專利名稱：一種大面積薄板型矢量水聽(tīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于水聲測(cè)量的傳感器領(lǐng)域，主要是一種大面積薄板型矢量水聽(tīng)
O
背景技術(shù)：
隨著水聲技術(shù)的發(fā)展，矢量水聽(tīng)器作為一類獲取水下聲場(chǎng)聲矢量分量信息的測(cè)量傳感器，在工程上已有應(yīng)用。由于矢量水聽(tīng)器與傳統(tǒng)聲壓水聽(tīng)器相比，具有可以獲取更多聲場(chǎng)信息等優(yōu)勢(shì)，用于聲納浮標(biāo)或聲基陣，能夠提高聲納的檢測(cè)、定位能力，在未來(lái)將更有廣闊的發(fā)展空間。將矢量水聽(tīng)器作為基元應(yīng)用于舷側(cè)陣，一方面，由于矢量水聽(tīng)器拾取振速信號(hào)，而振速信號(hào)在軟障板前具有量值最大、法線方向變化最平緩的優(yōu)點(diǎn)，從而無(wú)需厚重的信號(hào)調(diào)節(jié)板，可以大大降低舷側(cè)陣的重量。另一方面，由于矢量水聽(tīng)器具有很好的指向性，可以提高對(duì)能流方向主要平行于艇殼方向的振動(dòng)分量的抑制能力，為降低本艇振動(dòng)噪聲的影響提供了物理機(jī)制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種大面積薄板型矢量水聽(tīng)器，是一種用于測(cè)量水下聲場(chǎng)聲矢量分量的換能器基陣，即平面型矢量水聽(tīng)器。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案這種大面積薄板型矢量水聽(tīng)器，包括一組平面型矢量水聽(tīng)器單元、硬質(zhì)泡沫方塊和聚氨酯灌注層，平面型矢量水聽(tīng)器單元鑲嵌安裝于與其相同厚度的硬質(zhì)泡沫方塊的預(yù)留孔位中，兩者緊密接觸且由聚氨酯灌注層完全包覆，平面型矢量水聽(tīng)器單元之間采用串、并聯(lián)混用連接結(jié)構(gòu)。作為優(yōu)選，由9個(gè)平面型矢量水聽(tīng)器單元組成，3個(gè)平面型矢量水聽(tīng)器單元為一組并聯(lián)連接形成三組單元，平面型矢量水聽(tīng)器單元的正負(fù)極焊接于電極上，三組單元之間用導(dǎo)線串聯(lián)連接，正負(fù)極引出線與輸出電纜相連；9個(gè)平面型矢量水聽(tīng)器單元鑲嵌安裝在方形的硬質(zhì)泡沫方塊中的預(yù)留孔位中，再將整體用聚氨酯灌注封裝。平面矢量水聽(tīng)器模塊的自由場(chǎng)聲壓靈敏度比水聽(tīng)器單元增加9dB，而電容量與單元相當(dāng)。作為優(yōu)選，所述的預(yù)留孔位為與平面型矢量水聽(tīng)器單元等直徑等厚度的圓孔，并以硬質(zhì)泡沫方塊的中心呈上下、左右對(duì)稱分布，硬質(zhì)泡沫方塊的四角有四個(gè)定位安裝孔。作為優(yōu)選，所述的平面型矢量水聽(tīng)器單元是以雙壓電晶片為敏感元件的同振柱形矢量水聽(tīng)器，外殼內(nèi)包含由壓電材料圓片和彈性片構(gòu)成的三疊片結(jié)構(gòu)，雙壓電晶片由兩片壓電材料圓片按相反極化方向?qū)ΨQ地通過(guò)膠層粘貼在彈性片的兩側(cè)，彈性片粘貼固定于外殼中。本發(fā)明有益的效果是有效地發(fā)揮矢量水聽(tīng)器在舷側(cè)陣上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，提供一種適于工程實(shí)際應(yīng)用的平面型矢量水聽(tīng)器模塊。該模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝穩(wěn)定，同時(shí)具有較好的適裝性。本發(fā)明在工作頻帶范圍內(nèi)，具有“8”字形接收指向性圖，自由場(chǎng)聲壓靈敏度每倍頻
3程上升6dB。本發(fā)明平均密度約為1.05g/cm3，在水中基本實(shí)現(xiàn)零浮力要求。和水聽(tīng)器單元相比，該模塊自由場(chǎng)聲壓靈敏度提高約9dB。本發(fā)明應(yīng)用于舷側(cè)陣，一方面，由于矢量水聽(tīng)器拾取振速信號(hào)，而振速信號(hào)在軟障板前具有量值最大、法線方向變化最平緩的優(yōu)點(diǎn)，從而無(wú)需厚重的信號(hào)調(diào)節(jié)板，可以大大降低舷側(cè)陣的重量。另一方面，由于矢量水聽(tīng)器具有很好的指向性，可以提高對(duì)能流方向主要平行于艇殼方向的振動(dòng)分量的抑制能力，為降低本艇振動(dòng)噪聲的影響提供了物理機(jī)制。


圖1本發(fā)明安裝結(jié)構(gòu)示意圖2本發(fā)明采用平面型矢量水聽(tīng)器單元剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3本發(fā)明實(shí)施例接收指向性實(shí)測(cè)圖1 ； 圖4本發(fā)明實(shí)施例接收指向性實(shí)測(cè)圖2 ； 圖5本發(fā)明實(shí)施例接收指向性實(shí)測(cè)圖3 ； 圖6本發(fā)明實(shí)施例接收指向性實(shí)測(cè)圖4 ； 圖7本發(fā)明實(shí)施例自由場(chǎng)聲壓靈敏度實(shí)測(cè)圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明1—平面型矢量水聽(tīng)器單元，2——硬質(zhì)泡沫方塊，3——聚氨酯灌注層，4——電極，5——安裝定位孔，6——輸出電纜，7——壓電材料圓片，8——膠層， 9——彈性片，10——外殼。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明
本發(fā)明所述的這種平面型矢量水聽(tīng)器模塊安裝結(jié)構(gòu)如附圖1所示。它的主體由平面型矢量水聽(tīng)器單元1、硬質(zhì)泡沫塑料2和聚氨酯灌注層3構(gòu)成。平面型矢量水聽(tīng)器單元1鑲嵌安裝于與其相同厚度的硬質(zhì)泡沫方塊2的預(yù)留孔位中，兩者緊密接觸且由聚氨酯灌注層 3完全包覆，兩者緊密接觸，不留空隙，且由聚氨酯灌注層3完全包覆，實(shí)現(xiàn)水密和水中零浮力要求。同時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需要，將水聽(tīng)器形狀調(diào)整為弧面。內(nèi)部平面型矢量水聽(tīng)器單元 1的串、并聯(lián)方式可根據(jù)接收系統(tǒng)對(duì)大面積薄板型矢量水聽(tīng)器的靈敏度與電容量的要求確定。串聯(lián)方式可提高水聽(tīng)器靈敏度、并聯(lián)方式可提高水聽(tīng)器電容量，可采用串、并聯(lián)混用方式。其中，平面型矢量水聽(tīng)器單元1(如附圖2所示)是以雙壓電晶片為敏感元件的同振柱形矢量水聽(tīng)器，由壓電材料圓片7、彈性片9和外殼10組件構(gòu)成，外殼10內(nèi)包含由壓電材料圓片7和彈性片9構(gòu)成的三疊片結(jié)構(gòu)，兩片壓電材料圓片7按相反極化方向?qū)ΨQ地通過(guò)膠層粘貼在彈性片9的兩側(cè)，彈性片9粘貼固定于外殼10中。本實(shí)施例中，平面型矢量水聽(tīng)器單元1選用鋯鈦酸鉛(PZT-5A)壓電陶瓷片作為壓電材料圓片7，其尺寸為 Φ30^Χ1. Omm (彈性片可以選用金屬材料，也可選用有機(jī)材料，如環(huán)氧樹(shù)脂等)；彈性片9 采用環(huán)氧樹(shù)脂，其尺寸為Φ38πιπιΧ0. 5mm ；將兩片壓電材料圓片7按相反極化方向?qū)ΨQ地用高溫環(huán)氧膠粘貼在彈性片9的兩側(cè)，并注意保證同心度，導(dǎo)線的連接方式如附圖2所示，再用504膠將彈性片9固定于在上下外殼10中。本發(fā)明由9個(gè)平面型矢量水聽(tīng)器單元1組成，3個(gè)平面型矢量水聽(tīng)器單元1為一組并聯(lián)連接形成三組單元，平面型矢量水聽(tīng)器單元1的正負(fù)極焊接于電極4上，三組單元之間用導(dǎo)線串聯(lián)連接，正負(fù)極引出線與輸出電纜6相連；9個(gè)平面型矢量水聽(tīng)器單元1鑲嵌安裝在方形的硬質(zhì)泡沫方塊2中的預(yù)留孔位中。所述的預(yù)留孔位為與平面型矢量水聽(tīng)器單元1等直徑等厚度的圓孔，并以硬質(zhì)泡沫方塊2的中心呈上下、左右對(duì)稱分布，硬質(zhì)泡沫方塊2的四角有四個(gè)定位安裝孔5，供灌注定位及安裝時(shí)用，同時(shí)，必須具有較好的剛性，使大面積薄板型矢量水聽(tīng)器的諧振頻率在其工作頻率范圍之外。選用加速度響應(yīng)一致性較好的9個(gè)平面型矢量水聽(tīng)器單元1，噴砂處理后鑲嵌安裝于尺寸為140mmX 140mm X 20mm的硬質(zhì)泡沫方塊2預(yù)留孔位中。將6根 IOOmmX2mmX0. 2mm的銅皮經(jīng)砂紙打磨后，用504膠粘貼在如附圖1所示位置作為電極正反兩面各3條。先將同一行的三個(gè)水聽(tīng)器單元的正負(fù)極分別焊接于其上方對(duì)應(yīng)的正反兩面的電極4上，再將三組水聽(tīng)器用導(dǎo)線串聯(lián)起來(lái)，正負(fù)極引出線與輸出電纜6相連。利用四個(gè)定位孔將其整體固定于灌注模具中，并用聚氨酯灌注，灌注后模塊的尺寸為 180mmX 180mm X 30mm。附圖3-6為該實(shí)施例的接收指向性實(shí)測(cè)圖，試件編號(hào)為2#，圖3中測(cè)試頻率: 1000Hz，凹點(diǎn)深度46. 4dB，最大值不均勻性0. OdB ；圖4中測(cè)試頻率:500Hz，凹點(diǎn)深度 45. 7dB，最大值不均勻性0. 4dB;圖5中測(cè)試頻率630Hz，凹點(diǎn)深度40. 3dB，最大值不均勻性:1. OdB ；圖6中測(cè)試頻率:800Hz,凹點(diǎn)深度28. 3dB，最大值不均勻性0. IdB ；從圖中可以看到，該平面型矢量水聽(tīng)器模塊在工作頻帶內(nèi)具有較對(duì)稱的“8”字形接收指向性圖。附圖7為該實(shí)施例的自由場(chǎng)聲壓靈敏度實(shí)測(cè)圖，從圖中可以看到，該平面型矢量水聽(tīng)器模塊自由場(chǎng)聲壓靈敏度每倍頻程上升6dB。除上述實(shí)施例外，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種大面積薄板型矢量水聽(tīng)器，其特征是包括一組平面型矢量水聽(tīng)器單元(1)、硬質(zhì)泡沫方塊(2 )和聚氨酯灌注層(3 )，平面型矢量水聽(tīng)器單元(1)鑲嵌安裝于與其相同厚度的硬質(zhì)泡沫方塊(2)的預(yù)留孔位中，兩者緊密接觸且由聚氨酯灌注層(3)完全包覆，平面型矢量水聽(tīng)器單元(1)之間采用串、并聯(lián)混用連接結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積薄板型矢量水聽(tīng)器，其特征是由9個(gè)平面型矢量水聽(tīng)器單元(1)組成，3個(gè)平面型矢量水聽(tīng)器單元(1)為一組并聯(lián)連接形成三組單元，平面型矢量水聽(tīng)器單元(1)的正負(fù)極焊接于電極(4)上，三組單元之間用導(dǎo)線串聯(lián)連接，正負(fù)極引出線與輸出電纜(6)相連；9個(gè)平面型矢量水聽(tīng)器單元(1)鑲嵌安裝在方形的硬質(zhì)泡沫方塊 (2)中的預(yù)留孔位中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大面積薄板型矢量水聽(tīng)器，其特征是所述的預(yù)留孔位為與平面型矢量水聽(tīng)器單元(1)等直徑等厚度的圓孔，并以硬質(zhì)泡沫方塊(2)的中心呈上下、左右對(duì)稱分布，硬質(zhì)泡沫方塊(2)的四角有四個(gè)定位安裝孔(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的大面積薄板型矢量水聽(tīng)器，其特征是所述的平面型矢量水聽(tīng)器單元(1)是以雙壓電晶片為敏感元件的同振柱形矢量水聽(tīng)器，外殼(10)內(nèi)包含由壓電材料圓片(7)和彈性片(9)構(gòu)成的三疊片結(jié)構(gòu)，兩片壓電材料圓片(7)按相反極化方向?qū)ΨQ地通過(guò)膠層粘貼在彈性片(9)的兩側(cè)，彈性片(9)粘貼固定于外殼(10)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大面積薄板型矢量水聽(tīng)器，包括一組平面型矢量水聽(tīng)器單元、硬質(zhì)泡沫方塊和聚氨酯灌注層，平面型矢量水聽(tīng)器單元鑲嵌安裝于與其相同厚度的硬質(zhì)泡沫方塊的預(yù)留孔位中，兩者緊密接觸且由聚氨酯灌注層完全包覆，平面型矢量水聽(tīng)器單元之間采用串、并聯(lián)混用連接結(jié)構(gòu)。本發(fā)明有益的效果是有效地發(fā)揮矢量水聽(tīng)器在舷側(cè)陣上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，提供一種適于工程實(shí)際應(yīng)用的平面型矢量水聽(tīng)器模塊。該模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝穩(wěn)定，同時(shí)具有較好的適裝性。本發(fā)明在工作頻帶范圍內(nèi)，具有“8”字形接收指向性圖，自由場(chǎng)聲壓靈敏度每倍頻程上升6dB。本發(fā)明平均密度約為1.05g/cm3,在水中基本實(shí)現(xiàn)零浮力要求。
文檔編號(hào)G01H11/06GK102183293SQ201110048680
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月1日
發(fā)明者孫偉, 孟洪, 白琳瑯, 葛輝良, 許欣然, 鄭震宇 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所