高频小型二维同振柱型矢量水听器及其工艺 【技术领域】
本发明涉及一种高频小型二维同振柱型矢量水听器及其工艺。
背景技术
自1997年引进俄罗斯三维低频矢量水听器研制技术至今，我国不仅在短期内完全实现了技术的国产化，而且成功研制出具有自主知识产权的新一代低频矢量水听器，目前在国内三维低频矢量水听器已经开始走向工程应用，但随着矢量水听器在水声工程各个领域的普遍应用，低频矢量水听器已经不能满足要求，对高频矢量水听器的需求日益迫切。
一般低频矢量水听器是指工作频带在1kHz以下的水听器。众所周知，水声工程领域高于1kHz工作频率的场合较多，需求较大，但是根据同振型矢量水听器的工作原理分析可知，如果仿照低频矢量水听器的结构设计高频矢量水听器，则其工作的上限频率仅能达到5kHz左右，否则频率再高，则水听器的几何尺寸下降到只有几mm～十几mm范围，这在制作工艺上已基本无法实现，除非采用MEMS技术，但到目前为止较为成熟的可应用于水声换能器领域的硅微技术仍处于研究阶段。在此种情况下，改变矢量水听器的结构是最直接有效的方法。因此，在充分研究了矢量水听器基本理论的前提下，高频小型二维同振柱型矢量水听器应运而生，从而满足了目前对高频矢量水听器的需求。
目前国外研制出的高频矢量水听器，几何尺寸均较大，根据声学理论可知，其声场散射指向性对矢量水听器的自然指向性的影响较大，可见参考文献B.A.Гордиенко Векторно-фазовые методвакустике.Москва，Наука，1989：p46-66。国内在此方面目前尚无公开发表的资料。
【发明内容】
为了扩展矢量水听器的工作频带，适应水声工程各领域对矢量水听器上限频率的要求，本发明提供一种高频小型二维同振柱型矢量水听器，其不仅可以测量水中声压标量，而且可测得水中X、Y两个方向的质点振速，并且体积小、重量轻、灵敏度高、指向性好，克服了其他结构的高频矢量水听器体积大、指向性差的缺点。
本发明地构成是，将测振传感器[3]置于带有导线孔[4]的矢量通道柱形外壳体[1]内，然后将其灌封在粘有PVDF薄膜[5]的有机玻璃壳体[2]内，最后采用聚氨酯胶体灌注整只水听器，使用时将该矢量水听器用8根弹簧通过悬挂孔[7]悬置在一个刚性框架上。该矢量水听器采用PVDF薄膜水听器来获取声场标量信息，采用测振传感器[3]来获取声场矢量信息。由于测振传感器[3]本身具有横向灵敏度低、主轴灵敏度高的特性，所以采用这一技术可保证该发明具有良好的余弦指向性和很高的声压灵敏度。
本水听器设计的理论依据是：如果声学刚硬柱体的几何尺寸远远小于波长(即kL＜＜1，k是波数，L是刚硬柱体的最大线性尺度)，则其在水中声波作用下作自由运动时，刚硬柱体的振动速度幅值V与声场中柱体几何中心处水质点的振动速度幅值Vo之间存在以下关系：
V=2ρ0ρ‾+ρ0V0]]>
其中：ρ0——水介质密度， ρ——刚硬柱体的平均密度。
由公式可知，当刚硬柱体的平均密度 ρ等于水介质密度ρ0时，其振动速度幅值V与声场中柱体几何中心处水质点的振动速度幅值Vo相同，这样只要刚硬柱体内部有可以拾取该振动速度的传感器件即可获得声场中柱体几何中心处水质点的振动速度，所以要求该水听器的整体平均密度应接近水介质密度，而由于其内部测振传感器[3]为金属器件，为此其外壳体[1]的密度应小于水介质密度。
本发明只选用两只测振传感器[3]，将其分别放置在X、Y通道，因此对两只测振传感器[3]的灵敏度和相位特性的一致性要求不高，这就避免了低频矢量水听器结构中传感器配对的麻烦，使传感器的制作相对简单，更易于实现，也使水听器的性能可靠性更高，同时减小了体积，降低了密度。
该水听器的外壳体[1]采用由环氧树脂与玻璃微珠组成的混合物利用事先设计好的模具制作而成，环氧树脂与玻璃微珠二者的比例决定混合物的密度，其平均密度约为0.65~0.75g/cm3(不同型号的环氧树脂与玻璃微珠混合物密度略有不同)。玻璃微珠是一种绝对刚性的材料，具有化学惰性，比重较小，与环氧树脂混合后能承受很大的压力，该混合物具有很高的硬度、高机械强度、极低的吸湿性和良好的介电特性，并且能抗有害物质腐蚀。
为了使该水听器的柱形外壳体[1]具有足够小的密度，必须增大玻璃微珠在混合物中的含量，但是同时还应保证混合物具有良好的流动性，并且混合物中玻璃微珠之间没有气泡生成，这样，在加工过程中分不同的阶段按一定比例将环氧树脂与玻璃微珠混合后，加入固化剂，倒入模具中，经过烘干和对外壳体[1]的内外表面的精加工后，就可得到该水听器的刚性外壳体[1]。
另外，为使水听器整体平均密度接近水介质密度，该水听器的声压通道采用PVDF薄膜材料，其密度小、重量轻，更易于减小水听器的整体几何尺寸，满足设计的要求。
所以本发明的优点是：水听器整体平均密度低(约为1.1g/cm3左右)，几何尺寸小(最小直径可达20mm左右)，具有较好的余弦指向性，在测得声压标量的同时可以获得水中质点振动速度矢量。因此，该高频矢量水听器不仅体积小、重量轻、指向性好，而且通道灵敏度和相位特性好，利用该水听器的上述优点可以解决声纳基阵设计问题。本发明可以广泛应用于水声各领域，如声纳浮标系统、低噪声测量系统、双基地声纳系统、鱼雷导航系统、水下通讯系统、应答器等，完成高频测量任务。
【附图说明】
图1是高频小型二维同振柱型矢量水听器矢量通道柱形外壳体剖面示意图
图2是高频小型二维同振柱型矢量水听器有机玻璃壳体剖面示意图
【具体实施方式】
首先，采用环氧树脂与玻璃微珠混合物制成带有导线孔[4]的矢量通道柱形外壳体[1]，其次将测振传感器[3]灌置其中，然后将矢量通道柱形外壳体[1]置于粘有PVDF薄膜[5]的有机玻璃壳体[2]中，最后采用聚氨酯胶体整体灌封形成水听器，其电缆输出端[6]置于柱体上端面上，在水听器上下端面分别对称预留悬挂孔[7]8个。其中测振传感器[3]一般选用钛合金与黄铜材料制作，其尺寸为：φ10mm×18mm。该水听器整体外壳直径小于50mm，重量为100g左右，工作频带为1kHz～10kHz，自由场电压灵敏度为-190dB(0dB re 1V/μPa，测试频率10kHz)。
在实际使用过程中，将该矢量水听器用弹簧悬置在固定支架上，然后置于水中，即可获得水中声场的标、矢量信息。
本发明可以广泛应用于水声各领域，如声纳浮标系统、低噪声测量系统、双基地声纳系统、鱼雷导航系统、水下通讯系统、应答器等，完成高频测量任务。