CN220136493U - 探头结构及水下声信号探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种探头结构及水下声信号探测装置，该探头结构包括光纤、透镜、薄膜和安装件，安装件包括套管，以及与套管相连通的收集管，透镜和薄膜依次安装于套管内，光纤传输的激光能够透过透镜聚焦在薄膜上，使得薄膜能够将激光进行反射，收集管呈锥形，并用于收集声信号，以使薄膜振动能够将激光反射为携带有声音信息的回光信号，通过设置收集管，使得探头结构能够收集声信号的能量，并且收集管呈锥形，能够增加薄膜处的声压，增大薄膜的振动幅度，增强对水下微弱声信号的检测能力，进而，增加水下声信号的探测距离。

Description

探头结构及水下声信号探测装置

技术领域

本实用新型涉及声信号探测技术领域，尤其涉及一种探头结构及水下声信号探测装置。

背景技术

水下声信号探测具有非常重要的研究价值，无论是在海洋资源勘测、水下声通信、水下传输管道检测，或是海洋军事领域都发挥着巨大的作用。由于光波和电磁波在水下传播衰减过快，而声波在海水中传播衰减比光波和电磁波小的多，所以声波通常被用于水下载波信号。目前，声信号探测装置大部分使用膜片式光纤水听器，声音导致薄膜振动，激光聚焦在振动的薄膜后会产生反射回光，通过激光干涉模块对回光信号进行处理，即可得到作用在薄膜上的声音信息。但是，现有的膜片式光纤水听器探头的设计结构探测水下声信号信息较差，从而导致对水下声信号的探测距离过近。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种探头结构及水下声信号探测装置，旨在解决现有的膜片式光纤水听器探头的设计结构探测水下声信号信息较差，从而导致水下声信号的探测距离过近的技术问题。

第一方面，本实用新型提供了一种探头结构，所述探头结构包括光纤、透镜、薄膜和安装件，所述安装件包括套管，以及与所述套管相连通的收集管，所述透镜和所述薄膜依次安装于所述套管内，所述光纤传输的激光能够透过所述透镜聚焦在所述薄膜上，所述收集管呈锥形，并用于收集声信号，以使所述薄膜振动能够将所述激光反射为携带有声音信息的回光信号。

在其中一种实施例中，所述收集管包括收集端和作用端，所述收集端背离所述套管，所述收集管的管口自所述作用端至所述收集端逐渐增大。

在其中一种实施例中，所述薄膜处于所述作用端，并与所述套管的内壁连接。

在其中一种实施例中，所述薄膜处于所述作用端，部分所述薄膜与所述套管的内壁连接。

在其中一种实施例中，所述探头结构还包括粘接件，所述套管包括底壁，以及与所述底壁连接的侧壁，至少部分所述透镜露设所述底壁，并通过所述粘接件与所述侧壁连接。

在其中一种实施例中，所述探头结构还包括增透膜，所述增透膜安装于所述透镜。

在其中一种实施例中，所述探头结构还包括镜面贴纸，所述镜面贴纸安装于所述薄膜。

在其中一种实施例中，所述探头结构还包括夹持件，所述套管包括底壁，以及与所述底壁连接的侧壁，所述光纤通过所述夹持件固定于所述底壁。

在其中一种实施例中，所述探头结构还包括耐压玻璃，所述耐压玻璃的外周与所述侧壁连接。

第二方面，本实用新型还提供了一种水下声信号探测装置，所述水下声信号探测装置包括激光干涉模块和探头结构，所述激光干涉模块用于对所述回光信号进行处理。

实施本实用新型实施例，将具有如下有益效果：

采用本实用新型的探头结构及水下声信号探测装置，该探头结构的安装件包括套管，以及与套管相连通的收集管，透镜和薄膜依次安装于套管内，光纤传输的激光能够透过透镜聚焦在薄膜上，使得薄膜能够将激光进行反射，收集管呈锥形，并用于收集声信号，以使薄膜振动能够将激光反射为携带有声音信息的回光信号，通过设置收集管，使得探头结构能够收集声信号的能量，并且收集管呈锥形，能够增加薄膜处的声压，增大薄膜的振动幅度，增强对水下微弱声信号的检测能力，进而，增加水下声信号的探测距离。

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。

其中：

图1为一个实施例的探头结构示意图。

图2为另一个实施例的探头结构示意图。

附图标记：

1、光纤；2、透镜；3、薄膜；

4、安装件；41、套管；411、底壁；412、侧壁；42、收集管；421、收集端；422、作用端；

5、粘接件；6、增透膜；7、镜面贴纸；8、空间；9、夹持件；10、耐压玻璃。

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作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的特征可以相互结合。

请一并结合图1至图2，现对本实用新型提供的探头结构进行说明，探头结构用于水下声信号探测装置。探头结构包括光纤1、透镜2、薄膜3和安装件4，安装件4包括套管41，以及与套管41相连通的收集管42，透镜2和薄膜3依次安装于套管41内，光纤1传输的激光能够透过透镜2聚焦在薄膜3上，收集管42呈锥形，并用于收集声信号，以使薄膜3振动能够将激光反射为携带有声音信息的回光信号。具体的，安装件4可以为不锈钢等高强度、高刚性和耐腐蚀的结构件。

可以理解的是，该探头结构的安装件4包括套管41，以及与套管41相连通的收集管42，透镜2和薄膜3依次安装于套管41内，光纤1传输的激光能够透过透镜2聚焦在薄膜3上，使得薄膜3能够将激光进行反射，收集管42呈锥形，并用于收集声信号，以使薄膜3振动能够将激光反射为携带有声音信息的回光信号，通过设置收集管42，使得探头结构能够收集声信号的能量，并且收集管42呈锥形，能够增加薄膜3处的声压，增大薄膜3的振动幅度，增强对水下微弱声信号的检测能力，进而，增加水下声信号的探测距离。

在本实施例中，光纤1包覆有橡胶套管。橡胶套管能够防水，防止海水进入到光纤1内，从而保护光纤1。

需要补充的是，探头结构在工作时，激光干涉模块的探测端与光纤1连接。激光干涉模块中的激光发射器能够发出激光，发出的激光经过光纤1传递射出。经薄膜3处镜面贴纸7反射的探测光信号，经过光纤1反向传播，再由激光干涉模块对进行回光信号进行处理。

进一步的，收集管42包括收集端421和作用端422，收集端421背离套管41，收集管42的管口自作用端422至收集端421逐渐增大。也就是说，收集管42为喇叭状。这样，可以增加薄膜3处的声压。

需要说明的是，经过收集端421单位时间的声能量是声压的平方除于声阻抗，然后对收集端421管口的面积进行面积分。由于收集管42的管壁是刚性的，或者是理想状态下收集管42的管壁为完全反射体，并且由于机械能量守恒，到达作用端422的声能量与收集端421的声能量相同。所以，收集端421和作用端422处的声压比就是收集端421和作用端422处的管口半径之比，可以理解为，收集端421处的水的振动位移与作用端422处的水的振动位移位移就是收集端421处和作用端422处的管口半径之比，从而增加了薄膜3振动的位移，使得探头结构能够增强探测水下声信号信息，进而，增加水下声信号的探测距离。

在一实施例中，如图1所示，薄膜3处于作用端422，并与套管41的内壁连接。这样，使得作用端422处的声能量作用于薄膜3上，从而使得薄膜3产生振动。

具体的，薄膜3为橡胶薄膜(属于软质薄膜)，是一种常见的材料，具有良好的振动特性，而且灵敏度较高，材料比较容易获取，进而，降低了探头结构的生产成本。

在一实施例中，如图2所示，薄膜3处于作用端422，部分薄膜3与套管41的内壁连接。通过设置部分薄膜3与套管41的内壁连接，使得作用端422处的声能量作用于薄膜3上后，由于薄膜3与套管41的连接面积减少，使得套管41减少了对薄膜3振动时的吸振，从而能够增加薄膜3的振动效果。

具体的，薄膜3为硬铝片(属于硬质薄膜)，是一种常见的材料，容易受到声音的作用产生振动，而且制作简单，可探测声音频率范围大。

需要说明的是，图1和图2所示的实施方式分别适用于软质薄膜和硬质薄膜，图2中实施方式根据薄膜材料不同，对不同声音频率的响应灵敏度不同。

在一实施例中，如图1所示，探头结构还包括粘接件5，套管41包括底壁411，以及与底壁411连接的侧壁412，至少部分透镜2露设底壁411，并通过粘接件5与侧壁412连接。通过设置粘接件5，使得透镜2能够更加稳固的固定在套管41上。

具体的，粘接件5可以为环氧树脂胶或者是双组分胶粘剂(AB胶)。透镜2可以为变折射率透镜或非均匀介质透镜(grin透镜)，grin透镜是一种自聚焦透镜，可以将出射的激光聚焦成很小的光斑(具有更高的聚焦能力和更广的视场)。粘接件5能够固定透镜2，使得透镜2出射的激光能够与薄膜3垂直，并射入薄膜3的中心位置，从而使得薄膜3能够反射更强的回光。可以理解的是，薄膜3的中心在相同声压下具有最高的振幅，而且激光被聚焦在一个中心的小区域内，能够提高灵敏度，还可以减少串扰，提高信噪比。此外，grin透镜的尺寸较小，重量轻，适合在探头结构中使用。

在本实施例中，探头结构还包括增透膜6，增透膜6安装于透镜2。具体的，增透膜6又叫抗反射膜，能够增加透镜2的透射，减少透镜2的反射，从而使得回光全部为薄膜3振动反射回来的光，进而，能够得到更准确的声音信息。

在一实施例中，继续如图1所示，探头结构还包括镜面贴纸7，镜面贴纸7安装于薄膜3。由于镜面贴纸7的表面具有镜面反光效果，镜面贴纸7可以反射较强的光能量。并且，由于镜面贴纸7的材质柔软和尺寸较小，能够保证镜面贴纸7贴在薄膜3上后，不会影响薄膜3的振动，并保证其不小于激光光斑尺寸。

在一实施例中，继续如图1所示，粘接件5、侧壁412和薄膜3围合形成空间8，空间8内具有传输介质。具体的，传输介质可以为空气或者是真空，激光能够经过传输介质出射和回光。传输介质为空气时，激光会保持其原有的速度和方向。传输介质为真空时，激光会保持其原有的方向，并且传播速度优于空气的传播速度。

在一实施例中，如图2所示，探头结构还包括夹持件9，套管41包括底壁411，以及与底壁411连接的侧壁412，光纤1通过夹持件9固定于底壁411。具体的，夹持件9可以为固定夹。夹持件9能够固定光纤1，使得光纤1能够将激光发射到透镜2上，光纤1能够将激光与透镜2的光轴重合，激光经过透镜2后出射能够与薄膜3保持垂直。并射入到薄膜3上的镜面贴纸7位置，从而使得薄膜3能够反射更强的回光。

在本实施例中，透镜2的外周与侧壁412连接。具体的，透镜2的外周与侧壁412的连接处具有密封胶。

进一步的，探头结构还包括耐压玻璃10，耐压玻璃10的外周与侧壁412连接。具体的，耐压玻璃10的四周与侧壁412的连接处具有密封胶。耐压玻璃10镀有增透膜，可以增加透射率，减少反射率，而且由于耐压玻璃10的高防水性和抗高压性，能够避免水压对透镜2造成损坏，还能够避免水接触光纤1的出射口，从而使得光纤1发射的激光不会因为水而发生折射，从而保证光纤1发射的激光能够全部照射在透镜2上。

本实用新型还提供了一种水下声信号探测装置，水下声信号探测装置包括激光干涉模块和上述任一实施例所述的探头结构，激光干涉模块用于对回光信号进行处理。激光干涉模块通过把回光信息与激光干涉模块中的参考光发生干涉，并通过对干涉信号进行解调处理，即可得到作用在薄膜3上的声音信息。

可以理解的是，水下声信号探测装置使用了本实用新型的探头结构，通过设置收集管42，使得探头结构能够收集声信号的能量，并且收集管42呈锥形，能够增加薄膜3处的声压，增大薄膜3的振动幅度，增强对水下微弱声信号的检测能力，进而，增加水下声信号的探测距离。

需要说明的是，激光干涉模块为多普勒测振模块，其基本原理是，光纤1发射的激光经过透镜2聚焦在薄膜3上，薄膜3在声信号作用下产生振动，以使薄膜3振动能够将激光反射为携带有声音信息的回光信号，也就是说，薄膜3的振动会导致回光产生多普勒频移，通过对频移后的干涉信号解调，即可得到声音信息。在水下声信号探测中，激光多普勒测振具有非接触性、空间分辨率高、测量时间短、精度高等优点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种探头结构，其特征在于，所述探头结构包括光纤、透镜、薄膜和安装件，所述安装件包括套管，以及与所述套管相连通的收集管，所述透镜和所述薄膜依次安装于所述套管内，所述光纤传输的激光能够透过所述透镜聚焦在所述薄膜上，所述收集管呈锥形，并用于收集声信号，以使所述薄膜振动能够将所述激光反射为携带有声音信息的回光信号。

2.根据权利要求1所述的探头结构，其特征在于，所述收集管包括收集端和作用端，所述收集端背离所述套管，所述收集管的管口自所述作用端至所述收集端逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的探头结构，其特征在于，所述薄膜处于所述作用端，并与所述套管的内壁连接。

4.根据权利要求2所述的探头结构，其特征在于，所述薄膜处于所述作用端，部分所述薄膜与所述套管的内壁连接。

5.根据权利要求1所述的探头结构，其特征在于，所述探头结构还包括粘接件，所述套管包括底壁，以及与所述底壁连接的侧壁，至少部分所述透镜露设所述底壁，并通过所述粘接件与所述侧壁连接。

6.根据权利要求5所述的探头结构，其特征在于，所述探头结构还包括增透膜，所述增透膜安装于所述透镜。

7.根据权利要求1所述的探头结构，其特征在于，所述探头结构还包括镜面贴纸，所述镜面贴纸安装于所述薄膜。

8.根据权利要求1所述的探头结构，其特征在于，所述探头结构还包括夹持件，所述套管包括底壁，以及与所述底壁连接的侧壁，所述光纤通过所述夹持件固定于所述底壁。

9.根据权利要求8所述的探头结构，其特征在于，所述探头结构还包括耐压玻璃，所述耐压玻璃的外周与所述侧壁连接。

10.一种水下声信号探测装置，其特征在于，所述水下声信号探测装置包括激光干涉模块和如权利要求1-9任一项所述的探头结构，所述激光干涉模块用于对所述回光信号进行处理。