非對稱式結構三維同振球形矢量水聽器的製作方法
2023-05-25 12:32:41 2
專利名稱：非對稱式結構三維同振球形矢量水聽器的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種水下信號接收裝置，具體地說是一種三維同振球形矢量 水聽器。
(二)
背景技術：
矢量水聽器是一種新型水下接收換能器，它可以空間共點、時間同步測得聲 場中某點處的聲壓和質點振速，或聲壓和質點加速度，或聲壓和聲壓梯度等水下 聲場中的標量和矢量信息。矢量水聽器根據工作原理不同，可分為兩大類壓差 式矢量水聽器和同振式矢量水聽器。目前在水聲工程各領域中得到廣泛應用的是 同振式矢量水聽器，特別是在低頻段(低於1000Hz)。
《應用聲學》，2001， 20 (4): 15-20中刊登的名稱為"三維同振球型矢量 水聽器的特性及其結構設計"的文章中，公開了一種三維同振球型矢量水聽器， 同時指出三維同振球形矢量水聽器設計中要求1、三個通道軸嚴格保持正交幾 何關係；2、球體本身的平均密度接近於水的密度且質量分布均勻3、球體的幾 何中心與其重心嚴格重合；4、三個通道具有相同的聲相位中心。因此，通常三 維同振球形矢量水聽器設計時採用對稱式結構，即在三個正交通道上每個通道對 稱放置兩隻振動傳感器，且六隻振動傳感器均勻分布在一個球面上，以保證滿足 上述條件，所以採用對稱式結構設計的三維同振球形矢量水聽器內部需要六隻振 動傳感器，而且對每一對配對傳感器的相位一致性要求很嚴格，否則由於兩隻配 對傳感器相位不一致會導致該通道靈敏度與相位特性與其他通道不一致，主要是 影響工作頻帶，會使工作頻帶變窄，這種結構不僅會使同振式矢量水聽器的設計 成本很髙，質量大密度髙，而且性能不穩定。另外，同振式矢量水聽器設計中內 部放置的振動傳感器數目越多，接線越複雜，相應的連接電纜越粗，從而對同振 式矢量水聽器的工作姿態影響越大，性能越不穩定。如果採用內置電路的振動傳 感器作為矢量水聽器內部振子，則振動傳感器數目越多，所需要連接的信號調理 器越多，後續的處理電路越複雜。總之，釆用對稱結構設計的三維同振式矢量水聽器密度高、成本髙、幅頻與相頻特性一致性差、結構複雜、接口繁瑣，從而影 響其工程應用，特別是在矢量水聽器成陣技術中的應用。為避免上述問題，目前 在許多場合，特別是矢量水聽器陣中，廣泛採用二維柱形同振式矢量水聽器。例
如《應用聲學》，2006， 25 (6): 328-333中刊登的"中頻小型矢量水聽器設計 研究"，《應用聲學》，2005, 24 (2): 119-121中刊登的"二維同振柱形組合矢 量水聽器"等中公開的技術方案等。在這些二維柱形同振式矢量水聽器的結構設 計中，每個通道只採用一隻振動傳感器作為內部振子，這樣避免了由於配對傳感 器相位不一致帶來的問題，但是內部結構仍然是對稱結構，只不過此結構中兩個 正交通道不在同一個平面上，因此嚴格講這兩通道不具有相同的聲相位中心。
發明內容
本發明的目的在於提供一種可大大降低了水聽器的整體質量，使水聽器整體 平均密度大幅降低，提髙了測量精度，能改善水聽器的相位特性的非對稱式結構 三維同振球形矢量水聽器。
本發明的目的是這樣實現的它包括上下兩個半球殼、輸出電纜和核心振子， 所述的核心振子由安裝在中心質量塊上的三隻壓電加速度計組成，核心振子安裝 在支撐法蘭盤內部，支撐法蘭盤通過螺栓和密封圈夾在上下兩個半球殼中間。
本發明還可以包括
1、 所述的支撐法蘭盤上帶有懸掛環，懸掛環等間距分布。
2、 所述的中心質量塊是具有大質量的中心質量塊，三隻壓電加速度計分別 沿X、 Y、 Z三個坐標軸的正向或反向非對稱安裝在具有大質量的中心質量塊上， 且三隻壓電加速度計的幾何中心在同一個球面上，該球面的球心是中心質量塊的 重心。
3、 中心質量塊上沿水平正交方向分布有四個扁平翼型連接件，連接件上有 嫘孔，中心質量塊通過該螺孔中的螺栓固定在有同樣螺孔的支撐法蘭盤的相應位 置上。
本發明提出了一種新型的非對稱式結構設計的三維同振球形矢量水聽器，設 計中每通道也只採用一隻振動傳感器，伹其它結構不變，因此完全滿足同振式矢 量水聽器的設計要求，但與對稱結構相比其中心質量塊重量有所增加，採用該結 構設計的三維同振式矢量水聽器指向性圖和靈敏度頻率響應曲線與對稱結構相比沒有差別，只是靈敏度級值有所下降。但是其密度小、成本低、結構簡單，特 別是接口簡單、各通道一致性好，這些優勢使其在工程上具有非常廣闊的應用前 景。本發明的非對稱式結構三維同振式矢量水聽器是在同振式矢量水聽器的理論 基礎上，採用壓電加速度計作為內部敏感元件設計的，這種結構同對稱式結構相 比，由於內部傳感器的數目減少了一半而大大降低了質量，從而便水聽器整體平 均密度大幅降低，提髙了測量精度，而且由於每通道採用一隻傳感器又大大改善 了水聽器的相位特性。另外，與對稱結構的三維球形矢量水聽器或二維柱形矢量 水聽器相比不對稱結構在減少內部傳感器數目的同時保證了聲學特性不變化。
本發明的理論依據仍然是同振式矢量水聽器設計的理論依據，即:如果聲學 剛硬柱體的幾何尺寸遠遠小于波長(即M〈C1，先是波數，丄是剛硬柱體的最大 線性尺度)，則其在水中聲波作用下作自由運動時，剛硬柱體的振動速度幅值r與 聲場中柱體幾何中心處水質點的振動速度幅值F。之間存在以下關係
其中p。——水介質密度，^——剛硬柱體的平均密度。
由公式可知，當剛硬柱體的平均密度^等於水介質密度/ 。時，其振動速度
幅值F與聲場中柱體幾何中心處水質點的振動速度幅值F。相同，這樣只要剛硬
柱體內部有可以拾取該振動速度的傳感器件即可獲得聲場中柱體幾何中心處水 質點的振動速度。
在實際使用時，將該矢量水聽器用彈簧懸置在固定支架上，然後置於水中。 當水中聲波引起該水聽器聲中心處水質點振動時，該水聽器與水質點將一起振 動，振動的幅值和相位基本相同，這樣水聽器內部的雙迭片振子即可拾得水質點 的振動速度，並將振動速度信號轉換成電信號輸出。
所以本發明的優點是水聽器整體平均密度低(約為lg/cm3左右)，幾何尺 寸小(最小直徑可達80mm左右)，具有較好的餘弦指向性和相位特性。因此，該 低頻矢量水聽器不僅體積小、重量輕、指向性好，而且通道靈敏度和相位特性好， 利用該水聽器的上述優點可以解決聲納基陣設計問題。本發明可以廣泛應用於水 聲各領域，如聲納浮標系統、低噪聲測量系統、雙基地聲納系統、魚雷導航系統、水下通訊系統、應答器等，完成低頻測量任務。
(四)
圖l是本發明的結構示意圖。
圖2是中心質量塊的結構示意圖。 圖3是支撐法蘭盤的結構示意圖。
(五)
具體實施例方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述
結合圖1至圖3,本發明的非對稱式結構三維同振球形矢量水聽器由安裝在
中心質量塊1上的三隻壓電加速度計2組成的核心振子和帶有懸掛環3的支撐法 蘭盤4以及上下兩個半球殼5和輸出電纜6組成。其中核心振子通過螺栓固定在 支撐法蘭盤4內部，而支撐法蘭盤4通過螺栓和密封圏夾在上下兩個半球殼5中 間。
首先，將三隻壓電加速度計2沿軸向安裝在中心質量塊1上裝配成核心振子， 然後用蠊栓將核心振子固定在帶有懸掛環3的支撐法蘭盤4上，最後將支撐法蘭 盤4通過螺栓和密封圈夾在上下兩個半球殼5中間，這樣形成整體水聽器，其電 纜輸出端6置於球形外殼5的上端面上，其中中心質量塊選用重金屬材料製作， 球形外殼選用鋁合金材料製作。目前該水聽器樣品整體外殼直徑100tan,重量為
3800g左右，工作頻帶為10Hz 100Hz ，自由場電壓靈敏度級為
權利要求
1、一種非對稱式結構三維同振球形矢量水聽器，它包括上下兩個半球殼、輸出電纜和核心振子，其特徵是所述的核心振子由安裝在中心質量塊上的三隻壓電加速度計組成，核心振子安裝在支撐法蘭盤內部，支撐法蘭盤通過螺栓和密封圈夾在上下兩個半球殼中間。
2、 根據權利要求1所述的非對稱式結構三維同振球形矢量水聽器，其特徵 是所述的支撐法蘭盤上帶有懸掛環，懸掛環等間距分布。
3、 根據權利要求1或2所述的非對稱式結構三維同振球形矢量水聽器，其 特徵是所述的中心質量塊是具有大質量的中心質量塊，三隻壓電加速度計分 別沿X、 Y、 Z三個坐標軸的正向或反向非對稱安裝在具有大質量的中心質量塊 上，且三隻壓電加速度計的幾何中心在同一個球面上，該球面的球心是中心質 量塊的重心。
4、 根據權利要求1或2所述的非對稱式結構三維同振球形矢量水聽器，其特徵是中心質量塊上沿水平正交方向分布有四個扁平翼型連接件，連接件上 有螺孔，中心質量塊通過該螺孔中的螺栓固定在有同樣螺孔的支撐法蘭盤的相 應位置上。
5、 根據權利要求3所述的非對稱式結構三維同振球形矢量水聽器，其特徵是中心質量塊上沿水平正交方向分布有四個扁平翼型連接件，連接件上有螺 孔，中心質量塊通過該螺孔中的螺栓固定在有同樣螺孔的支撐法蘭盤的相應位 置上。
全文摘要
本發明提供一種非對稱式結構三維同振球形矢量水聽器。包括上下兩個半球殼、輸出電纜和核心振子，所述的核心振子由非對稱安裝在中心質量塊上的三隻壓電加速度計組成，核心振子安裝在支撐法蘭盤內部，支撐法蘭盤通過螺栓和密封圈夾在上下兩個半球殼中間。本發明的水聽器所需內部壓電加速度計數目少，整體平均密度低，幾何尺寸小，具有較好的餘弦指向性和相位特性。因此，該低頻矢量水聽器不僅體積小、重量輕、指向性好，而且通道靈敏度和相位特性好，利用該水聽器的上述優點可以解決聲納基陣設計問題。可以廣泛應用於水聲各領域，如聲納浮標系統、低噪聲測量系統、雙基地聲納系統、魚雷導航系統、水下通訊系統、應答器等，完成低頻測量任務。
文檔編號G01H5/00GK101319932SQ20081006491
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月14日 優先權日2008年7月14日
發明者虎 張, 贇 楊, 陳洪娟 申請人:哈爾濱工程大學