專利名稱：二維翼型同振式矢量水聽(tīng)器及其工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用雙迭片作為敏感元件的二維翼型同振式矢量水聽(tīng)器及其工藝。
背景技術(shù)：
本世紀(jì)初，我國(guó)水聲技術(shù)領(lǐng)域最有發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较蛑皇鞘噶克?tīng)器技術(shù)。矢量水聽(tīng)器(vector hydrophone)通常也稱矢量傳感器(vector sensor)，它可以空間共點(diǎn)、時(shí)間同步測(cè)得聲場(chǎng)中某點(diǎn)處的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速，或聲壓和質(zhì)點(diǎn)加速度，或聲壓和聲壓梯度等水下聲場(chǎng)中的標(biāo)量和矢量信息。
矢量水聽(tīng)器根據(jù)工作原理不同，可分為兩大類壓差式矢量水聽(tīng)器(也稱作雙聲壓式矢量水聽(tīng)器)和同振式矢量水聽(tīng)器。按照敏感元件材料不同又可分為壓電式、磁致伸縮式、電動(dòng)(感應(yīng))式、電容(靜電)式、電磁式以及光纖式矢量水聽(tīng)器，在水聲測(cè)量中廣泛采用的是以壓電陶瓷為敏感元件的壓電式矢量水聽(tīng)器。
目前在水聲工程各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用的是同振式矢量水聽(tīng)器，特別是在低頻段。一般，同振式矢量水聽(tīng)器在設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)部采用中心壓縮式振動(dòng)傳感器作為敏感元件，該類傳感器體積大、重量大，因此由其裝配而成的整只矢量水聽(tīng)器最大直徑達(dá)220mm、重7公斤。盡管該矢量水聽(tīng)器靈敏度較高，但是其幾何尺寸大、重量大、密度高的特點(diǎn)，嚴(yán)重限制了其在工程上的應(yīng)用。眾所周知，水聲工程領(lǐng)域?qū)Τ申嚰夹g(shù)較為關(guān)注，需求較多，如果采用仿俄的這種低頻矢量水聽(tīng)器研究成陣技術(shù)，則會(huì)使陣孔徑增加、重量過(guò)重，工程上使用極其不便。因此，低頻小型矢量水聽(tīng)器應(yīng)運(yùn)而生。采用雙迭片作為敏感元件的二維翼型同振式矢量水聽(tīng)器，結(jié)合傳統(tǒng)聲壓水聽(tīng)器的工作原理設(shè)計(jì)的，從而滿足了目前對(duì)低頻矢量水聽(tīng)器小型化的需求。國(guó)內(nèi)外研制出的低頻小型矢量水聽(tīng)器種類較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但外形基本是球形或柱型，可見(jiàn)參考文獻(xiàn)Векторно-фазовые методы вакустике Ответственный редактор академик В.И.ИЛЬИЧЕВ.МОСКВА，НАУКА，1989p46-66。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種采用雙迭片作為敏感元件的二維翼型同振式矢量水聽(tīng)器，該矢量水聽(tīng)器第一次采用雙迭片翼型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并獲得較高靈敏度和較理想的指向特性。二維翼型同振式矢量水聽(tīng)器是在同振式矢量水聽(tīng)器的理論基礎(chǔ)上，采用傳統(tǒng)雙迭片作為內(nèi)部振動(dòng)敏感元件(雙迭片由粘在金屬基座上的上下兩片壓電陶瓷片組成)設(shè)計(jì)的，這種結(jié)構(gòu)同壓縮式敏感元件相比，由于缺少了質(zhì)量塊而大大降低了質(zhì)量，而且由于雙迭片橫向靈敏度低又大大改善了水聽(tīng)器的指向特性。另外，與球形或柱形結(jié)構(gòu)相比翼型結(jié)構(gòu)由于去掉了傳感器周圍部分填充物，又進(jìn)一步降低了水聽(tīng)器的重量，并且使雙迭片的優(yōu)勢(shì)得到更好的發(fā)揮。它可測(cè)得水中X、Y兩個(gè)方向的質(zhì)點(diǎn)振速，體積小、重量輕、靈敏度較高、指向性較好，克服了同頻段其他結(jié)構(gòu)的矢量水聽(tīng)器體積大、質(zhì)量高的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的構(gòu)成是，由粘在金屬基座[1]上的上下兩片壓電陶瓷片[2]組成的雙迭片振子和帶有用于引出導(dǎo)線的導(dǎo)線孔[3]的四個(gè)長(zhǎng)方形外殼體[4]以及圓柱形基座[5]組成。其中雙迭片振子放在長(zhǎng)方形外殼體[4]內(nèi)部，而四個(gè)長(zhǎng)方形外殼體[4]呈翼型對(duì)稱置于圓柱形基座[5]兩側(cè)。由于雙迭片振子本身體積小、重量輕、并具有較低的橫向靈敏度，所以采用這一技術(shù)不僅可以降低矢量水聽(tīng)器的密度、減小體積、提高靈敏度，而且可保證該發(fā)明具有良好的余弦指向性。
本發(fā)明的制作工藝是，利用事先設(shè)計(jì)好的模具制作該水聽(tīng)器的四個(gè)翼型外殼體[4]和圓柱形基座[5]，雙迭片固定在外殼體[4]內(nèi)部，四個(gè)外殼體[4]對(duì)稱固定在圓柱形基座[5]兩側(cè)呈翼型結(jié)構(gòu)，水聽(tīng)器整體采用由環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃微珠組成的低密度復(fù)合材料灌封而成。
該水聽(tīng)器的四個(gè)翼型外殼體[4]口圓柱形基座[5]也采用由環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃微珠組成的低密度復(fù)合材料灌封而成。環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃微珠二者的比例決定低密度復(fù)合材料的密度，其平均密度約為0.65～0.75g/cm3(不同型號(hào)的環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃微珠混合物密度略有不同)。玻璃微珠是一種絕對(duì)剛性的材料，具有化學(xué)惰性，比重較小，與環(huán)氧樹(shù)脂混合后能承受很大的壓力，該混合物具有很高的硬度、高機(jī)械強(qiáng)度、極低的吸濕性和良好的介電特性，并且能抗有害物質(zhì)腐蝕。
本發(fā)明的理論依據(jù)是如果聲學(xué)剛硬柱體的幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)(即kL＜＜1，k是波數(shù)，L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(yùn)動(dòng)時(shí)，剛硬柱體的振動(dòng)速度幅值V與聲場(chǎng)中柱體幾何中心處水質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度幅值V0之間存在以下關(guān)系V=2ρ0ρ‾+ρ0V0]]>其中ρ0——水介質(zhì)密度，ρ——?jiǎng)傆仓w的平均密度。
由公式可知，當(dāng)剛硬柱體的平均密度ρ等于水介質(zhì)密度ρ0時(shí)，其振動(dòng)速度幅值V與聲場(chǎng)中柱體幾何中心處水質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度幅值V0相同，這樣只要?jiǎng)傆仓w內(nèi)部有可以拾取該振動(dòng)速度的傳感器件即可獲得聲場(chǎng)中柱體幾何中心處水質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度。
在實(shí)際使用時(shí)，將該矢量水聽(tīng)器用彈簧懸置在固定支架上，然后置于水中。當(dāng)水中聲波引起該水聽(tīng)器聲中心處水質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)，該水聽(tīng)器與水質(zhì)點(diǎn)將一起振動(dòng)，振動(dòng)的幅值和相位基本相同，這樣水聽(tīng)器內(nèi)部的雙迭片振子即可拾得水質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，并將振動(dòng)速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。
所以本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是水聽(tīng)器整體平均密度低(約為1.0g/cm3左右)，幾何尺寸小(最小直徑可達(dá)60mm左右)，具有較好的余弦指向性。因此，該低頻矢量水聽(tīng)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(tīng)器的上述優(yōu)點(diǎn)可以解決聲納基陣設(shè)計(jì)問(wèn)題。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于水聲各領(lǐng)域，如聲納浮標(biāo)系統(tǒng)、低噪聲測(cè)量系統(tǒng)、雙基地聲納系統(tǒng)、魚(yú)雷導(dǎo)航系統(tǒng)、水下通訊系統(tǒng)、應(yīng)答器等，完成低頻測(cè)量任務(wù)。


圖1是二維翼型同振式矢量水聽(tīng)器長(zhǎng)方形外殼體剖面示意2是二維翼型同振式矢量水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
首先，將由環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃微珠混合而成的低密度復(fù)合材料加入固化劑，倒入模具中，經(jīng)過(guò)烘干、脫模制成帶有導(dǎo)線孔[3]的長(zhǎng)方形外殼體[4]四個(gè)，其次將雙迭片分別放置其中，然后將四個(gè)長(zhǎng)方形外殼體[4]分別對(duì)稱呈翼型置于圓柱形基座[5]兩側(cè)，最后采用環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃微珠混合而成的低密度復(fù)合材料整體灌封形成水聽(tīng)器，其電纜輸出端[6]置于圓柱形基座[5]的上端面上，在水聽(tīng)器長(zhǎng)方形外殼體[4]上下端面分別對(duì)稱預(yù)留懸掛孔[7]8個(gè)。其中雙迭片一般選用壓電陶瓷圓片或長(zhǎng)方形片與鋁合金材料制作。目前該水聽(tīng)器樣品整體外殼直徑80mn，重量為80g左右，工作頻帶為200Hz～5kHz，自由場(chǎng)電壓靈敏度為-200dB(0dB re1V/μPa，測(cè)試頻率1kHz)。
本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于水聲各領(lǐng)域，如聲納浮標(biāo)系統(tǒng)、低噪聲測(cè)量系統(tǒng)、雙基地聲納系統(tǒng)、魚(yú)雷導(dǎo)航系統(tǒng)、水下通訊系統(tǒng)、應(yīng)答器等，完成高頻測(cè)量任務(wù)。
權(quán)利要求
1.一種二維翼型同振式矢量水聽(tīng)器及其工藝，其特征在于該水聽(tīng)器包括由粘在金屬基座[1]上的上下兩片壓電陶瓷片[2]組成的雙迭片振子和帶有用于引出導(dǎo)線的導(dǎo)線孔[3]的4個(gè)長(zhǎng)方形外殼體[4]以及圓柱形基座[5]；其中雙迭片振子置于長(zhǎng)方形外殼體[4]內(nèi)部，而4個(gè)長(zhǎng)方形外殼體[4]呈翼型對(duì)稱置于圓柱形基座[5]兩側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的二維翼型同振式矢量水聽(tīng)器及其工藝，其特征在于4個(gè)長(zhǎng)方形外殼體[4]的翼型分布結(jié)構(gòu)的制作工藝是由低密度復(fù)合材料通過(guò)事先設(shè)計(jì)好的模具灌封而成，該低密度復(fù)合材料是環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃微珠按一定比例的混合物質(zhì)，該混合物密度為0.65～0.75g/cm3。
3.如權(quán)利要求1所述的二維翼型同振式矢量水聽(tīng)器及其工藝，其特征在于采用8根彈簧將矢量水聽(tīng)器通過(guò)8個(gè)懸掛孔[7]懸置在剛性框架上。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種二維翼型同振式矢量水聽(tīng)器及其工藝，它是由帶有導(dǎo)線孔的長(zhǎng)方形外殼體和殼體內(nèi)雙迭片以及長(zhǎng)方形外殼體呈翼型放置的圓柱形基座和懸掛裝置組成，長(zhǎng)方形外殼體是由低密度的環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃微珠混合物使用模具灌制而成。該水聽(tīng)器與其他結(jié)構(gòu)的低頻矢量水聽(tīng)器相比，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(tīng)器的上述優(yōu)點(diǎn)可以解決聲納基陣設(shè)計(jì)問(wèn)題。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于水聲各領(lǐng)域，如聲納浮標(biāo)系統(tǒng)、低噪聲測(cè)量系統(tǒng)、雙基地聲納系統(tǒng)、魚(yú)雷導(dǎo)航系統(tǒng)、水下通訊系統(tǒng)、應(yīng)答器等，完成高頻測(cè)量任務(wù)。
文檔編號(hào)H04R1/44GK1776379SQ20051012731
公開(kāi)日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者陳洪娟, 洪連進(jìn) 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)