CN213021930U

CN213021930U - 一种小型化mems电容式复合同振型矢量水听器

Info

Publication number: CN213021930U
Application number: CN202021416517.6U
Authority: CN
Inventors: 张松; 王大宇; 董自强; 张晓桐; 苗峻
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2030-07-17

Abstract

本实用新型公开了一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，属于水声信号探测技术领域，其包含MEMS电容式加速度计、固定芯子、垂直悬挂杆、压电陶瓷环、透声密封壳体、圆锥螺旋弹簧；MEMS电容式加速度传感器正交安装在固定芯子中；垂直悬挂杆贯穿整个固定芯子；压电陶瓷环套在固定芯子外部；所述透声密封壳体通过灌封工艺覆盖在压电陶瓷环的外部。圆锥螺旋弹簧与垂直悬挂杆连接，将水听器悬挂在固定支架上使用。本实用新型缩小水听器体积同时，能够检测水下相同位置的声压信号和振速信号，提高信号检测的准确性，结构简单，一致性好，可靠性高。

Description

一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器

技术领域

本实用新型涉及到水声信号探测技术领域，特别涉及一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器。

背景技术

传统的标量水听器，也称为声压水听器，一般采用压电陶瓷等材料制备，具有多种形状和尺寸，多用作标准水听器使用，但只能测量声场中的标量参数。

传统的同振式矢量水听器内部核心感知元件为振动传感器。国内外的水听器加工中使用较多的振动传感器多为基于压电原理的加速度或速度传感器。这种传统型压电矢量水听器体积大，重量重，后端需要复杂的处理电路，并且受传统加工工艺限制，一致性较差，不易于实现多平台搭载，已不能满足目前水声探测小型化多平台化的发展需求。

随着微机电技术的发展，将基于MEMS技术的半导体器件与传统水声领域相结合的MEMS水听器，具有噪声低，灵敏度高，一致性好等优点，并且能够与后端ASIC电路高度集成，大大缩小了水听器的体积和重量，减少了对原辐射声场的影响，使检测结果更加准确。目前的MEMS同振型矢量水听器有压阻式、压电式和电容式三种。压阻式和压电式水听器一般灵敏度较低，热噪声较大，容易受到温度影响。而MEMS电容式水听器具有检测精度高、灵敏度高和稳定性高的优点，配合闭环反馈电路还能够有效的拓宽频带宽度。

在公开号为CN1776390A的专利中公开了“电容式同振矢量水听器及其工艺”，该矢量水听器采用硅微加速度传感器作为敏感元件，但不具备标量声压探测能力；在公开号为CN208795359U的专利中公开了“二维同振型矢量水听器”，虽然这种结构在能够实现声压和振速复合信息探测，但是又存在如下问题：1)振速感知元件和声压感知元件垂直布放，导致尺寸较大。2)振速感知元件和声压感知元件不同心，无法准确获取声场信息。3)悬挂结构较为复杂，需要八根弹簧支撑。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器。该水听器能够检测水下相同位置的声压信号和振速信号，不仅提高了信号检测的准确性，而且结构简单，一致性好，可靠性高，能够满足水下低频率检测的需求。

为了实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案为：

一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，包括水听器主体和悬架，其水听器主体包括压电陶瓷环和压电陶瓷环外表面覆盖灌装的透声密封壳体；压电陶瓷环通过线缆与外部连接；所述水听器主体还包括固定芯子和至少两个MEMS电容式加速度计；所述压电陶瓷环的顶部和底部均覆盖有泡沫盖板，所述固定芯子位于压电陶瓷环内部，所述MEMS电容式加速度计均竖直设于固定芯子的侧壁上，且相邻的MEMS电容式加速度计相互垂直并且两者中心位于同一高度；MEMS电容式加速度计通过穿透泡沫盖板和透声密封壳体的线缆与外部连接。

进一步的，所述水听器主体还包括垂直悬挂杆，垂直悬挂杆穿过透声密封壳体、泡沫盖板和固定芯子，且垂直悬挂杆的两端均露出于透声密封壳体外；所述垂直悬挂杆的端部均设有通孔，且两端的通孔成正交关系。

进一步的，所述固定芯子为圆柱体，垂直悬挂杆穿过圆柱体的中心线；MEMS电容式加速度计嵌在圆柱体的侧壁上。

进一步的，所述压电陶瓷环的中心线和固定芯子的中心线重合。

进一步的，所述MEMS电容式加速度计为四个，间隔设置的MEMS电容式加速度计呈镜像对称。

进一步的，所述悬架包括两个圆锥螺旋弹簧；两个圆锥螺旋弹簧的锥头分别与垂直悬挂杆的上、下通孔连接。

进一步的，所述透声密封壳体的材料为聚氨酯或丁基橡胶。

进一步的，所述水听器主体处于悬架的几何中心位置。

进一步的，包括悬架在内的主体的重心与其几何中心重合。

进一步的，所述垂直悬挂杆和圆锥螺旋弹簧的材料为不锈钢、钛合金或尼龙材料。

本实用新型采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本实用新型通过将MEMS电容式加速度计置于压电陶瓷环内部的方式，不仅减小水听器的大小和体积，而且还能够同时测量水下同一位置的标量信号和矢量信号，保证声场信息的获取完整性和准确性。

2、本实用新型通过MEMS电容式加速度计作为振速拾取单元，能够在源端对信号进行放大，避免了微弱信号经过长距离传输而导致衰减。

3、本实用新型通过上下垂直悬挂的锥形螺旋弹簧装置，有效地缩小了水听器悬挂尺寸，并且结构简单，还能够避免水平悬挂装置对水平声场的干扰。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构爆炸图；

图2为本实用新型实施例的主体剖面图；

图3为本实用新型实施例的圆锥螺旋弹簧悬挂水听器示意图；

图中：11、固定芯子，12、13、MEMS电容式加速度计，14、水平螺栓，15、垂直悬挂杆，16、压电陶瓷环，17、上泡沫盖板，18、下泡沫盖板，19、竖直螺栓，32、通孔，33、上圆锥螺旋弹簧，34、下圆锥螺旋弹簧。

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做进一步的说明。

标量信号检测的理论基础是：在压电陶瓷环作用于声场中时，能接收来自于水介质中声信号激励，迫使压电材料产生受迫振动而变形，感应出电荷，从而将振动信号转化为电信号输出，实现声信号标量检测。

矢量信号检测的理论基础依据是：如果声学刚硬主体的几何尺寸圆圆小于波长，则其在水中声波作用下做自由振动时，刚硬柱体的振动速度幅值V与声场中柱体几何重心处水质点的振动速度幅值V₀之间存在以下关系：

其中：ρ₀—水介质密度，

—刚硬柱体的平均密度。

根据上述公式，当刚性柱体的平均密度

等于水介质密度ρ₀时，其振动速度幅值V与声学刚硬柱体的振动速度幅值V₀相同，通过刚硬柱体内部的MEMS电容式加速度传感器拾取该振动速度，并将振动信号转化为电信号输出，即可获得声场中水听器几何重心位置水质点的振动速度。

综上，结合标量信号和矢量信号的检测原理可知，只有当声压信号和振速信号获取于水介质的同一位置时，记录声场信息才是准确的，因此要求压电陶瓷环和振动传感器越接近越好。

一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，包括主体和悬架，其主体包括压电陶瓷环和压电陶瓷环外表面覆盖灌装的透声密封壳体；压电陶瓷环通过线缆与外部连接；所述主体还包括固定芯子、泡沫盖板和至少两个MEMS电容式加速度计；所述压电陶瓷环的顶部和底部均覆盖有泡沫盖板，所述固定芯子位于压电陶瓷环内部，所述MEMS电容式加速度计均竖直设于固定芯子的侧壁上，且相邻的MEMS电容式加速度计相互垂直并位于同一高度；MEMS电容式加速度计通过穿透泡沫盖板和透声密封壳体的线缆与外部连接。

进一步的，所述主体还包括垂直悬挂杆，垂直悬挂杆穿过透声密封壳体、泡沫盖板和固定芯子，且垂直悬挂杆的两端均露出于透声密封壳体外；所述垂直悬挂杆的端部均设有通孔32，且两端的通孔成正交关系。

进一步的，所述固定芯子为圆柱体，所述垂直悬挂杆穿过圆柱体的中心线；所述MEMS电容式加速度计嵌在圆柱体的侧壁。

进一步的，所述悬架包括两个的圆锥螺旋弹簧；两个圆锥螺旋弹簧的锥头分别与垂直悬挂杆的上、下通孔连接。

进一步的，所述透声密封壳体的材料为聚氨酯或丁基橡胶。

进一步的，主体处于悬架的几何中心位置。

进一步的，包括悬架在内的主体的重心与其几何中心重合。

下面为一更具体的实施例：

如图1所示，本实施例包括固定芯子11、MEMS电容式加速度计12、MEMS电容式加速度计13、垂直悬挂杆15，压电陶瓷环16，上泡沫盖板17，下泡沫盖板18。

两个MEMS加速度计通过水平螺丝14正交固定于固定芯子11上，并保持与水平面垂直；所述垂直悬挂杆15垂直穿过固定芯子11的中心孔并通过螺丝固定；所述压电陶瓷环套在组装好的固定芯子11外部，两者保持同轴；所述上泡沫盖板17和下泡沫盖板18和分别安装在压电陶瓷环的上、下开口处，并通过竖直螺丝19固定。

完成组装后的结构体外部需要灌封形成密封壳体，灌封完成后的水听器主体剖面图如图2所示，包括按照图1完成组装的结构体，透声密封壳体和垂直悬挂杆15。透声密封壳体材料采用透声聚氨酯，通过特制的模具经过整体灌封加热固化而成。透声密封壳体一方面保证复合同振型矢量传感器的各零件能够密封绝缘并与水隔绝，正常工作；另一方面又能够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环和MEMS电容式加速度计。

灌封完成后水听器主体的整体密度接近于1g/cm³，能够在水中保持零浮力状态。

灌封完成后的水听器主体通过螺旋弹簧悬挂在固定支架上，如图3所示，包括图2中封装完成后的水听器主体，垂直悬挂杆，上圆锥形螺旋弹簧33，下圆锥螺旋弹簧34。上、下锥形螺旋弹簧通过底部挂钩与水听器的垂直悬挂结构上、下通孔32连接，拉紧后悬挂到固定支架上使用。

垂直悬挂杆的上、下通孔正交排布，与圆锥螺旋弹簧挂钩连接后，能够防止水听器使用过程中发生自转。

上、下圆锥螺旋弹簧的弹性系数k，使得水听器在水中悬挂状态下处于固定支架的重心、几何中心位置，并且能够在水中随着声波在水平面内自由振动。

矢量水听器性能评价：

步骤1)指向性测试。

根据国家矢量水听器校准规范，进行矢量水听器的指向性测试。测试在驻波管中进行，测试频率范围为20Hz～2kHz，指向性呈“8”字，凹点深度≥30dB，表明指向性良好。

步骤2)灵敏度测试。

根据国家矢量水听器校准规范，进行矢量水听器的灵敏度测试。测试在驻波管中进行，测试频率范围为20Hz～2kHz，灵敏度曲线按照每倍频程+6dB线性增长，1kHz处灵敏度≥-163dB。

虽然上面结合本实用新型的优选实施例对本实用新型的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本实用新型的示意性实现方式的解释，并非对本实用新型包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本实用新型范围的限制，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本实用新型保护范围之内。

Claims

1.一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，包括水听器主体和悬架，其水听器主体包括压电陶瓷环（16）和压电陶瓷环外表面覆盖灌装的透声密封壳体；压电陶瓷环通过线缆与外部连接；其特征在于，所述水听器主体还包括固定芯子（11）和至少两个MEMS电容式加速度计（12）；所述压电陶瓷环的顶部和底部均覆盖有泡沫盖板，所述固定芯子位于压电陶瓷环内部，所述MEMS电容式加速度计均竖直设于固定芯子的侧壁上，且相邻的MEMS电容式加速度计相互垂直并且两者中心位于同一高度；MEMS电容式加速度计通过穿透泡沫盖板和透声密封壳体的线缆与外部连接。

2.根据权利要求1所述的一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，其特征在于，所述水听器主体还包括垂直悬挂杆（15），垂直悬挂杆穿过透声密封壳体、泡沫盖板和固定芯子，且垂直悬挂杆的两端均露出于透声密封壳体外；所述垂直悬挂杆的端部均设有通孔，且两端的通孔（32）成正交关系。

3.根据权利要求1所述的一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，其特征在于，所述固定芯子为圆柱体，垂直悬挂杆穿过圆柱体的中心线；MEMS电容式加速度计嵌在圆柱体的侧壁上。

4.根据权利要求3所述的一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，其特征在于，所述压电陶瓷环的中心线和固定芯子的中心线重合。

5.根据权利要求1所述的一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，其特征在于，所述MEMS电容式加速度计为四个，间隔设置的MEMS电容式加速度计呈镜像对称。

6.根据权利要求2所述的一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，其特征在于，所述悬架包括两个圆锥螺旋弹簧；两个圆锥螺旋弹簧的锥头分别与垂直悬挂杆的上、下通孔连接。

7.根据权利要求1所述的一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，其特征在于，所述透声密封壳体的材料为聚氨酯或丁基橡胶。

8.根据权利要求6所述的一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，其特征在于，所述水听器主体处于悬架的几何中心位置。

9.根据权利要求6所述的一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，其特征在于，包括悬架在内的主体的重心与其几何中心重合。

10.根据权利要求6所述的一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，其特征在于，所述垂直悬挂杆和圆锥螺旋弹簧的材料为不锈钢、钛合金或尼龙材料。