專利名稱：基于壓電式速度傳感器的三維矢量水聽器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種矢量水聽器，特別是一種采用壓電式速度傳感器作為拾 振單元的同振式矢量水聽器。
(二)
背景技術(shù)：
矢量水聽器內(nèi)部一般均采用加速度傳感器作為拾振單元，它可以時間同歩、 空間共點測得水下聲場中質(zhì)點處的振動加速度，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過積分運算就可以 獲得該質(zhì)點處的振動速度和位移。而基于加速度傳感器的矢量水聽器，其矢量通 道的靈敏度隨著工作頻率的降低而減小。目前低頻段(低于1000Hz)的矢量水 聽器在水聲領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
在2007年哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文"10-100Hz矢量水聽器研制及其測 試方法研究"、"聲學(xué)技術(shù)"2007年第26巻第5期第193-195頁中，公開了一種 采用動圈式速度傳感器制成的矢量水聽器，頻帶上限為100Hz，三個通道的自 由場電壓靈敏度低于-210dB。矢量水聽器內(nèi)部采用的是只能水平方向工作 和垂直方向工作的六只有極性動圈式振速傳感器，使用時若矢量水聽器的通道軸 偏離水平或垂直方向大于IO度時，動圈式傳感器就不能工作，這是受動圈式速 度傳感器工作原理的限制，這樣嚴重制約了矢量水聽器的實際工程應(yīng)用。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種通道軸向不受水平傾角和垂直傾角限制的，在工 作頻帶內(nèi)通道靈敏度保持不變的基于壓電式速度傳感器的三維矢量水聽器。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
它包括球形體，設(shè)置在球形體中的懸掛元件、速度傳感器， 一根多芯輸出帶 電纜；所述的速度傳感器包括三只壓電式速度傳感器，三只壓電式速度傳感器通 過連接桿依次連接；四個懸掛元件的一端固定在中間的一只壓電式速度傳感器 上、另一端伸出球形體；所述的球形體是實心球體。
本發(fā)明還可以包括
1、所述的四個懸掛元件均勻分布，且與中間的壓電式速度傳感器剛性連接。2、 所述的三只壓電式速度傳感器分別沿垂直方向依次放置，它們的軸向分 別指向X、 Z、 Y三個坐標方向。
3、 所述的連接后的三只壓電式速度傳感器所構(gòu)成整體的重心、幾何中心與 實心球體的重心、幾何中心重合。
4、 所述的球形體是由環(huán)氧樹脂與玻璃微珠的混合物進行整體灌封所形成的 平均密度為lg/cm'實心體。
本發(fā)明提出了一種新型的基于壓電式速度傳感器的三維球形矢量水聽器，設(shè) 計中采用了三只壓電式加速度傳感器分別作為矢量水聽器的三個拾振單元，可以 滿足矢量水聽器的設(shè)計要求，但由于采用了無極性的速度傳感器，可以保證矢量 水聽器在任意傾角下均能正常工作；還由于采用了壓電式速度速度傳感器，與內(nèi) 部采用加速度傳感器的矢量水聽器相比，低頻段的通道靈敏度提高了幾十分貝， 且通道靈敏度與頻率無關(guān)。同時矢量水聽器結(jié)構(gòu)簡單、在水中還具有中性浮力， 這些優(yōu)勢使其在工程應(yīng)用中具有非常好的應(yīng)用前景。本發(fā)明的基于壓電式速度傳 感器的三維矢量水聽器是在同振球形矢量水聽器的理論基礎(chǔ)上，采用壓電式、無 極性速度傳感器作為內(nèi)部拾振單元設(shè)計的，與采用動圈式、有極性速度傳感器的 矢量水聽器相比，實際工程應(yīng)用時不再受傾角的限制，使用極其方便，而且通道 靈敏度大大提高了。
本發(fā)明的理論基礎(chǔ)依舊是同振球形矢量水聽器設(shè)計的理論，也就是如果聲學(xué) 剛硬球體的幾何尺寸遠小于聲波波長(即kL〈<l， k是波數(shù)，L是剛硬球的最大 直徑)，則其在水中聲波的作用下做自由運動時，剛硬球體的振動速度幅值V與 聲場中球體幾何中心處水質(zhì)點的振動速度幅值V。之間存在如下關(guān)系
+ P。
式中——剛硬球體的平均密度；P?！橘|(zhì)密度。
由公式可知，當剛硬球體的平均密度P等于水介質(zhì)密度Pn時，其振動速度
幅值V與聲場中球體幾何中心處水質(zhì)點的振動速度幅值V。相同，這樣只要剛硬球 體的有可以拾取該振動的拾振單元，就可以獲得聲場中球體幾何中心處水質(zhì)點的 振動速度。
工程應(yīng)用中，將矢量水聽器借助彈性元件懸掛于大的支架上，并將其置于水中。當水中被測信號引起矢量水聽器中心處水質(zhì)點振動時，矢量水聽器便與水質(zhì) 點一起運動，它們運動的幅值與相位基本相同，這樣矢量水聽器內(nèi)部的拾振單元 就可以獲得水質(zhì)點的振動速度，并將振動速度信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。
所以本發(fā)明的優(yōu)點是矢量水聽器的平均密度與水介質(zhì)密度接近；在2000 赫茲以下的工作頻帶內(nèi)通道靈敏度高，且與頻率無關(guān)；矢量水聽器具有良好的余 弦指向性；工作時不受傾角的限制。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于水聲各領(lǐng)域，如聲納 浮標、低噪聲運動目標的測量、目標定位等。
(四)


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明的剖面圖(包含模具)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述
結(jié)合圖1。本發(fā)明的組成包括一個帶有一根多芯輸出帶的電纜[5]、四個懸 掛桿[4]、三個壓電式速度傳感器[l]、連接桿[2]和實心球體[3]。四個懸掛桿均 勻分布在球體的外表面。三只壓電式速度傳感器分別沿垂直方向依次放置，它們 的軸向分別指向X、 Z、 Y三個坐標方向。
本發(fā)明的制備方法為首先，采用將三只壓電式速度傳感器[l]借助連接桿 [2]沿垂直方向剛性連接，然后將四個懸掛桿[4]均勻固定于中間的速度傳感器[1] 上，將連接好的帶有四個懸掛桿[4]的三只速度傳感器[1]置于球形的模具[6]中， 用環(huán)氧樹脂與玻璃微珠組成的混合物[3]進行整體灌封，模具[6]有電纜輸出端 [5]?；旌衔颷3]固化后，脫去模具[6]。得到矢量水聽器整體外殼直徑170ram， 平均密度為lg/cn^左右，工作頻帶為20—2000Hz,自由場電壓靈敏度級為-190dB
權(quán)利要求
1、一種基于壓電式速度傳感器的三維矢量水聽器，它包括球形體，設(shè)置在球形體中的懸掛元件、速度傳感器，一根多芯輸出帶電纜；其特征是所述的速度傳感器包括三只壓電式速度傳感器，三只壓電式速度傳感器通過連接桿依次連接；四個懸掛元件的一端固定在中間的一只壓電式速度傳感器上、另一端伸出球形體；所述的球形體是實心球體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電式速度傳感器的三維矢量水聽器，其特 征是所述的四個懸掛元件均勻分布，且與中間的壓電式速度傳感器剛性連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于壓電式速度傳感器的三維矢量水聽器， 其特征是所述的三只壓電式速度傳感器分別沿垂直方向依次放置，它們的軸 向分別指向X、 Z、 Y三個坐標方向。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于壓電式速度傳感器的三維矢量水聽器， 其特征是所述的連接后的三只壓電式速度傳感器所構(gòu)成整體的重心、幾何中 心與實心球體的重心、幾何中心重合。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于壓電式速度傳感器的三維矢量水聽器，其特 征是所述的連接后的三只壓電式速度傳感器所構(gòu)成整體的重心、幾何中心與 實心球體的重心、幾何中心重合。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于壓電式速度傳感器的三維矢量水聽器。它包括球形體，設(shè)置在球形體中的懸掛元件、速度傳感器、一根多芯輸出帶電纜；所述的速度傳感器包括三只壓電式速度傳感器，三只壓電式速度傳感器通過連接桿依次連接；四個懸掛元件的一端固定在中間的一只壓電式速度傳感器上、另一端伸出球形體；所述的球形體是實心球體。本發(fā)明矢量水聽器的平均密度與水介質(zhì)密度接近；在2000赫茲以下的工作頻帶內(nèi)通道靈敏度高，且與頻率無關(guān)；矢量水聽器具有良好的余弦指向性；工作時不受傾角的限制。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于水聲各領(lǐng)域，如聲納浮標、低噪聲運動目標的測量、目標定位等。
文檔編號G01S7/521GK101561313SQ200910072009
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月12日
發(fā)明者楊德森, 洪連進 申請人:哈爾濱工程大學(xué)