專利名稱：高頻小型二維同振柱型矢量水聽器及其工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高頻小型二維同振柱型矢量水聽器及其工藝。
背景技術(shù)：
自1997年引進(jìn)俄羅斯三維低頻矢量水聽器研制技術(shù)至今，我國不僅在短期內(nèi)完全實現(xiàn)了技術(shù)的國產(chǎn)化，而且成功研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代低頻矢量水聽器，目前在國內(nèi)三維低頻矢量水聽器已經(jīng)開始走向工程應(yīng)用，但隨著矢量水聽器在水聲工程各個領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，低頻矢量水聽器已經(jīng)不能滿足要求，對高頻矢量水聽器的需求日益迫切。
一般低頻矢量水聽器是指工作頻帶在1kHz以下的水聽器。眾所周知，水聲工程領(lǐng)域高于1kHz工作頻率的場合較多，需求較大，但是根據(jù)同振型矢量水聽器的工作原理分析可知，如果仿照低頻矢量水聽器的結(jié)構(gòu)設(shè)計高頻矢量水聽器，則其工作的上限頻率僅能達(dá)到5kHz左右，否則頻率再高，則水聽器的幾何尺寸下降到只有幾mm～十幾mm范圍，這在制作工藝上已基本無法實現(xiàn)，除非采用MEMS技術(shù)，但到目前為止較為成熟的可應(yīng)用于水聲換能器領(lǐng)域的硅微技術(shù)仍處于研究階段。在此種情況下，改變矢量水聽器的結(jié)構(gòu)是最直接有效的方法。因此，在充分研究了矢量水聽器基本理論的前提下，高頻小型二維同振柱型矢量水聽器應(yīng)運(yùn)而生，從而滿足了目前對高頻矢量水聽器的需求。
目前國外研制出的高頻矢量水聽器，幾何尺寸均較大，根據(jù)聲學(xué)理論可知，其聲場散射指向性對矢量水聽器的自然指向性的影響較大，可見參考文獻(xiàn)B.A.Гордиенко Векторно-фазовые методвакустике.Москва，Наука，1989p46-66。國內(nèi)在此方面目前尚無公開發(fā)表的資料。

發(fā)明內(nèi)容
為了擴(kuò)展矢量水聽器的工作頻帶，適應(yīng)水聲工程各領(lǐng)域?qū)κ噶克犉魃舷揞l率的要求，本發(fā)明提供一種高頻小型二維同振柱型矢量水聽器，其不僅可以測量水中聲壓標(biāo)量，而且可測得水中X、Y兩個方向的質(zhì)點振速，并且體積小、重量輕、靈敏度高、指向性好，克服了其他結(jié)構(gòu)的高頻矢量水聽器體積大、指向性差的缺點。
本發(fā)明的構(gòu)成是，將測振傳感器[3]置于帶有導(dǎo)線孔[4]的矢量通道柱形外殼體[1]內(nèi)，然后將其灌封在粘有PVDF薄膜[5]的有機(jī)玻璃殼體[2]內(nèi)，最后采用聚氨酯膠體灌注整只水聽器，使用時將該矢量水聽器用8根彈簧通過懸掛孔[7]懸置在一個剛性框架上。該矢量水聽器采用PVDF薄膜水聽器來獲取聲場標(biāo)量信息，采用測振傳感器[3]來獲取聲場矢量信息。由于測振傳感器[3]本身具有橫向靈敏度低、主軸靈敏度高的特性，所以采用這一技術(shù)可保證該發(fā)明具有良好的余弦指向性和很高的聲壓靈敏度。
本水聽器設(shè)計的理論依據(jù)是如果聲學(xué)剛硬柱體的幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(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)動時，剛硬柱體的振動速度幅值V與聲場中柱體幾何中心處水質(zhì)點的振動速度幅值Vo之間存在以下關(guān)系V=2ρ0ρ‾+ρ0V0]]>其中ρ0——水介質(zhì)密度，ρ——剛硬柱體的平均密度。
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，其振動速度幅值V與聲場中柱體幾何中心處水質(zhì)點的振動速度幅值Vo相同，這樣只要剛硬柱體內(nèi)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(zhì)點的振動速度，所以要求該水聽器的整體平均密度應(yīng)接近水介質(zhì)密度，而由于其內(nèi)部測振傳感器[3]為金屬器件，為此其外殼體[1]的密度應(yīng)小于水介質(zhì)密度。
本發(fā)明只選用兩只測振傳感器[3]，將其分別放置在X、Y通道，因此對兩只測振傳感器[3]的靈敏度和相位特性的一致性要求不高，這就避免了低頻矢量水聽器結(jié)構(gòu)中傳感器配對的麻煩，使傳感器的制作相對簡單，更易于實現(xiàn)，也使水聽器的性能可靠性更高，同時減小了體積，降低了密度。
該水聽器的外殼體[1]采用由環(huán)氧樹脂與玻璃微珠組成的混合物利用事先設(shè)計好的模具制作而成，環(huán)氧樹脂與玻璃微珠二者的比例決定混合物的密度，其平均密度約為0.65~0.75g/cm3(不同型號的環(huán)氧樹脂與玻璃微珠混合物密度略有不同)。玻璃微珠是一種絕對剛性的材料，具有化學(xué)惰性，比重較小，與環(huán)氧樹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。
為了使該水聽器的柱形外殼體[1]具有足夠小的密度，必須增大玻璃微珠在混合物中的含量，但是同時還應(yīng)保證混合物具有良好的流動性，并且混合物中玻璃微珠之間沒有氣泡生成，這樣，在加工過程中分不同的階段按一定比例將環(huán)氧樹脂與玻璃微珠混合后，加入固化劑，倒入模具中，經(jīng)過烘干和對外殼體[1]的內(nèi)外表面的精加工后，就可得到該水聽器的剛性外殼體[1]。
另外，為使水聽器整體平均密度接近水介質(zhì)密度，該水聽器的聲壓通道采用PVDF薄膜材料，其密度小、重量輕，更易于減小水聽器的整體幾何尺寸，滿足設(shè)計的要求。
所以本發(fā)明的優(yōu)點是水聽器整體平均密度低(約為1.1g/cm3左右)，幾何尺寸小(最小直徑可達(dá)20mm左右)，具有較好的余弦指向性，在測得聲壓標(biāo)量的同時可以獲得水中質(zhì)點振動速度矢量。因此，該高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(yōu)點可以解決聲納基陣設(shè)計問題。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)、低噪聲測量系統(tǒng)、雙基地聲納系統(tǒng)、魚雷導(dǎo)航系統(tǒng)、水下通訊系統(tǒng)、應(yīng)答器等，完成高頻測量任務(wù)。


圖1是高頻小型二維同振柱型矢量水聽器矢量通道柱形外殼體剖面示意2是高頻小型二維同振柱型矢量水聽器有機(jī)玻璃殼體剖面示意圖具體實施方式
首先，采用環(huán)氧樹脂與玻璃微珠混合物制成帶有導(dǎo)線孔[4]的矢量通道柱形外殼體[1]，其次將測振傳感器[3]灌置其中，然后將矢量通道柱形外殼體[1]置于粘有PVDF薄膜[5]的有機(jī)玻璃殼體[2]中，最后采用聚氨酯膠體整體灌封形成水聽器，其電纜輸出端[6]置于柱體上端面上，在水聽器上下端面分別對稱預(yù)留懸掛孔[7]8個。其中測振傳感器[3]一般選用鈦合金與黃銅材料制作，其尺寸為φ10mm×18mm。該水聽器整體外殼直徑小于50mm，重量為100g左右，工作頻帶為1kHz～10kHz，自由場電壓靈敏度為-190dB(0dB re 1V/μPa，測試頻率10kHz)。
在實際使用過程中，將該矢量水聽器用彈簧懸置在固定支架上，然后置于水中，即可獲得水中聲場的標(biāo)、矢量信息。
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)、低噪聲測量系統(tǒng)、雙基地聲納系統(tǒng)、魚雷導(dǎo)航系統(tǒng)、水下通訊系統(tǒng)、應(yīng)答器等，完成高頻測量任務(wù)。
權(quán)利要求
1.一種高頻小型二維同振柱型矢量水聽器及其工藝，其特征在于該水聽器包括帶有導(dǎo)線孔[4]的矢量通道柱形外殼體[1]、在該殼體[1]內(nèi)部安放的兩只正交測振傳感器[3]并置于有機(jī)玻璃殼體[2]內(nèi)；并采用8根彈簧將矢量水聽器通過懸掛孔[7]懸置在剛性框架上。
2.如權(quán)利要求1所述的高頻小型二維同振柱型矢量水聽器及其工藝，其特征在于矢量通道柱形外殼體[1]的工藝是由低密度材料通過模具灌制成型。
3.如權(quán)利要求1所述的高頻小型二維同振柱型矢量水聽器及其工藝，其特征在于有機(jī)玻璃殼體[2]外粘有PVDF薄膜。
4.如權(quán)利要求2所述的高頻小型二維同振柱型矢量水聽器及其工藝，其特征在于矢量通道柱形外殼體[1]的低密度材料是環(huán)氧樹脂與玻璃微珠按一定比例的混合物質(zhì)，一般情況下該混合物密度為0.65～0.75g/cm3，不同型號的環(huán)氧樹脂與玻璃微珠混合物密度略有不同。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種高頻小型二維同振柱型矢量水聽器及其工藝，它是由帶有導(dǎo)線孔的矢量通道柱形殼體和殼體內(nèi)兩只測振傳感器以及粘有PVDF薄膜的有機(jī)玻璃殼體和懸掛裝置組成，矢量通道柱形殼體是由低密度的環(huán)氧樹脂與玻璃微珠混合物使用模具灌制而成。該水聽器不僅可以測量水中聲壓標(biāo)量，而且可測得水中質(zhì)點振速，因此，與其他結(jié)構(gòu)的高頻矢量水聽器相比，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，利用該水聽器的上述優(yōu)點可以解決聲納基陣設(shè)計問題。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)、低噪聲測量系統(tǒng)、雙基地聲納系統(tǒng)、魚雷導(dǎo)航系統(tǒng)、水下通訊系統(tǒng)、應(yīng)答器等，完成高頻測量任務(wù)。
文檔編號G01H3/00GK1648621SQ200510009700
公開日2005年8月3日 申請日期2005年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月2日
發(fā)明者楊士莪, 陳洪娟, 王智元, 洪連進(jìn) 申請人:哈爾濱工程大學(xué)