CN2254180Y - 复合水听器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及水声工程中的一种换能装置，它主要包含有一水听器灵敏元件、一振动传感元件、一内套筒、一支承杆和二前置放大器。本实用新型不仅能在阵元自适应干扰抵消中自动、最佳地获得所需干扰的获取点，而且对宽带和窄带干扰都有良好的抵消作用，在实际应用中有较强的适应性。

Description

复合水听器

本实用新型涉及水声工程中的一种换能装置。

舷侧阵(Frank阵)声纳是当前潜用声纳的重要类型，由于检测性能优异而为世界发达国家竞相研制，装备海军。舷侧阵声纳基阵是由各个分立的阵元，即压电陶瓷水听器或压电薄膜(PVDF)水听器，水平等间距布放在潜艇两舷基准面以下的艇体上，形成长数十米的带状声阵。为降低本艇的机械噪声、流体噪声和海面环境噪声对阵的影响，各国都充分注意对新型减震材料、夹层阻尼结构的发展和在阵元的安装以及流线型导流罩上的应用。另外一个十分重要的降噪措施就是充分利用现代计算机的高速运算能力、对阵元水听器接收信号中的干扰成分进行自适应抵消处理，以提高声纳系统的检测能力。目前世界上只有以色列的拉费尔(RAFAEL)公司制造的舷侧阵声纳有这种处理方法。所有国外研制的舷侧阵阵元水听器内部都只含有一个灵敏元件，用以接收水声信号。这种阵元实际应用时，它本身无法提取背景干扰噪声信号，以致影响到系统的检测能力。

本实用新型的目的在于提出一种主要由一水听器灵敏元件、一振动传感元件、内套管、外套管、支承杆和二前置放大器所组成的复合水听器，它不仅能在阵元自适应干扰抵消中自动、最佳地获取所需干扰的获取点，而且对宽带和窄带干扰都有很好的抵消作用，从而解决了现有技术中干扰参考点不易取得等技术难题。

大家知道，形成潜艇自噪声的噪声源，依其重要性往往按照螺旋桨、主辅机、围壳振动和流噪声的顺序排列。然而自噪声沿艇体的分布是极其不均匀的，其声级或振动级的级差可达60分贝以上。对于在舷侧安装的数十米长的Frank阵来说，它要跨过不同声源、不同振源的多个舱室，因此，组成基阵的各个单元所承受的背景干扰是各不相同的，而且这些干扰对不同的阵元究竟那个声源占主导地位更是难以说清。然而有一点却是十分明确的，那就是艇上所有声源、振源产生的干扰振动都会通过共同的艇壳，沿不同路径传递到固定阵元的那一小块壳体上，并经那一小块壳体将干扰传递给阵元。也就是说这一小块壳体实际上包含了所有声源、振源的干扰信息。其次的干扰是由各声源经水介质传输到阵元附近所形成的反射、散射干扰声场。可以证明这部分干扰能量约比壳体振动干扰低2个数量级。因此、在背景干扰中、壳体的振动干扰占据着主导地位。

由信号检测和估值理论可知，对随机时空变的潜艇自噪声干扰信号，其自相关系数为1，互相关系数小于1，其偏离1的程度取决于接收信号中相干与非相干成分的比例。我们实测证明，船壳板两点间的相关半径小于10厘米，因此为了取得好的干扰抵消效果，参考点距阵元的距离不应超过10厘米，而且越近越好。根据上述分析，我们的干扰参考点选在复合水听器内，即选在支承杆与内套筒的紧配合处，它也正是两个灵敏元件共同的振动干扰输入点。此参考点的选取在理论上是最佳的，不存在比这更好的选取方案。

为了降低声阵环境噪声，我们选用了在工作频段(0.1-15KHz)内具有吸声、隔声、减震的多功能橡胶模块，将复合水听器与艇壳进行振动隔离，在水中其隔振效率可达20分贝以上。

其次复合水听器的安装位置能有效地减弱壳板在水中产生的非均匀波(即伪声)的影响。

另外，流线型玻璃钢导流罩与艇壳间柔性连接，并能紧压在多功能橡胶模块上，利用橡胶的阻尼使用，可进一步削弱导流罩的干扰振动幅度。

本实用新型所采用的技术方案在于它主要由一水听器灵敏元件、一振动传感元件、一内套管、一外套管、一支承杆和二前置放大器组成。其中水听器灵敏元件和振动传感元件通过支承杆与内套筒紧密配合，再由硬质泡塑筒与内套管的内壁紧密滑动配合，籍以保护振动传感元件。在振动传感元件的左、右两端与内套筒间形成有空气隙，外套筒的一端与支座筒螺接，外套筒与内套筒之间形成有空气隙，在支座筒内设置有二前置放大器，其输入端通过导线分别与振动传感元件和水听器灵敏元件产生电连接。二前置放大器的输出端通过多芯电缆输出信号。支座筒的后端螺接有水听器后盖，由水密空芯螺钉和橡胶硫化接头固定和密封电缆。

理论和实测证明，在声阵敏感元件处的背景干扰中，潜艇壳体的振动干扰占主要地位，在阵元的自适应干扰抵消处理中，参考通道所需要的干扰信号究竟在那一点上选取就成为十分关键的问题，因为它直接关系到对水听器接收信号中干扰成分的抵消程度。本实用新型优点就在于：

1.在阵元自适应干扰抵消中，关于参考通道所需干扰信号的获取点，无需在声阵安装艇上作大量测量而能自动的、最佳的获取。因为在阵无布放处的最佳干扰获取点就在阵元(复合水听器)内部，故不必再选取。

2.不论对任何艇都是适用的，即不论是声阵安装艇或其他艇、或尚未造出的新艇，也不论艇壳结构是单层壳或双层壳等尽皆适用。

3.不仅对窄带线谱而且对宽带连续谱干扰都有很好的抵消作用。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为RAFAEL公司自适应干扰抵消前A和干扰抵消后B的功率谱比较曲线。

图3为本实用新型自适应干扰抵消前C、抵消后D的功率谱比较曲线。E是水听器接收到的已知频率为825赫兹的正弦水声信号，干扰抵消后元变化。

图4为本实用新型自适应干扰抵消前F后G的时域波形图比较曲线。

现在结合上述各附图来进一步说明本实用新型的一较佳具体实施例，本实用新型主要由一水听器灵敏元件2、一振动传感元件4、一内套筒5、一外套筒7、一支承杆3和二前置放大器10、11所组成，如图1所示。其中水听器的灵敏元件2和振动传感元件4通过支承杆3与内套筒5紧密配合，再由硬质泡塑6与内套筒的内壁紧密滑动配合，籍以保护振动传感元件4，防止大的振动冲击将振动传感元件4损坏。灵敏元件2和振动传感元件4可以由壁厚1毫米，长3毫米的压电陶瓷圆环制成，灵敏元件2可以由2-4个压电陶瓷圆环串联组成。振动传感元件4可以由4-6个压电陶瓷圆环串联组成。在振动传感元件4的左右两端与内套筒5之间形成有空气隙21、22，外套筒7和内套筒5之间形成有空气层8。这些空气层作为隔声层，使振动传感元件4接收不到水声信号。而外套筒7的一端与支座筒9的一端螺接，支座筒9的另一端螺接着水听器后盖13，然后再由压紧螺帽16紧固。外套筒7和水听器灵敏元件2再由聚氨脂透声胶1密封。二前置放大器10、11的输入端分别由导线19、20通过支座筒9和内套筒5内的贯穿孔与水听器灵敏元件2和振动传感元件4进行电连接，该二前置放大器10、11的输入阻抗大于15MΩ，输出阻抗小于50Ω，且放大20分贝，二前置放大器10、11的输入和输出接头为插拔式，以便于维修。二前置放大器10、11的输出信号、经由穿过水密空心螺钉15的多芯电缆19传输到信号分析系统，最后再由橡胶硫化接头18密封。这种结构可以使得：

第一，水听器灵敏元件2和振动传感元件4包含在同一个水听器单元内。

第二，结构设计实现了水听器灵敏元件2与振动传感元件4具有相同的干扰激励点，从而保证了水听器灵敏元件2与振动传感元件4具有时域、频域近似相同的干扰波形。

第三，振动传感元件4罩在套筒7和5内，使它不能直接收到水声信号，其隔声量可达到25-45分贝之间。

第四、硬质泡塑筒6一方面对振动传感元件4起到支撑保护作用，防止强振动冲击使振动传感元件4受损，同时可增加振动传感元件4的振动加速度响应。

第五，水听器灵敏元件2、振动传感元件4的低噪声前置放大器10、11避开了振动传感器所需的电荷放大器，后面允许连接长电缆。

第六，水听器内的连接座为插拔式，允许现场更换灵敏头或放大电路，便于维修。此外水密性能良好，可在1000米的水下安全工作。

从实测结果，如图2-图4所示的比较曲线可以说明本实用新型具有很大的实用价值。

1.图2说明RAFAEL公司只能做到干扰的窄带线谱抵消，而不能做到宽带干扰抵消，即干扰的宽带连续谱部分抵消前后无变化；相反，从图3可以看出，本实用新型不仅对干扰的窄带线谱，而且对干扰的宽带连续谱都有较好的抵消作用。

2.图3中的E表示水听器在干扰背景下所接收到的已知频率(825Hz)的正弦信号，这时，它比最高的干扰噪声谱线低20分贝。自适应干扰抵消后，作为有用信息的正弦信号不仅完好的保留下来，而且还比最高的干扰谱线高出10分贝以上。在图4的时域波形中能更清楚地说明此问题。F是干扰抵消前“干扰噪声加正弦信号”的时域波形；G是干扰噪声抵消后剩下的部分，可以看出，其中主要是正弦信号了。

3.图3和图4说明本实用新型在保证有用信号不变的前提下，能有效地降低阵元水听器接收信号中的干扰成分，从而可大大提高声纳系统的信噪比增益，增强其对目标的检测能力。

Claims (1)

1、一种复合水听器，其特征在于它主要由一水听器灵敏元件、一振动传感元件、一内套筒、一外套筒、一支承杆和二前置放大器所组成，其中水听器灵敏元件和振动传感元件通过支承杆与内套筒紧密配合，再由硬质泡塑筒与内套筒的内壁紧密滑动配合，在振动传感元件的左、右两端与内套筒间形成有空气隙，外套筒与内套筒之间形成有空气隙，在支座筒内设置有前置放大器，其一端通过导线分别与振动传感元件和水听器灵敏元件产生电连接，另一端接多芯电缆。支座筒的后端螺接有水听器后盖，由水密空芯螺钉和橡胶硫化接头固定和密封多芯电缆。

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