CN216246793U - 一种可安装于结构表面的声振复合传感器 - Google Patents

一种可安装于结构表面的声振复合传感器 Download PDF

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CN216246793U CN202123002545.0U CN202123002545U CN216246793U CN 216246793 U CN216246793 U CN 216246793U CN 202123002545 U CN202123002545 U CN 202123002545U CN 216246793 U CN216246793 U CN 216246793U
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张超
周志豪
商德江
高宇航
肖妍
樊宏伟
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Abstract

一种可安装于结构表面的声振复合传感器，它涉及声呐探测技术领域。它解决了现有技术的缺陷。本实用新型由加速度计和压电元件通过去耦元件复合而成。本实用新型的优点：压电元件采用径向极化方式，设计大大降低了结构振动直接对压电元件的影响，因此，本装置可直接固结安装于水下结构表面，测取表面声压和振动加速度；振动和声压信号感知模块具有体积小、重量轻、结构简单、安装简易的特点，可有效降低元件本身对结构振动和声场的影响，测取振动加速度和声压信号，测量结果更符合实际。

Description

一种可安装于结构表面的声振复合传感器
技术领域
本实用新型涉及声呐探测领域，具体涉及一种可安装于结构表面的声振复合传感器。
背景技术
目前，水下结构表面的声学监测对于水下结构噪声辐射水平实时评估以及水下声场主动控制具有重要意义，获取结构表面声能流需要同时测得结构表面振速和声压，目前还未发现直接可安装于结构表面测取结构表面法向声能流的测量系统。结构表面振速的测量可直接采用加速度计测得加速度计，然后经过时域积分或者频域除以jω获得。结构声压传感器极易受到结构振动的直接影响，表面声压的测量则比较困难。舷侧阵声呐是安装于船体舷侧测量声压的系统，提供了一种结构表面声压测量方法，在声阵和船壳之间填充阻尼材料，并采用钢丝绳隔振器进行隔振，但是低频隔振效果不理想(宋英兰等，舷侧阵隔振降噪方法初步研究，声学于电子工程，1999，54(2)：17-20)。PVDF水听器提供了一种表面声压测试方法(张玲丽，PVDF水听器的研究，哈尔滨工程大学硕士学位论文，2015)，同时PVDF水听器也可用于加速度测试(肖孙圣等，PVDF水听器加速度响应特性的有限元分析，声学学报，1997，22(4)：338-344)，但是同时测量声压和振动时必然是相互影响的。矢量水听器是一种新型水声换能器，可以提供水下声场质点矢量振速信息和声压信息，提供了一种水下声能流测试方案，但是矢量水听器都是悬吊在水介质中进行声场测量，尤其同振型矢量水听器多采用金属弹簧或橡胶绳进行悬挂，不适合安装于结构表面，已经提出的可刚性固定的同振型矢量水听器(刘爽，新型矢量水听器研究，哈尔滨工程大学博士学位论文，2016)，解决了敏感元件需要弹性悬挂的问题，但是仍然极易受到结构振动本身的影响。MEMS矢量水听器是一种利用微机电系统的新型水听器，有学者提出可刚性固定的MEMS矢量水听器设计(王续博等，可刚性固定MEMS矢量水听器的设计，微纳电子技术，2016，53(5)：310-315)，是以降低加速度灵敏度为前提的，因此不适合结构表面的声能流测量。
实用新型内容
本实用新型为了解决结构表面声能流获取时声压和振动同时测量时，加速度计可直接安装于结构测量振动，但现有水听器直接安装于结构表面则极易受到结构振动的直接影响，导致声压测不准，舷侧阵声呐是安装于船体舷侧测量声压的系统，但低频隔振效果不理想的问题，提供了一种可安装于结构表面的声振复合传感器，解决该问题的具体技术方案如下：
本实用新型的一种可安装于结构表面的声振复合传感器，由罩体、压电元件、去耦元件、加速度计、声压信号输出接口、加速度计信号输出接口、信号引线和底座组成，压电元件设置在去耦元件上方，去耦元件下方设置加速度计，压电元件的正负极经信号引线与声压信号输出接口连接，加速度计的下方设有底座，加速度计信号输出接口设在底座的右侧，罩体设在底座的上方。
本实用新型的一种可安装于结构表面的声振复合传感器的优点在于：一、核心是采用振动和声压信号感知模块，由压电元件与加速度计间采用去耦元件进行去耦复合而成，压电元件采用径向极化方式，这种设计大大降低了结构振动直接对压电元件的影响，二、振动和声压信号感知模块具有体积小、重量轻、结构简单、安装简易的特点，可有效降低元件本身对结构振动和声场的影响；三、测取振动加速度和声压信号，测量结果更符合实际。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1描述本实施方式。本实施方式由罩体1、压电元件2、去耦元件3、加速度计4、声压信号输出接口5、加速度计信号输出接口6、信号引线7和底座8组成，压电元件2设置在去耦元件3上方，去耦元件3下方设置加速度计4，压电元件2的正负极经信号引线7与声压信号输出接口5连接，加速度计4的下方设有底座8，底座8为加速度计4本体，加速度计信号输出接口6设在底座8的右侧，罩体1设在底座8的上方。
具体实施方式二：结合图1描述本实施方式。本实施方式所述的加速度计4和压电元件2通过去耦元件3复合而成。有效隔离了结构振动直接对压电元件的影响，整个感知模块可直接固定安装于结构表面测取振动加速度和声压信号。加速度计重量越轻、体积越小的加速度计，越有利于降低加速度计自身对结构振动和声场的改变；去耦元件杨氏模量越小越利于降低加速度计振动对压电元件的影响，但是却不利于水下承压，在较深的水下使用时，由于去耦材料被压实而降低去耦效果，因此，根据实际应用水深合理选择去耦元件的杨氏模量。
具体实施方式三：结合图1描述本实施方式。本实施方式所述的罩体1采用透声橡胶与底座8硫化封装，透声橡胶的声阻抗与水的声阻抗一致，以利于透声。
具体实施方式四：结合图1描述本实施方式。本实施方式所述的压电元件2选用径向极化的陶瓷圆环。
具体实施方式五：结合图1描述本实施方式。本实施方式所述的去耦元件3选用杨氏模量5×106N/m2～5×107N/m2的橡胶材料。
具体实施方式六：结合图1描述本实施方式。本实施方式所述的压电元件的正负极分别设在陶瓷圆环的内外表面，通过信号引线7连接到声压信号的输出接口。
具体实施方式七：结合图1描述本实施方式。本实施方式所述的声振
复合传感器的加速度计4选用一种通用加速度计，直径10mm，高度20mm，重量11g；去耦元件3采用杨氏模量2×107N/m2，泊松比0.497，密度1070kg/m3，厚度3mm的橡胶；压电元件2选用PZT-4压电陶瓷圆环，外直径10mm，厚度2mm，高度3mm；罩体1采用的透声橡胶杨氏模量6.661×107N/m2，泊松比0.495，密度1000kg/m3，厚度1mm。
以上实施例仅是示例性的，并不局限本实用新型，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本实用新型所提供的技术方案的启示下，所做出的其它等同的多种变化、修改、替换和变型，均应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种可安装于结构表面的声振复合传感器，它由罩体、压电元件、去耦元件、加速度计、声压信号输出接口、加速度计信号输出接口、信号引线和底座组成，其特征在于：压电元件设置在去耦元件上方，去耦元件下方设置加速度计，压电元件的正负极经信号引线与声压信号输出接口连接，加速度计的下方设有底座，加速度计信号输出接口设在底座的右侧，罩体设在底座的上方。
2.根据权利要求1所述的一种可安装于结构表面的声振复合传感器，其特征在于：所述的加速度计和压电元件通过去耦元件复合而成。
3.根据权利要求1所述的一种可安装于结构表面的声振复合传感器，其特征在于：所述的压电元件选用径向极化的陶瓷圆环。
4.根据权利要求1所述的一种可安装于结构表面的声振复合传感器，其特征在于：所述的罩体采用透声橡胶与底座硫化封装。
5.根据权利要求1所述的一种可安装于结构表面的声振复合传感器，其特征在于：所述的去耦元件选用杨氏模量5×106N/m2～5×107N/m2的橡胶材料。
6.根据权利要求4所述的一种可安装于结构表面的声振复合传感器，其特征在于：所述的罩体采用的透声橡胶的声阻抗与水的声阻抗一致。
7.根据权利要求1所述的一种可安装于结构表面的声振复合传感器，其特征在于：所述的压电元件的正负极设在陶瓷圆环的内外表面，通过信号引线连接到声压信号的输出接口。
8.根据权利要求1所述的一种可安装于结构表面的声振复合传感器，其特征在于：所述的底座为加速度计本体。
9.根据权利要求1所述的一种可安装于结构表面的声振复合传感器，其特征在于：所述的声振复合传感器的加速度计选用一种通用加速度计，直径10mm，高度20mm，重量11g；去耦元件采用杨氏模量2×107N/m2，泊松比0.497，密度1070kg/m3，厚度3mm的橡胶；压电元件选用PZT-4压电陶瓷圆环，外直径10mm，厚度2mm，高度3mm；罩体采用的透声橡胶杨氏模量6.661×107N/m2，泊松比0.495，密度1000kg/m3，厚度1mm。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024113493A1 (zh) * 2022-11-29 2024-06-06 深海技术科学太湖实验室 一种低噪声矢量水听器

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