
请参阅图2，以采用四个流控管4为例，各所述流控管4的横截面积从小到大分别为S、2S、4S和8S；对应的Delta-Sigma调制器63的输出端口61为四个，Delta-Sigma调制器63输出数据最低位b0至最高位b3对应的输出端口61分别连接电控阀门5，最低位b0的输出端口61所连接的电控阀门5设于横截面为S的流控管4上，其次，b1的输出端口61所连接的电控阀门5设于横截面为2S的流控管4上，以此类推。所述AD转换器62将外部输入的电压信号转换成低采样率、16bit数字信号并输入Delta-Sigma调制器63，所述Delta-Sigma调制器63则将其转换为高采样率、4bit数字信号，该信号的每一位均对应所述声发射控制器6的一输出端口61，并根据该位的0/1值输出低/高电平至电控阀门5；电控阀门5根据输入的高/低电平控制对应流控管4的通/断，从而对流控管4中的水流进行调制，使排水管7内的总体流速跟随电接口8输入电压的高低而变化，形成速度脉动，该速度脉动在排水管7口向外界辐射声波。
根据Delta-Sigma调制器63原理，上述速度脉动不仅包含了与输入电压相同的低频有效成分，还会在高频形成干扰噪声，因此，在所述排水管7的上设有消声器72。通过消声器72抑制这一高频噪声。所述消声器72可以选用阻性消声器或抗性消声器。
本实用新型的工作原理如下：
步骤1、将所述水声发射换能器整体置于水中，使排水管7的排水口71位于目标位置处；或将水声发射换能器置于地面上，利用一耐压软管连接所述加压泵2的进水口21，然后该耐压软件另一端再连接外界水源，再利用另一耐压软管连接排水管7的排水口71，然后该另一耐压软管的另一端置于目标位置处，作为声波发射的端口；
步骤2、加压泵2开始工作，提升耐压水箱3内部水压；
步骤3、需要发射的外部声信号以电压信号的形式输入所述声发射控制器6；
步骤4、所述声发射控制器6将输入的电压信号转换为数字信号，根据数字信号每一位0/1值输出低/高电平值至电控阀门5；
步骤5、电控阀门5根据输入的电平值控制对应流控管4的通断，从而对流控管4中的水流进行调制，使排水管7内的总体流速跟随输入电压信号的高低而变化，形成速度脉动；
步骤6、该速度脉动在排水口71处向外界辐射声波。
较优地，所述耐压水箱3的侧壁上设置一压力开关9，其探测耐压水箱3内的静态液压，所述压力开关9的输出端连接所述加压泵2的工作开关，用于控制加压泵2的通断电；在压力开关9上设置压力正常值的范围；
所述步骤2中，加压泵2开始工作，提升耐压水箱3内部水压，当内部水压超过正常值范围时，发出信号控制加压泵2的工作开关，使加压泵2停止工作，当内部水压低于正常值范围时，发出信号控制加压泵2的工作开关，使加压泵2开始工作。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种数字式流控制水声发射换能器，其特征在于：包括一壳体（1）以及设于壳体（1）内的加压泵（2）、用于存储高压流体的耐压水箱（3）、由复数条流控管（4）组成的流控管组、复数个电控阀门（5）、声发射控制器（6）、将流体外排的排水管（7）；所述加压泵（2）的进水口（21）连通外界水源，所述加压泵（2）的出水口（22）连通耐压水箱（3），所述流控管组中各流控管（4）的一端分别与耐压水箱（3）连通，另一端均接入所述排水管（7），所述排水管（7）的排水口（71）设于所述壳体（1）上，各所述流控管（4）上均设置一所述电控阀门（5），所述声发射控制器（6）具有与流控管（4）数量相同的输出端口（61），所述输出端口（61）与所述电控阀门（5）一一对应连接，所述声发射控制器（6）将输入的电压信号转换成数字信号，且该数字信号的每一位对应所述声发射控制器（6）的一输出端口（61），并根据该位的0/1值输出对应的电平值至电控阀门（5），电控阀门（5）根据输入的电平值控制对应流控管（4）的通断。
2.根据权利要求1所述的一种数字式流控制水声发射换能器，其特征在于：还包括压力开关（9），所述压力开关（9）设于所述耐压水箱（3）的侧壁上，用于探测耐压水箱（3）内的静态液压，所述压力开关（9）的输出端连接所述加压泵（2）的工作开关，用于控制加压泵（2）的通断电。
3.根据权利要求1所述的一种数字式流控制水声发射换能器，其特征在于：所述耐压水箱（3）内还放置一气囊（31），所述气囊（31）内充有气体。
4.根据权利要求1所述的一种数字式流控制水声发射换能器，其特征在于：所述声发射控制器（6）包括相互连接的AD转换器（62）和Delta-Sigma调制器（63），输入的电压信号通过AD转换器（62）转换成数字信号，再由Delta-Sigma调制器（63）输出具有与流控管（4）数量相同位数的数字信号。
5.根据权利要求4所述的一种数字式流控制水声发射换能器，其特征在于：所述流控管组中各流控管（4）的横截面积由小至大排列后应为等比数列，所述等比数列的系数为2，所述Delta-Sigma调制器（63）输出的数字信号最低位至最高位对应的输出端口（61）连接的电控阀门（5），按照横截面积由小至大的顺序分别依次安装于对应的流控管（4）上。
6.根据权利要求1所述的一种数字式流控制水声发射换能器，其特征在于：所述加压泵（2）的出水口（22）设有一止回阀（25）。
7.根据权利要求1所述的一种数字式流控制水声发射换能器，其特征在于：所述排水管（7）的上设有消声器（72），用于抑制其内部的高频噪声。
8.根据权利要求1所述的一种数字式流控制水声发射换能器，其特征在于：所述壳体（1）上固定一电接口（8），所述电接口（8）连接所述声发射控制器（6），所述电接口（8）用于接收外部的电压信号，然后将电压信号传输至所述声发射控制器（6）。
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2018
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| CN108831429B (zh) * | 2018-08-31 | 2023-05-23 | 青岛理工大学 | 一种数字式流控制水声发射换能器及其声发射方法 |
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