一种基于共振空气腔的新型水听器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于共振空气腔的新型水听器，其包括密封的、球体形状的球壳(1)；球壳(1)的内部，具有中空的空气腔(3)；球壳(1)的球心位置，安装有麦克风(2)；球壳(1)放置在水域中，用于将外部的水与空气腔(3)相隔离；麦克风(2)，用于测量从外部水域投射进来的声音。本发明专利技术公开的一种基于共振空气腔的新型水听器，其利用的是球形壳体内部的空气腔共振，采用麦克风来感知从球外水域透射到空气腔内的声压，在共振频率附近灵敏度高、信噪比高，具有重大的生产实践意义。

A new hydrophone based on resonant air cavity

【技术实现步骤摘要】
一种基于共振空气腔的新型水听器
本专利技术涉及水听器
，特别是涉及一种基于共振空气腔的新型水听器。
技术介绍
水听器可以在水下将声信号有效地转化成电信号，通过处理电信号实现对声信号的应用，达到水下目标探测或水下信息提取的目的。大多数水听器工作在原理共振频率的频段，频率响应平坦，可以接收宽频信号，或者用于标准水声计量。而一些探测和通讯用的水听器，则工作在共振频率处，以便在在特定频率有尽可能高的灵敏度，而在其他频率灵敏度相对较低，来抑制环境噪声的干扰。有实验证明，在非共振范围内的水听器灵敏度，要远低于共振频率周围的灵敏度，并且略微依赖于频率。国内外学者已经开展了很多利用共振现象来提高水听器灵敏度的研究。有学者利用共振频率附近的水听器，来研究充气气泡的非线性发射；有学者利用压电陶瓷在其共振频率下做超声成像，相比于其他频率，其灵敏度更高，成像更加清晰；有学者研究了具有两个共振频率的磁电复合材料PZT环，提高了灵敏度和共振位移的分辨率；有学者研制了新的1-3复合型压电水听器，研究了压电水听器的动态模型和频率响应，利用共振频率来提高对弱信号的灵敏度；有学者利用赫姆霍兹共振原理，将液腔结构放在圆柱形压电陶瓷外面，可以有选择性地提高液腔结构共振频率附近的灵敏度，更加适用于窄带应用；有学者将两个半球壳压电陶瓷拼接制成球形，利用其一阶共振模态发射和接收超声波进行水下通信，其共振频率与球壳厚度有直接关系。上述共振型水听器，都是利用压电陶瓷敏感元件本身的共振，其共振频率与壳体尺寸和材料属性有密切关系。此外，还有一些共振型水听器是利用壳体内部的液体腔的共振，例如工作在中低频的Helmholtz共振腔水听器，共振频率与内部液体腔体的形状和尺寸有关，传统水听器被放置在液体腔中。但是，现有上述传统的水听器，其结构复杂，灵敏度较差，无法充分满足用户的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种基于共振空气腔的新型水听器。为此，本专利技术提供了一种基于共振空气腔的新型水听器，包括密封的、球体形状的球壳；球壳的内部，具有中空的空气腔；球壳的球心位置，安装有麦克风；球壳放置在水域中，用于将外部的水与空气腔相隔离；麦克风，用于测量从外部水域投射进来的声音。其中，空气腔的半径R1为8mm，球壳的厚度T为0.8mm。其中，球壳上贯穿开有一个球盖安装通孔；球盖安装通孔中插接有一个球盖；球盖的中心具有垂直贯通的导线引出孔；麦克风上焊接有用于传输信号和进行供电的导线；导线通过导线引出孔向球壳外部伸出。其中，球盖为凸台形，球盖具有的凸起部分插入到球盖安装通孔中。其中，凸起部分，与球盖安装通孔之间为过盈配合。其中，凸起部分，与球盖安装通孔之间使用UV胶进行粘合密封。其中，导线与导线引出孔之间的缝隙，填充有UV胶。由以上本专利技术提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本专利技术提供了一种基于共振空气腔的新型水听器，其利用的是球形壳体内部的空气腔共振，采用麦克风来感知从球外水域透射到空气腔内的声压。该水听器利用了共振效应，在共振频率附近灵敏度高、信噪比高。与其他传统水听器相比，成本低，制作简单，可用于水下通信，水声引信、水下测距等，具有重大的生产实践意义。附图说明图1为本专利技术提供的一种基于共振空气腔的新型水听器的模型图；图2a、图2b分别为使用多物理场有限元仿真软件进行二维轴对称频域仿真，建立的整体模型和水听器部分的仿真模型图；图3为一特定尺寸水听器的频率响应曲线示意图；图4为二维轴对称仿真特征峰声场分布图(图4a、图4b、图4c的特征峰频率分别为14200Hz、22800Hz、30800Hz)；图5为空气腔仿真特征频率模态(图5a、图5b、图5c的空气腔共振频率分别为14163Hz、22810Hz、31176Hz)；图6为不同球壳厚度下特征频率仿真结果示意图；图7为特征频率与空气腔半径的关系示意图；图8为本专利技术提供的一种基于共振空气腔的新型水听器的剖面图；图9为频率响应测试的实验装置图；图10为本专利技术提供的一种基于共振空气腔的新型水听器，实验测得的频率响应曲线示意图；图11为本专利技术提供的一种基于共振空气腔的新型水听器的实验测量频率响应的局部示意图；图12为本专利技术提供的一种基于共振空气腔的新型水听器(即自制水听器)的信噪比曲线示意图。图中：1：球壳；2：麦克风；3：空气腔；4：球盖；40：凸起部分；5：导线引出孔。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面结合附图和实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。参见图1至图12所示，本专利技术提供了一种基于共振空气腔的新型水听器，包括密封的、球体形状的球壳1；球壳1的内部，具有中空的空气腔3；球壳1的球心位置，安装有麦克风2；球壳1放置在水域中，用于将外部的水与空气腔3相隔离；麦克风2，用于测量从外部水域投射进来的声音。需要说明的是，对于本专利技术，设计的水听器结构为内部中空的球形，球壳可用于隔水和提供空气腔，球壳1的内部置入麦克风，以测量从外部水域投射进来的声音。整体水听器模型如图1所示，球心处长方形表示麦克风，球中空部分(即空气腔3)的半径为R1，球壳厚度为T。具体实现上，使用多物理场有限元仿真软件进行二维轴对称频域仿真，建立的整体模型如图2a所示，其中水听器部分建立的模型如图2b所示，图2b显示，水域在包围在球壳1的外侧。图2a中方框内部表示水域，完美匹配层是指两边的声阻抗一样，声音在此处不反射。平面波从水听器的一侧入射，在声固耦合物理场内进行频率扫描，频率从1kHz到40kHz，步长200Hz，以此研究空气腔内部的声场分布和各点的频率响应。现选取空气腔内部距离麦克风近的一点绘制频率响应曲线，其中图3为R1取8mm、T取0.8mm时水听器仿真得到的频率响应曲线。从图3可以看出水听器在14200Hz、22800Hz、30800Hz处出现特征峰。需要说明的是，对于一个水听器，其共振可能发生在两个部分：球壳的共振和球壳内部空气腔的共振。因此，为了合理设计水听器的工作频率和结构尺寸，通过有限元仿真确定水听器的共振频率来源于球壳还是球内空气腔。对厚度为0.8mm的球壳在固体力学物理场进行特征频率的仿真，并对内部半径R1为8mm的空气腔使用图1所示模型在压力声学物理场进行特征频率的仿真。分别将两者仿真得到的特征频率与频率响应曲线的特征峰做对比，如表1所示。见下表1。表1：特征频率对比(单位：Hz)。频率响应特征峰球壳特征频率空气腔共振频率1420017909141632280022057228103080035357本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于共振空气腔的新型水听器，其特征在于，包括密封的、球体形状的球壳(1)；/n球壳(1)的内部，具有中空的空气腔(3)；/n球壳(1)的球心位置，安装有麦克风(2)；/n球壳(1)放置在水域中，用于将外部的水与空气腔(3)相隔离；/n麦克风(2)，用于测量从外部水域投射进来的声音。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于共振空气腔的新型水听器，其特征在于，包括密封的、球体形状的球壳(1)；
球壳(1)的内部，具有中空的空气腔(3)；
球壳(1)的球心位置，安装有麦克风(2)；
球壳(1)放置在水域中，用于将外部的水与空气腔(3)相隔离；
麦克风(2)，用于测量从外部水域投射进来的声音。


2.如权利要求1所述的基于共振空气腔的新型水听器，其特征在于，空气腔(3)的半径R1为8mm，球壳(1)的厚度T为0.8mm。


3.如权利要求1或2所述的基于共振空气腔的新型水听器，其特征在于，球壳(1)上贯穿开有一个球盖安装通孔；
球盖安装通孔中插接有一个球盖(4)；
球盖(4)的中心具有垂直贯通的导线引出孔(5)；...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄新敬，李赞，李健，封皓，陈世利，王欣，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12