基于压电式速度传感器的三维矢量水听器.pdf

本发明提供的是一种基于压电式速度传感器的三维矢量水听器。它包括球形体，设置在球形体中的悬挂元件、速度传感器、一根多芯输出带电缆；所述的速度传感器包括三只压电式速度传感器，三只压电式速度传感器通过连接杆依次连接；四个悬挂元件的一端固定在中间的一只压电式速度传感器上、另一端伸出球形体；所述的球形体是实心球体。本发明矢量水听器的平均密度与水介质密度接近；在2000赫兹以下的工作频带内通道灵敏度高，且与频率无关；矢量水听器具有良好的余弦指向性；工作时不受倾角的限制。本发明可以广泛应用于水声各领域，如声纳浮标、低噪声运动目标的测量、目标定位等。

1、  一种基于压电式速度传感器的三维矢量水听器，它包括球形体，设置在球形体中的悬挂元件、速度传感器，一根多芯输出带电缆；其特征是：所述的速度传感器包括三只压电式速度传感器，三只压电式速度传感器通过连接杆依次连接；四个悬挂元件的一端固定在中间的一只压电式速度传感器上、另一端伸出球形体；所述的球形体是实心球体。

2、  根据权利要求1所述的基于压电式速度传感器的三维矢量水听器，其特征是：所述的四个悬挂元件均匀分布，且与中间的压电式速度传感器刚性连接。

3、  根据权利要求1或2所述的基于压电式速度传感器的三维矢量水听器，其特征是：所述的三只压电式速度传感器分别沿垂直方向依次放置，它们的轴向分别指向X、Z、Y三个坐标方向。

4、  根据权利要求1或2所述的基于压电式速度传感器的三维矢量水听器，其特征是：所述的连接后的三只压电式速度传感器所构成整体的重心、几何中心与实心球体的重心、几何中心重合。

5、  根据权利要求3所述的基于压电式速度传感器的三维矢量水听器，其特征是：所述的连接后的三只压电式速度传感器所构成整体的重心、几何中心与实心球体的重心、几何中心重合。

基于压电式速度传感器的三维矢量水听器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种矢量水听器，特别是一种采用压电式速度传感器作为拾振单元的同振式矢量水听器。
(二)背景技术
矢量水听器内部一般均采用加速度传感器作为拾振单元，它可以时间同步、空间共点测得水下声场中质点处的振动加速度，在此基础上经过积分运算就可以获得该质点处的振动速度和位移。而基于加速度传感器的矢量水听器，其矢量通道的灵敏度随着工作频率的降低而减小。目前低频段(低于1000Hz)的矢量水听器在水声领域得到了广泛的应用。
在2007年哈尔滨工程大学硕士学位论文“10-100Hz矢量水听器研制及其测试方法研究”、“声学技术”2007年第26卷第5期第193-195页中，公开了一种采用动圈式速度传感器制成的矢量水听器，频带上限为100Hz，三个通道的自由场电压灵敏度低于-210dB。矢量水听器内部采用的是只能水平方向工作和垂直方向工作的六只有极性动圈式振速传感器，使用时若矢量水听器的通道轴偏离水平或垂直方向大于10度时，动圈式传感器就不能工作，这是受动圈式速度传感器工作原理的限制，这样严重制约了矢量水听器的实际工程应用。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种通道轴向不受水平倾角和垂直倾角限制的，在工作频带内通道灵敏度保持不变的基于压电式速度传感器的三维矢量水听器。
本发明的目的是这样实现的：
它包括球形体，设置在球形体中的悬挂元件、速度传感器，一根多芯输出带电缆；所述的速度传感器包括三只压电式速度传感器，三只压电式速度传感器通过连接杆依次连接；四个悬挂元件的一端固定在中间的一只压电式速度传感器上、另一端伸出球形体；所述的球形体是实心球体。
本发明还可以包括：
1、所述的四个悬挂元件均匀分布，且与中间的压电式速度传感器刚性连接。
2、所述的三只压电式速度传感器分别沿垂直方向依次放置，它们的轴向分别指向X、Z、Y三个坐标方向。
3、所述的连接后的三只压电式速度传感器所构成整体的重心、几何中心与实心球体的重心、几何中心重合。
4、所述的球形体是由环氧树脂与玻璃微珠的混合物进行整体灌封所形成的平均密度为1g/cm³实心体。
本发明提出了一种新型的基于压电式速度传感器的三维球形矢量水听器，设计中采用了三只压电式加速度传感器分别作为矢量水听器的三个拾振单元，可以满足矢量水听器的设计要求，但由于采用了无极性的速度传感器，可以保证矢量水听器在任意倾角下均能正常工作；还由于采用了压电式速度速度传感器，与内部采用加速度传感器的矢量水听器相比，低频段的通道灵敏度提高了几十分贝，且通道灵敏度与频率无关。同时矢量水听器结构简单、在水中还具有中性浮力，这些优势使其在工程应用中具有非常好的应用前景。本发明的基于压电式速度传感器的三维矢量水听器是在同振球形矢量水听器的理论基础上，采用压电式、无极性速度传感器作为内部拾振单元设计的，与采用动圈式、有极性速度传感器的矢量水听器相比，实际工程应用时不再受倾角的限制，使用极其方便，而且通道灵敏度大大提高了。
本发明的理论基础依旧是同振球形矢量水听器设计的理论，也就是如果声学刚硬球体的几何尺寸远小于声波波长(即kL＜＜1，k是波数，L是刚硬球的最大直径)，则其在水中声波的作用下做自由运动时，刚硬球体的振动速度幅值V与声场中球体几何中心处水质点的振动速度幅值V₀之间存在如下关系：
V=3ρ02ρ+ρ0V0]]>
式中——刚硬球体的平均密度；ρ₀——水介质密度。
由公式可知，当刚硬球体的平均密度ρ等于水介质密度ρ₀时，其振动速度幅值V与声场中球体几何中心处水质点的振动速度幅值V₀相同，这样只要刚硬球体的有可以拾取该振动的拾振单元，就可以获得声场中球体几何中心处水质点的振动速度。
工程应用中，将矢量水听器借助弹性元件悬挂于大的支架上，并将其置于水中。当水中被测信号引起矢量水听器中心处水质点振动时，矢量水听器便与水质点一起运动，它们运动的幅值与相位基本相同，这样矢量水听器内部的拾振单元就可以获得水质点的振动速度，并将振动速度信号转换为电信号输出。
所以本发明的优点是：矢量水听器的平均密度与水介质密度接近；在2000赫兹以下的工作频带内通道灵敏度高，且与频率无关；矢量水听器具有良好的余弦指向性；工作时不受倾角的限制。本发明可以广泛应用于水声各领域，如声纳浮标、低噪声运动目标的测量、目标定位等。
(四)附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的剖面图(包含模具)。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1。本发明的组成包括一个带有一根多芯输出带的电缆[5]、四个悬挂杆[4]、三个压电式速度传感器[1]、连接杆[2]和实心球体[3]。四个悬挂杆均匀分布在球体的外表面。三只压电式速度传感器分别沿垂直方向依次放置，它们的轴向分别指向X、Z、Y三个坐标方向。
本发明的制备方法为：首先，采用将三只压电式速度传感器[1]借助连接杆[2]沿垂直方向刚性连接，然后将四个悬挂杆[4]均匀固定于中间的速度传感器[1]上，将连接好的带有四个悬挂杆[4]的三只速度传感器[1]置于球形的模具[6]中，用环氧树脂与玻璃微珠组成的混合物[3]进行整体灌封，模具[6]有电缆输出端[5]。混合物[3]固化后，脱去模具[6]。得到矢量水听器整体外壳直径170mm，平均密度为1g/cm³左右，工作频带为20-2000Hz，自由场电压灵敏度级为-190dB(0dB re 1V/μPa)。