水下質點振速拾振器的製造方法

2023-09-09 15:25:00

水下質點振速拾振器的製造方法
【專利摘要】本實用新型的目的在於提供水下質點振速拾振器，其特徵是：包括振動傳感器、殼體、懸置安裝件、彈性材料、基座、電纜頭，所述殼體為由第一聚氨酯半球殼體和第二聚氨酯半球殼體組成的球體，球體裡灌有彈性材料，第一聚氨酯半球殼體的下平面和第二聚氨酯半球殼體的上平面以及第二聚氨酯半球殼體的球面上均設置有定位孔，懸置安裝件通過定位孔固定在球體裡，振動傳感器通過懸置安裝件固定在球體的球心處，第一聚氨酯半球殼體的球面上設置螺紋孔，基座通過螺紋孔與第一聚氨酯半球殼體相連，電纜頭安裝在基座上。本實用新型頻帶較寬，可以在20-20000Hz範圍內高質量的獲取水下聲場的矢量信息，結構尺寸可以根據實際工程需要加以調整。
【專利說明】水下質點振速拾振器

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及的是一種水下聲信號接收器。

【背景技術】
[0002]水下接收器，通常稱作水聽器，它可以接收到在水下聲場中傳播的聲信號。根據接收到的聲信號不同可以分為聲壓水聽器和矢量水聽器，聲壓水聽器能夠獲取水下聲場中傳播的聲壓信號；矢量水聽器能夠獲取水下聲場中傳播的矢量信號，包括質點位移、加速度、速度以及聲壓梯度等信號。
[0003]傳統的矢量水聽器根據工作機理不同，分為壓差式和同振式兩種類型，國內外的水聲領域對其研究的歷史已有幾十年，目前已經有了很多成功的應用。壓差式矢量水聽器應用比較經典的例子如Kam ff.Ng在1991年的美國專利N0.4982375中利用兩個聲壓探頭組成了一個聲強探測器，其模型是基於壓力梯度與振速之間的關係而設計的。壓差式矢量水聽器本身存在其固有的劣勢和缺點:由於其結構尺寸是固定不變的，所以其測量的頻帶範圍相對較窄；同時其靈敏度也相對較低。
[0004]同振式矢量水聽器是目前比較流行的設計模型，相比與壓差式矢量水聽器其具有更高的低頻靈敏度、更理想的低頻餘弦指向特性和小巧的體積、較輕的質量(在水下基本呈中性浮力)，因此在水聲工程各個方面得到廣泛的應用。同振式矢量水聽器的設計依據是水下剛性球的自由振動理論:當聲學剛性球的幾何尺寸遠小於聲波波長，即ka遠小於I (k為波數，a為球體的最大線性尺寸)，則其振動速度的幅值Vtl與聲場中球心處水質點的振動速度幅值Vtl之間的關係為
r ? ^ 3仏 V
[0005]Λ
K 2Ps + p.
[0006]式中Pjp P ^分別為球體和水介質的密度
[0007]最早期的應用例如美國海軍研究實驗室研製成功的SVl和SV2型號的振速傳感器；比較成熟的應用例如Thomas B.Gabrielson在1995年的美國專利N0.5392258中利用了一個地震檢波器和一個聲壓水聽器組成了一個聲強探測器，其結構整體為中性浮力狀態，可以檢測水下某一平面內的聲壓與質點振速信息。近些年來為了降低早期同振式矢量水聽器的懸掛系統帶來的振動幹擾，很多學者在其外部工作平臺上做出很多改進，例如Benjamin A.Cary在美國專利N0.6370084中用橡膠材料來代替彈簧原件,讓水聽器工作在其內部；又如Nathan K.Naluai在美國專利N0.7536913中採用了內部固定安裝的方式，將敏感元件安置在中心的四周。雖然這些設計在結構上有所改進，但是其工作狀態為了滿足其工作機理必須控制其整體結構的密度要與水相同，而且必須水聽器本身要滿足聲學剛性條件，否則會對其測量信號的幅值與相位的準確性產生影響。
[0008]綜上所述，基於兩種傳統工作機理的矢量水聽器都存在其固有的缺點和限制，想要在根本上解決這些問題，需要在矢量水聽器的工作機理上實現突破。


【發明內容】

[0009]本實用新型的目的在於提供水下一維空間方向上獲取聲場質點振速信息，在20-20000HZ頻率範圍內工作的水下質點振速拾振器。
[0010]本實用新型的目的是這樣實現的:
[0011]本實用新型水下質點振速拾振器，其特徵是:包括振動傳感器、殼體、懸置安裝件、彈性材料、基座、電纜頭，所述殼體為由第一聚氨酯半球殼體和第二聚氨酯半球殼體組成的球體，球體裡灌有彈性材料，第一聚氨酯半球殼體的下平面和第二聚氨酯半球殼體的上平面以及第二聚氨酯半球殼體的球面上均設置有定位孔，懸置安裝件通過定位孔固定在球體裡，振動傳感器通過懸置安裝件固定在球體的球心處，第一聚氨酯半球殼體的球面上設置螺紋孔，基座通過螺紋孔與第一聚氨酯半球殼體相連，電纜頭安裝在基座上。
[0012]本實用新型還可以包括:
[0013]1、所述振動傳感器包括鋁質外殼、壓電陶瓷、銅質墊片，鋁質外殼裡設置橫梁，橫梁上下兩側均安裝銅質墊片，銅質墊片的外側安裝壓電陶瓷。
[0014]本實用新型的優勢在於:1.頻帶較寬，可以在20-20000HZ範圍內高質量的獲取水下聲場的矢量信息；2.結構尺寸可以根據實際工程需要加以調整；3.使用便捷，工作平臺上無需設計配套的懸掛裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型的剖視圖；
[0016]圖2為本實用新型振動傳感器的結構示意圖；
[0017]圖3為本實用新型的第一聚氨酯半球殼體結構示意圖；
[0018]圖4為本實用新型的第二聚氨酯半球殼體結構示意圖；
[0019]圖5為本實用新型基座的結構不意圖；
[0020]圖6為球體和入射平面波的坐標關係示意圖。

【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖舉例對本實用新型做更詳細地描述:
[0022]結合圖1?6，本實用新型的水下質點振速拾振器由振動傳感器I (內部包括鋁質外殼la、壓電陶瓷Ib和銅質墊片Ic)，和懸置安裝件2，和彈性材料3，和聚氨酯半球殼體4、5，和帶有螺紋孔6a，密封槽6b走線槽6c的基座6，和密封圈7以及電纜頭8組成。
[0023]首先，利用模具加工製造兩個聚氨酯材質的半球殼，如結構示意圖所示，其中殼體4為了方便與基座相連接，在其底部預留了四個螺紋孔4a;然後，利用懸置安裝件2通過定位孔5a和5b把振動傳感器I定位在半球殼體5的中心處；接下來，將半球殼體4通過螺紋孔4a與基座6通過螺杆連接起來，再與殼體5組裝成一完整球殼；之後，將按照一定比例調製好的具有一定硬度的彈性材料3，灌入到聚氨酯殼體內部，灌滿以後用電纜頭8、密封圈7將其封閉，最後等殼體內部的彈性材料完全凝固以後便形成一個完整的矢量接收器。目前製作完成的接收器直徑100mm，工作頻帶20-20000HZ，工作頻帶內1000Hz頻點下矢量靈敏度為-170dB。
[0024]本實用新型的目的是這樣實現的:振速拾振器的整體包括敏感元件，灌封材料，包覆材料，安裝基座，和輸出電纜。所述的敏感元件為一維的振動傳感器(本實用新型用到的是一維的三迭片式加速度計)；灌封材料為彈性材料(本實用新型中可採用的彈性材料為楊氏模量在4e9-2el2範圍內，泊松比在0.21-0.42範圍內的任意材料)；包覆材料為聚氨酯混合物(起到良好的透聲效果)；安裝基座為不鏽鋼材料。在接收器整體組裝的過程中，首先把振動傳感器通過懸置安裝件(金屬支架)定位在聚氨酯外殼內部的幾何中心處，然後再利用灌封工藝把調製好的彈性材料灌入殼體內，最後整理好導線的走向並與安裝基座相結合。
[0025]本實用新型的基本理論依據:本實用新型是依據浸泡在水下的結構在聲波作用下其內部的質點振速和水介質中的振速之間的相互關係，來設計並實現的。首先本實用新型的物理模型及其邊界條件如圖6所示，
[0026]在球坐標系下入射平面波與球的散射波的表達式為
[0027]Pi = IVj = 1IΣ(2? + ?χ-./.)"I,{kr)Pn(cosΘ)


?-O
[0028]Ps = TCJiJ^ik^PJcose)

n=0
[0029]其中，jn是球貝塞爾函數，hn(2)是二類球貝塞爾函數，Cn是散射係數。接下來根據聲波在彈性介質中的傳播特性，得到球體內部的位移矢量S及其各分量的表達式為
[0030]?S = V? + VxT
( Sr =+ + I )/--./? (^/-)]P, (cos
rd{kxr)
[0031]& =-
r n:1)d(k2r) cW
、 S=O
[0032]式中，Ii1= ω/0ι ；k2 = ω/ο2 = [ ( λ +2 μ ) / P J 為壓縮波的聲速，C2 = [μ /Ps]為剪切波的聲速；λ與μ為拉米常數4?和Bn為待定常數。然後根據界面處液體介質與固體介質滿足的壓力和位移連續條件得到以下方程組:
1PA) -M + 2p 丨 φ(" + l)[-\-2./?(-v2) -./,,(-V2 )R
r1-2σ

+O2IrJ21(X)Cil =-P(2> +1)(-./)^:/,,(-?)
[0033]JV' ,L" 一― + ⑷""+^7/?"(2l.「)C"


=-八(2/?+ ι)(-/)" 4./:,(.'-,))


par


) —./,,(.V1 }]Αι; + [(η2 +n-2)/?(.v:) +.v；./；(.v2)]Bn = 0
[0034]式中，X1 = k^a ；x2 = k2a ；x0 = ka。最後通過解方程組的係數An、Bn> Cn,可以得到實心彈性球體內部空間各點的質點振速與聲場中水質點振速的關係。由於球體內部振速存在分布情況，所以在實際的拾振器加工製作過程中為了避免其對指向性性能的影響，要將振動傳感器精確定位到整體結構的中心處。
[0035]本實用新型在工作機理上與經典的同振式矢量水聽器相比較其創新點包括:首先突破了聲學剛性理論模型，本實用新型的理論模型更加準確和完善；其次突破了中性浮力以及波尺寸的限制，本實用新型實現的拾振器其整體幾何尺寸較小、工作頻帶較寬；最後由於拾振器整體不再需要彈性元件來懸掛，避免了懸掛系統帶來的性能不穩定的影響，所以使用起來更簡潔方便、可靠耐用，適於組裝換能器基陣和水下聲場信息的長期檢測。
【權利要求】
1.水下質點振速拾振器，其特徵是:包括振動傳感器、殼體、懸置安裝件、彈性材料、基座、電纜頭，所述殼體為由第一聚氨酯半球殼體和第二聚氨酯半球殼體組成的球體，球體裡灌有彈性材料，第一聚氨酯半球殼體的下平面和第二聚氨酯半球殼體的上平面以及第二聚氨酯半球殼體的球面上均設置有定位孔，懸置安裝件通過定位孔固定在球體裡，振動傳感器通過懸置安裝件固定在球體的球心處，第一聚氨酯半球殼體的球面上設置螺紋孔，基座通過螺紋孔與第一聚氨酯半球殼體相連，電纜頭安裝在基座上。
2.根據權利要求1所述的水下質點振速拾振器，其特徵是:所述振動傳感器包括鋁質外殼、壓電陶瓷、銅質墊片，鋁質外殼裡設置橫梁，橫梁上下兩側均安裝銅質墊片，銅質墊片的外側安裝壓電陶瓷。
【文檔編號】G01H3/00GK203929212SQ201420351988
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月26日 優先權日:2014年6月26日
【發明者】陳洪娟, 趙天吉, 張虎 申請人:哈爾濱工程大學