一种高灵敏度中频矢量水听器

技术领域

本发明涉及水听器领域，主要是一种高灵敏度中频矢量水听器。

背景技术

“双声压型”矢量水听器以传统的声压水听器为基础，结构简单，原理清晰，但是受其工作原理的制约(k△r<<1)，工作频带较窄，接收灵敏度较低，特别是在低频(小于1kHz)。

(1)工作原理

“双声压型”矢量水听器是由两只复数灵敏度(幅值及相位的频率响应)相同的声压水听器组合而成，水听器间距远小于波长，利用有限差分近似，由两只声压水听器的输出电压差值推算出两只水听器中心点处的声压梯度。

“双声压型”矢量水听器余弦指向性受k△r<<1的条件限制，这就要求构成矢量水听器的波尺寸要很小，才能保证较好的余弦指向性。在声压水听器选定的情况下(声压水听器灵敏度为定值)，两只声压水听器之间的距离与矢量水听器的灵敏度成正比，与方向性的余弦程度成反比，既要保证矢量水听器有较小的尺寸，又要有相对高的灵敏度，需要在水听器尺寸和声学性能寻求一种优化平衡。

(2)常用的设计方法

典型的双声压型压差式矢量水听器一般采用双迭片作为敏感元件，这种水听器结构简单，工艺可靠，在水下不承受静压力，因此可以做成薄片，有利于提高低频段灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种高灵敏度中频矢量水听器，应用于新型浮标声纳项目中的主动定向声纳浮标中，矢量水听器最大线性尺寸为120mm，应用频率范围4.6kHz～6.4kHz，矢量通道声压灵敏度级为-191.5dB(在4.6kHz处)，同时在结构上具有较好的适装性。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种高灵敏度中频矢量水听器，包括电路板、水密层和五个弯曲圆盘振子，电路板呈十字型，五个弯曲圆盘振子由中心位置的弯曲圆盘振子和周围的四个弯曲圆盘振子组成，弯曲圆盘振子由压电陶瓷片A、压电陶瓷片B和衬板构成，极化方向相同的压电陶瓷片A，压电陶瓷片B通过导线串联，每两个弯曲圆盘振子通过电路板焊接构成一个矢量通道，声压通道由中心位置的弯曲圆盘振子构成，通过聚氨酯或者其他透声材料真空灌注，进行水密形成水密层。

所述的弯曲圆盘振子采用空气背衬式，一组凹凸板粘接后形成带空气腔的衬板，通过定位夹具和加力夹具分别将一片压电陶瓷片A的正极和压电陶瓷片B的负极粘接在衬板的上下表面，压电陶瓷片A、压电陶瓷片B和衬板粘接后构成一个弯曲圆盘振子，通过常温环氧胶将五个弯曲圆盘振子粘接在十字型的电路板上，固化后将弯曲圆盘振子的引线与电路板焊接。

所述的压电陶瓷片A，压电陶瓷片B的极化方向为厚度极化。

所述的凹凸板采用铝合金。

本发明的有益效果为：本发明在矢量水听器有较小尺寸要求的前提下，保证其有相对高的灵敏度，在矢量水听器尺寸和声学性能之间寻求一种优化平衡。本发明设计的矢量水听器最大线性尺寸为120mm，具有较小的尺寸，并且在工作频带4.6kHz～6.4kHz内，具有良好的余弦指向性，偶极子方向性的不对称性小于±1dB，偶极子方向性的归零深度大于14dB，在4.6kHz处灵敏度大于-192dB；本发明设计的矢量水听器主要优点为结构形式简单，并具有抵消加速度影响的性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为弯曲盘振子结构示意图。

图3为指向性示意图。

图4为水听器水池测试结果示意图。

附图标记说明：弯曲圆盘振子1，压电陶瓷片A1-1，压电陶瓷片B1-2，电路板2，水密层3，衬板4，空气腔5。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明提供了一种高灵敏度中频矢量水听器，包括电路板2、水密层3和五个弯曲圆盘振子1，示意图如附图1所示。其中电路板2呈十字型，五个弯曲圆盘振子1由中心位置的弯曲圆盘振子和周围的四个弯曲圆盘振子组成，弯曲圆盘振子由两片Ф14.5mm×0.42mm压电陶瓷片A1-1、压电陶瓷片B1-2和衬板4构成，极化方向相同的压电陶瓷片A1-1，压电陶瓷片B1-2通过导线串联，每两个弯曲圆盘振子通过电路板2焊接构成一个矢量通道，振子间距为55mm，声压通道由中心位置的弯曲圆盘振子构成，最后通过聚氨酯或者其他透声材料真空灌注，进行水密形成水密层3。灌注后，矢量水听器最大线性尺寸为90mm，应用频率范围4.6kHz～6.4kHz。

如图2所示，本发明矢量水听器采用压电材料P54，压电陶瓷片A1-1，压电陶瓷片B1-2的极化方向为厚度极化。所述的弯曲圆盘振子1采用空气背衬式，上、下两压电陶瓷片串联，压电陶瓷圆片直径14.5mm，厚度为0.42mm；凹凸板的材质是铝合金，一组凹凸板粘接后形成带空气腔5的衬板4，通过定位夹具和加力夹具分别将一片压电陶瓷片A1-1的正极和压电陶瓷片B1-2的负极粘接在衬板4的上下表面，压电陶瓷片A1-1、压电陶瓷片B1-2和衬板4粘接后构成一个弯曲圆盘振子1，通过常温环氧胶将五个弯曲圆盘振子1粘接在十字型的电路板2上，固化后将弯曲圆盘振子1的引线与电路板2焊接，最后通过聚氨酯或者其他透声材料灌注，进行水密。灌注好后，水听器的电容量为2800±500pF，灵敏度为-192.0±2.0dB，绝缘大于100兆欧(100V绝缘表)。

工作原理：

压差式矢量水听器的接收灵敏度为：

当kΔr<<1时，方向性函数可以写为：D(θ)＝cosθ(1-2)

式中

从式(1-1)和(1-2)可以看出，在声场中“双声压型”矢量水听器的波尺寸越小，余弦指向性越好，但灵敏度很低。

具体将准备好的元器件按以下顺序装配：

(1)振子的装配：将压电陶瓷片、凹凸板等清理干净后，使用高温环氧粘接剂通过装配夹具将凹凸板粘接成衬板。粘接剂高温固化后，先将衬板表面多余固化的环氧处理干净后，再使用常温环氧粘接剂通过定位夹具和加力夹具分别将一片压电陶瓷片的正极和另一片压电陶瓷片的负极粘接在衬板的上下表面，室温固化后，焊接电极引线将上下两片元件串联起来；

(2)振子的配对：根据计量站灵敏度和相位测试结果，挑选灵敏度起伏≤1.5dB(1500Hz)，相位起伏≤2°(100Hz)的振子组装矢量水听器，其中将灵敏度起伏≤0.5dB(1500Hz)的两个振子配对组成矢量通道；

(3)振子的安装与焊接：先用Ф0.5mm的细铁丝将3根Ф2.1同轴电缆分别捆扎在电路板的捆线孔上，再用常温环氧粘接剂将五个振子固定在相应的位置，固化后将振子引线与电路板焊接；

(4)水听器的灌注：使用定制的灌注模具对焊接好的水听器进行真空灌注，灌注采用聚氨酯或者其他透声材料。

本发明设计的矢量水听器采用空气背衬式的弯曲圆盘振子作为敏感元件，弯曲圆盘振子采用的是极化方向相同的压电陶瓷片串联，并分别粘接在铝合金材质的凹凸板上组装而成的；提高了振子灵敏度，从而保证在尺寸较小的前提下，提高了矢量水听器的声压灵敏度。作为骨架的十字型电路板在便于弯曲圆盘振子的引线焊接的同时，也起到支撑的作用，便于后续的灌注。

a)本发明设计的矢量水听器最大线性尺寸为120mm，具有较小的尺寸，并且在工作频带4.6kHz～6.4kHz内，具有良好的余弦指向性，测试数据如附图3所示，偶极子方向性的不对称性小于±1dB，偶极子方向性的归零深度大于14dB，在4.6kHz处灵敏度大于-192dB；

b)本发明设计的矢量水听器主要优点为结构形式简单，并具有抵消加速度影响的性能。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。