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专利名称：一种低噪声矢量水听器

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211507139.6

专利申请（专利权）人：深海技术科学太湖实验室,中国船舶科学研究中心
权利人地址：江苏省无锡市滨湖区山水东路222号

专利发明（设计）人：周宏坤,葛锡云,赵俊波,魏柠阳,高宇航

专利摘要：本发明涉及一种低噪声矢量水听器，包括矢量水听器，所述矢量水听器的具体结构为：包括一只压电加速度计，一只声压传感器，一个前置放大电路以及一个铝合金壳体，所述铝合金壳体的内壁面下方位置固定有环形限位肋，环形限位肋上方的铝合金壳体的内壁面通过环氧树脂胶安装压电加速计，铝合金壳体内侧底部位置粘接有压电圆片，直接构成声压传感器；压电加速度计的顶面通过四根铜柱固定安装有前置放大电路，可用于测量海洋环境噪声以及探测海洋水下目标，在海洋环境监测，海洋生物资源调查以及港口航道与海岸的水下警戒等方面具有重要的应用价值。

主权利要求：
1.一种低噪声矢量水听器，其特征在于：包括矢量水听器（100），所述矢量水听器（100）的具体结构为：包括一只压电加速度计（110），一只声压传感器（120），一个前置放大电路（130）以及一个铝合金壳体（140），所述铝合金壳体（140）的内壁面下方位置固定有环形限位肋（150），环形限位肋（150）上方的铝合金壳体（140）的内壁面通过环氧树脂胶（160）安装压电加速计（110），铝合金壳体（140）内侧底部位置粘接有压电圆片（121），直接构成声压传感器（120）；压电加速度计（110）的顶面通过四根铜柱（170）固定安装有前置放大电路（130）；所述压电加速度计（110）的结构为：包括压电三叠片（111）、黄铜质量块（117）、顶针（115）、铝合金基座（119），利用导电胶（113）将两片带孔压电圆片（112）分别粘接在黄铜背衬（114）的两侧，构成压电三叠片（111），黄铜背衬（114）内侧设置凹槽；黄铜质量块（117）整体为圆柱体形结构，侧面中线位置均匀加工四个锥形顶针（115），用于悬空支撑黄铜质量块（117），铝合金基座（119）整体为圆柱体形结构，侧面中线位置均匀分布四个带内螺纹的圆形槽，轴向为一个通孔，黄铜质量块（117）位于其中，压盖（116）整体为一个杯状结构，外表面为外螺纹，底部设置六角通孔，利用四个压盖（116）将四片压电三叠片（111）分别固定于铝合金基座（119）侧面四个圆形槽内，同时通过顶针（115）将黄铜质量块（117）和压电三叠片（111）之间固定，黄铜背衬（114）凹槽与顶针（115）头部形状匹配，黄铜质量块（117）与铝合金基座（119）之间的缝隙用聚氨酯橡胶（118）填充；所述声压传感器（120）采用压电双叠片结构；所述声压传感器（120）的具体安装结构为：铝合金壳体（140）底部内外侧位置均加工平面结构，平面结构的内侧外沿设置圆形凹槽（122），压电圆片（121）粘接在圆形凹槽（122）内，平面结构的外侧填充聚氨酯橡胶（118），压电圆片（121）引出导线（123），并将声压信号输送到前置放大电路（130）；所述前置放大电路（130）的结构为：包括一个电压放大器（133）、四个电荷放大器（134）、两个差分放大器（135）和三个低通滤波器（136），一路声压信号（131）首先进到电压放大器（133）完成放大，然后通过低通滤波器（136）滤除高频信号；四路声质点振动信号（132）首先进到电荷放大器（134）完成电荷或电压转换及一级放大，然后进入差分放大器（135）实现二级差分放大，最后通过低通滤波器（136）滤除高频噪声信号；
所述铝合金壳体（140）的顶面中间位置安装有水密接插件（180），用于矢量水听器（100）电缆连接。
2.如权利要求1所述的一种低噪声矢量水听器，其特征在于：所述压电圆片（121）中心开有孔。
3.如权利要求1所述的一种低噪声矢量水听器，其特征在于：所述铝合金壳体（140）采用分体式结构。
4.如权利要求1所述的一种低噪声矢量水听器，其特征在于：所述铝合金壳体（140）分为上下两个部分，相互之间通过环氧树脂胶（160）完成密封。
5.如权利要求1所述的一种低噪声矢量水听器，其特征在于：所述铝合金壳体（140）的上下端面截面呈椭圆形结构。 说明书 : 一种低噪声矢量水听器技术领域[0001] 本发明涉及水听器技术领域，尤其是一种低噪声矢量水听器。背景技术[0002] 海洋环境噪声有其独有的特性，噪声源种类很多，发声机理也各不相同，包括风成噪声、工业噪声、行船噪声、海面波浪噪声、雨噪声、生物噪声、海洋湍流噪声和海水热噪声等等。对海洋环境噪声的研究，是认识海洋的重要过程，是所有声学设备有效使用的基。禄肪吃肷芯慷院Ｑ笱芯、水下声探测和船舶工程都有重要的意义。[0003] 目前，对海洋环境噪声的测量和研究，基本上只使用了声压这一物理量，矢量水听器可以在空间共点同步拾取声场的声压和质点振速三个分量，可以直接测量获取噪声声强信息，从声学能量角度提供了更全面的研究手段，对于噪声源的研究和分析具有重要的研究意义。另外，矢量水听器能够获得等同于四元声压阵声纳系统的性能，并且具有与频率无关的余弦形指向性、较强的抑制各向同性噪声的能力等诸多优点，可以满足对低噪声目标探测的需求。[0004] 海洋环境噪声测量要求矢量水听器具备微弱声信号的检测能力，即较低的自噪声水平(一般要求低于零级海况下海洋环境噪声值)。矢量水听器自噪声和敏感元件及结构参数有关，目前矢量水听器在设计过程中，大部分追求高灵敏度，很少针对自噪声开展设计。[0005] 专利号CN200710072328.4，提出的一种复合同振式高频三轴向矢量水听器，主要由三轴向振动传感器、低密度复合材料组成，特点在于上限工作频率可达12.5kHz。[0006] 专利号CN201110301913.3，提出的一种可用于深水水下的同振式矢量接收器，采用压电片纵向振动的工作方式，特点在于深水、低频水声测量。[0007] 专利号CN202011189207.X，提出的一种复合钹式压电陶瓷换能器的矢量水听器，采用四组钹式压电陶瓷换能器和一个中心惯性体的结构形式，特点在于低频、高灵敏度。[0008] 均未针对自噪声开展设计。发明内容[0009] 本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种低噪声矢量水听器，从而可以方便的完成海洋水下低噪声目标探测。[0010] 本发明所采用的技术方案如下：[0011] 一种低噪声矢量水听器，包括矢量水听器，所述矢量水听器的具体结构为：包括一只压电加速度计，一只声压传感器，一个前置放大电路以及一个铝合金壳体，所述铝合金壳体的内壁面下方位置固定有环形限位肋，环形限位肋上方的铝合金壳体的内壁面通过环氧树脂胶安装压电加速计，铝合金壳体内侧底部位置粘接有压电圆片，直接构成声压传感器；压电加速度计的顶面通过四根铜柱固定安装有前置放大电路。[0012] 其进一步技术方案在于：[0013] 所述压电加速度计的结构为：包括压电三叠片、黄铜质量块、顶针、铝合金基座，利用导电胶将两片带孔压电圆片分别粘接在黄铜背衬的两侧，构成压电三叠片，黄铜背衬内侧设置凹槽；黄铜质量块整体为圆柱体形结构，侧面中线位置均匀加工四个锥形顶针，用于悬空支撑黄铜质量块，铝合金基座整体为圆柱体形结构，侧面中线位置均匀分布四个带内螺纹的圆形槽，轴向为一个通孔，黄铜质量块位于其中，压盖整体为一个杯状结构，外表面为外螺纹，底部设置六角通孔，利用四个压盖将四片压电三叠片分别固定于铝合金基座侧面四个圆形槽内，同时通过顶针将黄铜质量块和压电三叠片之间固定，黄铜背衬凹槽与顶针头部形状匹配，黄铜质量块与铝合金基座之间的缝隙用聚氨酯橡胶填充。[0014] 所述声压传感器采用压电双叠片结构。[0015] 所述声压传感器的具体安装结构为：铝合金壳体底部位置内外侧均加工平面结构，平面结构的内侧外沿设置圆形凹槽，压电圆片粘接在凹槽内，平面结构的外侧填充聚氨酯橡胶，压电圆片引出导线，并将声压信号输送到前置放大电路。[0016] 所述压电圆片中心开有孔。[0017] 所述前置放大电路的结构为：包括一个电压放大器、四个电荷放大器、两个差分放大器和三个低通滤波器，一路声压信号首先进到电压放大器完成放大，然后通过低通滤波器滤除高频信号；四路声质点振动信号首先进到电荷放大器完成电荷或电压转换及一级放大，然后进入差分放大器实现二级差分放大，最后通过低通滤波器滤除高频噪声信号。[0018] 所述铝合金壳体的顶面中间位置安装有水密接插件，用于矢量水听器电缆连接。[0019] 所述铝合金壳体采用分体式结构。[0020] 所述铝合金壳体分为上下两个部分，相互之间通过环氧树脂胶完成密封。[0021] 所述铝合金壳体的上下端面截面呈椭圆形结构。[0022] 本发明的有益效果如下：[0023] (1)本发明提出的矢量水听器在海洋水声测量和探测中，可以检测非常微弱的声信号，包括声波压力信号和声矢量信号，因此可以获得更加精细的海洋噪声场结构，以及发现更低噪声的水下目标；[0024] (2)矢量水听器内部压电加速度计采用差动结构，有助于提高轴向灵敏度、降低横向灵敏度，并能够抑制矢量水听器转动带来的影响；[0025] (3)在压电加速度计中，通过调整质量块大。菀椎髡铀俣燃频牟问籟0026] (4)声压传感器中，压电陶瓷片直接粘接在铝合金外壳内表面，避免了信号线船舱带来的水下密封问题；[0027] (5)矢量水听器采用铝合金外壳，可以有效屏蔽外部电磁干扰，提高测量精度；[0028] (6)矢量水听器铝合金外壳为两端带椭球帽的圆柱体形状，可以减轻流噪声带来的影响。[0029] (7)本发明是基于压电三叠片结构的低噪声矢量水听器，可以适用于海洋环境噪声测量以及海洋水下低噪声目标探测。附图说明[0030] 图1是本发明矢量水听器的结构剖面图。[0031] 图2是本发明压电加速度计的结构剖面面。[0032] 图3是本发明声压传感器的结构示意图。[0033] 图4是本发明前置放大电路的功能示意图。[0034] 其中：100、矢量水听器；110、压电加速度计；120、声压传感器；130、前置放大电路；140、铝合金壳体；150、环形限位肋；160、环氧树脂胶；170、铜柱；180、水密接插件；[0035] 111、压电三叠片；112、带孔压电圆片；113、导电胶；114、黄铜背衬；115、顶针；116、压盖；117、黄铜质量块；118、聚氨酯橡胶；119、铝合金基座；[0036] 121、压电圆片；122、圆形凹槽；123、导线；[0037] 131、声压信号；132、声质点振动信号；133、电压放大器；134、电荷放大器；135、差分放大器；136、低通滤波器。具体实施方式[0038] 下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。[0039] 如图1?图4所示，本实施例的低噪声矢量水听器，包括矢量水听器100，矢量水听器100的具体结构为：包括一只压电加速度计110，一只声压传感器120，一个前置放大电路130以及一个铝合金壳体140，铝合金壳体140的内壁面下方位置固定有环形限位肋150，环形限位肋150上方的铝合金壳体140的内壁面通过环氧树脂胶160安装压电加速度计110，铝合金壳体140内侧底部位置粘接有压电圆片121，直接构成声压传感器120；压电加速度计110的顶面通过四根铜柱170固定安装有前置放大电路130。[0040] 压电加速度计110的结构为：包括压电三叠片111、黄铜质量块117、顶针115、铝合金基座119，利用导电胶113将两片带孔压电圆片112分别粘接在黄铜背衬114的两侧，构成压电三叠片111，黄铜背衬114内侧设置凹槽；黄铜质量块117整体为圆柱体形结构，侧面中线位置均匀加工四个锥形顶针115，用于悬空支撑黄铜质量块117，铝合金基座119整体为圆柱体形结构，侧面中线位置均匀分布四个带内螺纹的圆形槽，轴向为一个通孔，黄铜质量块117位于其中，压盖116整体为一个杯状结构，外表面为外螺纹，底部设置六角通孔，利用四个压盖116将四片压电三叠片111分别固定于铝合金基座119侧面四个圆形槽内，同时通过顶针115将黄铜质量块117和压电三叠片111之间固定，黄铜背衬114凹槽与顶针115头部形状匹配，黄铜质量块117与铝合金基座119之间的缝隙用聚氨酯橡胶118填充。[0041] 本发明六角通孔的设计，主要是可以方便利用内六角扳手拧压盖116，进行上紧。[0042] 声压传感器120采用压电双叠片结构。[0043] 声压传感器120的具体安装结构为：铝合金壳体140内底部位置加工平面结构，，平面结构的内侧外沿设置圆形凹槽122，压电圆片121粘接在圆形凹槽122内，平面结构的外侧填充聚氨酯橡胶118，压电圆片121引出导线123，并将声压信号131输送到前置放大电路130。[0044] 压电圆片121中心开有孔。[0045] 前置放大电路130的结构为：包括一个电压放大器133、四个电荷放大器134、两个差分放大器135和三个低通滤波器136，一路声压信号131首先进到电压放大器133完成放大，然后通过低通滤波器136滤除高频信号；四路声质点振动信号132首先进到电荷放大器134完成电荷或电压转换及一级放大，然后进入差分放大器135实现二级差分放大，最后通过低通滤波器136滤除高频噪声信号。[0046] 铝合金壳体140的顶面中间位置安装有水密接插件180，用于矢量水听器100电缆连接。[0047] 铝合金壳体140采用分体式结构。[0048] 铝合金壳体140分为上下两个部分，相互之间通过环氧树脂胶160完成密封。[0049] 铝合金壳体140的上下端面截面呈椭圆形结构。[0050] 本发明所述的前置放大电路130由电荷放大器134、差分放大器135、低通滤波器136组成，用于压电加速度计110和声压传感器120的信号放大与滤波，提高信号的信噪比水平。[0051] 本发明所述的铝合金壳体140用于将压电加速度计110、声压传感器120以及前置放大电路130整体密封，并使矢量水听器100的平均密度与海水一致。[0052] 本发明所述的矢量水听器100为微负浮力的圆柱体形状，上下端采用半椭球体形壳体作为端盖，能起到较好的导流作用。[0053] 本发明所述的前置放大电路130中配置磁力传感器，用于测量矢量水听器100自身的方位。[0054] 本发明所述的矢量水听器100内部还可以有数据采集电路，将信号转换成数字信号并输出。[0055] 本发明所述的矢量水听器100可对海洋中1kHz以下低频噪声信号进行有效的监测，即使对于5?20Hz范围内的次声频信号，也能实现准确测量。[0056] 如图1所示，矢量水听器100包括一只压电加速度计110，一只声压传感器120，一个前置放大电路130、一个铝合金壳体140和一个水密接插件180。矢量水听器100整体呈圆柱体形状，压电加速度计110位于矢量水听器100的中心位置，利用环形限位肋150和环氧树脂胶160，刚性固定在铝合金壳体140内部。声压传感器120位于铝合金壳体140底部的内侧。前置放大电路130利用四根铜柱170固定在压电加速度计110上端面。铝合金壳体140分为上下两个部分，相互之间通过环氧树脂胶160完成密封。水密接插件180位于铝合金壳体140最上部，用于电缆穿舱实现矢量水听器100各路信号输出，水密接插件180与铝合金壳体140之间采用环氧树脂胶160密封。[0057] 如图2所示，压电加速度计110用于测量环境噪声声质点振动信号132，具体结构为：由压电三叠片111、顶针115、黄铜质量块117、铝合金基座119和压盖116等构成。利用导电胶113将两片带孔压电圆片112分别粘接在黄铜背衬114两侧，构成压电三叠片111，黄铜背衬114内侧设置凹槽。黄铜质量块117整体为圆柱体形结构，侧面中线位置均匀加工四个锥形顶针115，用于悬空支撑黄铜质量块117。铝合金基座119整体为圆柱体形结构，侧面中线位置均匀分布四个带内螺纹的圆形槽，轴向为一个通孔，黄铜质量块117位于其中。压盖116整体为一个杯状结构，外表面为外螺纹，底部设置六角通孔。利用四个压盖116将四片压电三叠片111分别固定于铝合金基座119侧面四个圆形槽内，同时通过顶针115将黄铜质量块117和压电三叠片111之间固定，黄铜背衬114凹槽与顶针115头部形状匹配。黄铜质量块117与铝合金基座119之间的缝隙用聚氨酯橡胶118填充，起到阻尼作用。[0058] 如图3所示，声压传感器120位于铝合金壳体140底部的内侧，由一片中心带通孔的压电圆片121构成，有助于进一步提高声学灵敏度。铝合金壳体140底部的部分区域内外加工成平面结构，平面内侧外沿设置圆形凹槽122以降低结构弯曲运动的刚度，压电圆片121粘接圆形凹槽122内，外侧填充聚氨酯橡胶118起到阻尼作用。导线123从压电圆片121上电极表面引出，将声压信号131输送到前置放大电路130。[0059] 如图4所示，前置放大电路130用于预处理矢量水听器100的声压信号131和声质点振动信号132，包括一个电压放大器133，四个电荷放大器134，两个差分放大器135，三个低通滤波器136。一路声压信号131首先进到电压放大器133完成放大，然后通过低通滤波器136，滤除高频信号。四路声质点振动信号132首先进到电荷放大器134完成电荷/电压转换及一级放大，然后进入差分放大器135实现二级差分放大，最后通过低通滤波器136，滤除高频噪声信号。[0060] 实际工作过程中，当矢量水听器100放置于水下声场中，其将和声场的声质点发生共点、同步振荡。矢量水听器100内部的黄铜质量块117受到惯性力作用，和铝合金基座119发生相对位移。惯性力通过四个锥形顶针115作用到压电三叠片111使其发生形变。此时，黄铜背衬两侧的带孔压电圆片112，在正向压电效应作用下产生电荷信号，该电荷信号和声质点振动加速度幅值成正比，并且相位相同，将压电三叠片111配置为并联连接方式，并将另一侧的压电三叠片111配置为差分模式，用于提高电荷值来提高灵敏度。另外一个轴向的工作方式相同。在压电三叠片111表面焊接导线，将产生的信号送入前置放大电130，用于进一步的信号采集和处理。另一方面，由于受到声波压力作用，矢量水听器100底部壳体受压发生变形，同时带动内侧压电圆片121同时发生变形，压电圆片121由于正向压电效应，将产生与声压信号成比例的电压信号。在压电圆片121表面焊接导线123，将产生的信号送入前置放大电路130，用于进一步的信号采集和处理。[0061] 本发明设计的理论依据是：[0062] 当采用低噪声放大电路后，矢量水听器的自噪声主要来源于内部加速度计的本底噪声。[0063] 加速度计的本底噪声由机械热平衡噪声和Johnson电学热噪声组成，采用加速度功率谱表示为：[0064][0065] 式中，[0066] 玻尔兹曼常数K＝1.381e?23J/K，[0067] T是绝对温度，[0068] ωn是固有频率，[0069] m是惯性质量，[0070] Qm是机械品质因数，[0071] tanδ是介质损耗正切，[0072] ω是角频率，[0073] Ma是加速度计电压灵敏度，[0074] C0是静态电容。[0075] 由公式可知，当压电加速度计结构形式确定后，可在结构上通过增大惯性质量、灵敏度、静态电容来降低自噪声。[0076] 因此在本发明中，通过在三叠片外部设置独立的质量块来增大惯性质量，调节灵敏度和谐振频率。另外通过调整顶针长度来改变三叠片预应力，优化加速度计的灵敏度。[0077] 以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

专利地区：江苏

专利申请日期：2022-11-29

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN115752702B