CN208795359U - 二维同振型矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了二维同振型矢量水听器，包括X，Y轴向振动加速度传感器、堵盖、振动加速度传感器、环形压电陶瓷传感器、低通前置差分放大器、电子罗盘、浮力芯子、悬挂耳及密封壳体；X，Y轴向振动加速度传感器采用集成压电加速度计并反向安装，有效提升接收灵敏度；压电陶瓷传感器设计两组两个半圆环形状的压电陶瓷环，并分别串联在一起串联，提高了输入电压，提高了灵敏度；低通前置放大器将压电陶瓷传感器产生的电压信号通过FET阻抗变换器使得阻抗匹配，经放大100倍后进行4阶滤波，再经差分电路进行处理后输出，保证了有效低频频段信号的输出；本装置结构简单、工艺可靠、灵敏度高、低频性能好以及产品性价比高，可广泛用于水下声纳系统。

Description

二维同振型矢量水听器

技术领域

本实用新型属于水下低频噪声测试技术领域，具体涉及二维同振型矢量水听器。

背景技术

在水声领域，通常将传感器称为换能器，接收换能器主要包括标量传感器和矢量传感器，也叫标量水听器和矢量水听器。

在声场测量中，传统的方法是采用标量水听器(声压水听器)，只能测量声场中的标量参数，典型的标量水听器如B&K公司的810X系列，常作为水听器标准使用。

声学理论研究表明，具有中性浮力的声学刚硬球体在水中声波作用下做自由运动时，其运动速度与球体未放入声场时相同位置处的水质点的振动速度相等。因此如果在刚性球体内放置一个速度敏感元件，并且在设计上使其中心和球体的几何中心重合，则这种器件就可用来测量在一定频带范围内平行与速度敏感元件轴向的质点振速。

在连续介质中，任意一点附近的运动状态可用压强，密度及介质运动速度表述。声场中不同地点，这些物理量有不同的值，具有空变性。而且，对同一空间坐标点这些量又是随时间改变的，又具有时变性。因此，描述声场的声学量声压、质点振速和压缩量都是时间和空间的函数。在理想流体中，没有切应力，所以，声压为标量，质点振速为矢量。声场所含丰富信息既包含在标量参数中也包含在矢量参数中。在声场测量过程中，仅测量声压参数是不够的。同时测量标量信息和矢量信息，即声压和质点振速，才能获得完整的声场信息，这样，才能有助于信号处理系统获得更有价值的信息，并作出正确的判断。例如：采用新型组合传感器(声压和振速联合)的联合信息处理系统较传统的单纯声压信息处理系统具有良好的抗干扰能力和线谱检测能力；采用单个小尺度的组合传感器通过联合信号处理，就可以进行目标方位的声压、振速联合估计。此外，从能量检测的角度讲，矢量水听器的采用使系统的抗各向同性噪声的能力获得提高，并可实现远场多目标的识别等。

随着技术的不断发展，技术需求越来越多，为满足岸站建设的需要，服务海岸预警声纳系统，实现远程检测、识别，低频检测能力日益显得重要。另外，由于核动力潜艇的出现，潜艇隐身等新技术的普遍采用，反潜问题受到各国空前的重视。一种有效的方法是转向测试螺旋桨低频噪声，安静型潜艇和舰船的本征噪声都在低频段。矢量水听器不仅能够获取声场的标量信息，还能获取矢量信息。它的低频段和高灵敏度特性可用探测远距离、低噪声信号。这就需要研制低频段及高灵敏度的矢量水听器。

因此，矢量水听器的研究设计和包括矢量信息在内的多信息检测是声纳系统的一个发展趋势，正越来越被各个海洋大国所重视。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供二维同振型矢量水听器。实时在线监测水中的振动和声压变化信息，并将水下的声压信号转换成电信号，为声纳系统提供低频、高灵敏度的水声传感器。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

二维同振型矢量水听器包括两个X轴向振动加速度传感器、两个Y轴向振动加速度传感器、堵盖、环形压电陶瓷传感器、低通前置差分放大器、电子罗盘、浮力芯子、悬挂耳及密封壳体，所述环形压电陶瓷传感器安装在浮力芯子上、下固定环处；四个所述振动加速度传感器分别反向固定在两个安装座上装入浮力芯子的圆柱孔内，再用堵盖封好；所述电子罗盘和低通前置差分放大器分别安装在浮力芯子上、下部分，整体用环氧树脂胶封装而成。

为了提高二维同振型矢量水听器的接收灵敏度，环形压电陶瓷传感器采用薄壁结构并且由2个半圆环的环形压电陶瓷传感器串联使用。该电信号经低通前置差分放大器放大后传送给接收机进行处理；将两个压电加速度传感器反向安装，并分别放大后形成差分输出信号送给接收机进行处理。

浮力芯子由玻璃微珠加工制造。通过设计计算使ρc≈ρ₀，确保水听器的振动速度幅值与声场中水听器中心处水质点的振动速度幅值基本相同。

有益效果：经试验测试，该二维同振型矢量水听器达到如下技术指标：

(a)灵敏度：

1000Hz处：加速度通道振速灵敏度(Mv)≥-183dB；

声压灵敏度(Mp)≥-183dB(re：1v/1μPa)；

(b)指向性：

指向性：具有cosφ特征

振速通道：矢量通道内凹点深度：＞20dB；

通道内最大值不对称性≤2dB；

声压通道：水平方向指向起伏＜1.5dB；

本实用新型的特点：

1、采用环形压电陶瓷传感器

压电陶瓷是一种各向异性的多晶体材料，通过正向和反向压电效应实现电能和声能之间的相互转换。它具有晶体的通性，即解理性、自限性、晶面角守恒、均匀性和对称性等，还具有介电性、弹性和压电性。

压电陶瓷只有经过极化处理后才具有正向和反向压电效应。

环形压电陶瓷传感器是一种结构简单的换能器，作为声波接收器时，接收来自于水介质中声信号激励迫使压电管产生受迫振动而变形，感应出电荷，并以电压信号的形式传送给接收机进行处理，实现声信号到电信号的转换。

为提高环形压电陶瓷传感器的灵敏度，采用薄壁结构并且由2个半圆环的环形压电陶瓷传感器串联使用。

2、采用高灵敏度加速度传感器

矢量水听器作为探测声波信号的接收传感器，设计具有较高的灵敏度可以探测更远的信号。为了有效提升接收灵敏度，采用了将两个压电轴向加速度传感器反向安装，并分别放大后形成差分输出信号，在同等接收条件下可以有效提高输出信号电压值一倍，灵敏度提高6dB。此外，研制了加速度灵敏度达到9V/g的压电加速度计，进一步确保了该矢量水听器的高灵敏度。

3、采用低通前置差分放大器

为满足矢量水听器高灵敏度性能的需要，最佳的方法是将前置放大器内置在传感器内部，将中间引入的干扰降低到最少。由于矢量水听器的关键部件压电陶瓷传感器的输出信号阻抗很高，普通前置放大器不能满足使用要求，为此我们研制高输入阻抗的前置放大器。通过FET 阻抗变换器使得阻抗匹配，并且输入级采用极低噪声LNA放大芯片，可获得100倍的增益；采用四阶低通滤波技术，保证了有效低频频段信号的输出；采用差分输出方式，可以有效抑制信号线路上的共模干扰，提高了输出信号的传输距离及抗干扰能力。

4、矢量水听器同振型结构设计

根据相关声学理论研究表明，具有中性浮力的声学刚硬球体在水中声波作用下做自由运动时，其运动速度与球体未放入声场时相同位置处的水质点的振动速度相等。因此如果在刚性球体内放置一个速度敏感元件，并且在设计上使其中心和球体的几何中心重合，则这种器件就可用来测量在一定频带范围内平行与速度敏感元件轴向的质点振速。

为满足上述同振型矢量水听器的工作条件，关键是需要对矢量水听器的平均密度进行设计，当接近或等于水介质密度时，其振动速度幅值与声场中水听器中心处水质点的振动速度幅值基本相同，从而实现获得声场中该处水质点的振动速度。

附图说明

图1本实用新型二维同振型矢量水听器结构示意图；

图2本实用新型二维同振型矢量水听器能量转换示意图；

图3本实用新型二维同振型矢量水听器低通前置差分放大器电路示意图；

图中：1-电子罗盘、2-悬挂耳(共二个)、3-振动加速度传感器安装座(共二个)、4-低通前置差分放大器、5-轴向振动加速度传感器(共四个)、6-堵盖(共四个)、7-浮力芯子、8- 环形压电陶瓷传感器(共二组)、9-密封壳体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明

本实用新型二维同振型矢量水听器的结构示意图，如图1所示，包括4个轴向振动加速度传感器5、振动加速度传感器安装座3、堵盖6、两组半圆环的形压电陶瓷传感器8、低通前置差分放大器4、电子罗盘1、浮力芯子7、悬挂耳2及密封壳体9；轴向振动加速度传感器5包括2个X轴向振动加速度传感器、2个Y轴向振动加速度传感器。

X，Y轴向振动加速度传感器，采用了集成压电加速度计，内置有20dB放大电路，用于接收矢量水听器的振动信号。为了有效提升接收灵敏度，采用了将两个压电加速度计反向安装，并分别放大后形成差分输出信号，可提高灵敏度6dB。为进一步提高该矢量水听器的灵敏度，我们研制了加速度灵敏度达到9V/g的压电加速度计。

压电陶瓷传感器用于接收来自于水介质中声信号激励迫使压电管产生受迫振动而变形，感应出电荷，并以电压信号的形式，实现声信号到电信号的转换，如图2所示，由于该信号很弱，因此，设计了两组两个半圆环形状的压电陶瓷环，分别将它们串联在一起，以提高输入电压。在实际应用中需将该信号进行放大、滤波后，再传送给接收机进行处理。

低通前置差分放大器，如图3所示，由FET阻抗变换器、信号放大器，低通滤波器和差分输出电路组成。FET阻抗变换器提高了输入阻抗，使得信号放大器端的阻抗匹配，信号放大器将2路压电陶瓷传感器产生的电压信号放大100倍后输出给低通滤波器，低通滤波器对输入信号进行4阶滤波，然后经差分电路进行差分处理后输出。

电子罗盘采集矢量水听器在水中的姿态信息，用于后续数据处理。

浮力芯子由玻璃微珠加工制造。用于安装固定加速度传感器，压电陶瓷传感器，前置差分放大器、电子罗盘等器材。为了达到矢量水听器与该处水质点的振幅和相位相同，利用公式Vx＝2ρ₀/(ρ_c+ρ₀)*V₀，其中，Vx为矢量水听器的振荡速度，V₀为水质点的振动速度，ρ_c为矢量水听器平均密度，ρ₀为水介质的密度。

当ρ_c＝ρ₀时，V_x＝V₀此公式是浮力芯子外形尺寸设计的理论基础。

密封壳体材料采用了环氧树脂，利用特制的模具经过整体封装而成。密封壳体既保证了二维同振型矢量中的各零件在水中能与水隔离，正常工作；同时又能将水中的声压信号和振动信号无衰减地分别传送到环形压电陶瓷传感器和轴向振动加速度传感器上。

Claims (4)

1.二维同振型矢量水听器，其特征在于，包括两个X轴向振动加速度传感器、两个Y轴向振动加速度传感器、堵盖、环形压电陶瓷传感器、低通前置差分放大器、电子罗盘、浮力芯子、悬挂耳及密封壳体，所述环形压电陶瓷传感器安装在浮力芯子上、下固定环处；四个所述振动加速度传感器分别反向固定在两个安装座上装入浮力芯子的圆柱孔内，再用堵盖封好；所述电子罗盘和低通前置差分放大器分别安装在浮力芯子上、下部分，整体用环氧树脂胶封装而成。

2.根据权利要求1所述的二维同振型矢量水听器，其特征在于，所述环形压电陶瓷传感器为半圆环形状，环形压电陶瓷传感器采用薄壁结构，并且两个环形压电陶瓷传感器串联连接。

3.根据权利要求1所述的二维同振型矢量水听器，其特征在于，所述低通前置差分放大器由FET阻抗变换器、信号放大器，低通滤波器和差分输出电路组成，输入级采用极低噪声LNA放大芯片。

4.根据权利要求1所述的二维同振型矢量水听器，其特征在于，所述浮力芯子采用整体结构设计。