一种五元正三棱锥形可展开水听器阵列装置

技术领域

本发明涉及水声传感技术领域，特别是一种五元正三棱锥形可展开水听器阵列装置。

背景技术

声源定位技术是利用声学和电子装置接收并处理声场信号以确定声源位置的一种技术。根据向外界发射声波与否，声源定位可被分为主动式以及被动式两种。水下声源定位所用声学装置为水声换能器，其中，被动式水下声源定位采用的是只能接收外界声波信号并转换为电信号的接收换能器（水听器）。由于技术成熟、隐蔽性佳、成本较低，被动式声源定位技术已广泛应用于水下目标探测、定位与追踪等工作中。

水下声源定位的基本原理为：水声换能器阵列接收目标声源的声波，数据采集卡记录阵列上各个换能器所测声波信号的时间延迟值并传递至信号处理控制器，结合已有的水声换能器阵列几何参数即可计算出目标声源的准确位置。因此换能器阵列几何结构、时间延迟值准确性、换能器数量与布置方式等均会对目标声源定位精度造成影响。

在水下目标声源定位工作中，为保证各个水声换能器的空间指向性、实现声源精确定位，结构简单、性能优良的水声换能器基阵排列机构是一项非常重要的设计任务。水声换能器阵列由若干换能器按特定几何结构排列组成，具有极强的空间选择性，可以在一定水域内实现对水下声源的定位与跟踪。

根据结构与配备换能器数量的差异，目前国内外的多元换能器阵列可分为线性阵列、三元平面阵列、四元平面阵列、高低四元阵列、五元平面阵列和正四棱锥形阵列等。其中，线性阵列与三元阵列不适用于探测空间声源，四元阵虽具有空间声源探测能力，但其定距精度低并且定向精度与声波入射角有关。与四元阵列相比，五元平面阵列定位结果与声源实际位置点的误差更小，在测量与阵列距离较远、偏离角度较大的目标声源时差距更为明显。

现有的可满足实际需求的技术方案仍以线性水听器阵列装置以及多元平面水听器阵列装置为主。例如：申请号CN202122868005.4提供的一种具有可调式安装支架的深海水听器阵缆，其在保持垂直的阵缆上每间隔几米安装一个水听器来形成由若干水听器组成的深海水听器阵列，并通过阵缆内的信号线传输；申请号CN202211647551.8提供的一种水听器阵列平台，自上而下顺次连接浮力组件、重力组件与支撑组件，若干水听器连接于支撑组件，且在支撑组件上间隔分布；上述两种设计本质上仍为一种线性阵列，在装配标量水听器的情况下无法探测空间声源。美国海军在二战末期使用的一种空投反潜浮标，其水声接收单元为一个五元平面水听器阵列装置，可在预定水深自动展开工作，但无法调节工作深度与阵列尺寸。

相较于五元平面阵列，五元正三棱锥阵列能取得更好的定位效果，并且稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强，在对水下目标探测、定位与追踪等工作中具有更好的应用前景，但目前市场上并没有可供使用的五元正三棱锥水听器阵列装置。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供一种五元正三棱锥形可展开水听器阵列装置，以解决上述技术问题。

其解决的技术方案是，本发明包括形如正三棱柱形的防水的壳体，所述壳体的三个侧面以及壳体的上端面分别设有剪刀式伸缩机构，四个所述剪刀式伸缩机构以及壳体的下端面上分别安装有水听器，五个水听器组成一个五元正三棱锥形阵列，壳体内部设有一个驱动装置，所述驱动装置同时与四个所述剪刀式伸缩机构传动连接；所述剪刀式伸缩机构包括多个交叉铰接单元，所述交叉铰接单元包括一个连接块和两个连杆，两个连杆的中部分别铰接在连接块的上下两端，相邻 的两个交叉铰接单元中的连杆铰接组成可变形的平行四边形，连接块上开设有圆孔和扁孔，圆孔内插接有电缆线，扁孔内插接有钢带；每个所述剪刀式伸缩机构中，位于头端的交叉铰接单元上的连接块固定连接有机架，所述机架固定连接在壳体上，所述机架上设有收卷仓，收卷仓中转动连接有带涡卷发条弹簧的收卷轴，所述钢带的一端卷绕在收卷轴上，钢带的另一端固定连接在尾端的交叉铰接单元的连接块上，钢带伸长推动剪刀式伸缩机构伸展，收卷轴上的涡卷发条弹簧为钢带的回收提供动力；所述机架上转动连接有两个位于收卷仓出口处的辊子，两个辊子挤压在钢带上，辊子转动时的摩擦力将钢带从收卷仓中拉出，所述机架上设有两个联动的皮带轮，其中一个皮带轮与一个辊子同轴固定连接，另一个皮带轮与驱动装置传动连接；所述驱动装置同时控制四个所述剪刀式伸缩机构的伸缩。

优选地，所述壳体包括上中下三个独立的外壳，从上往下依次为上壳、中壳和底壳，所述中壳的三个侧面上分别设有安装盒，所述四个机架分别固定连接在上壳以及三个安装盒内。

优选地，所述驱动装置包括一个沿竖直方向设置的蜗杆，所述蜗杆位于壳体的中心且与壳体转动连接，所述壳体内部固定连接有一个包裹在蜗杆外侧的支撑套，所述支撑套上设有三个沿蜗杆周向等距分布的涡轮组件，涡轮组件中的涡轮与蜗杆传动连接，涡轮组件的涡轮同轴键连接有传动杆。

优选地，位于三个安装盒内的机架分别与三个涡轮组件一一对应，所述机架上的一个皮带轮同轴键连接在对应的涡轮组件中的传动杆上，传动杆转动带动机架上的辊子转动。

优选地，所述驱动装置还包括一个设置于上壳内的锥齿轮组件，位于壳体上端的机架上的皮带轮通过锥齿轮组件与蜗杆传动连接，锥齿轮组件中的一个锥齿轮同轴固定连接在蜗杆的上端，锥齿轮组件中的另一个锥齿轮同轴固定连接在机架中的一个辊子上。

优选地，位于壳体侧面的三个剪刀式伸缩机构与蜗杆的夹角均为109°28′。

优选地，所述下壳内安装有伺服电机，所述伺服电机通过联轴器与蜗杆传动连接。

优选地，所述涡轮与蜗杆的传动比与锥齿轮组件的传动比一致。

优选地，位于壳体上端的剪刀式伸缩机构上的水听器与壳体下端的水听器位于同一直线上。

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

1、本发明可以搭载五颗水听器单元，可展开为一个五元正三棱锥水听器阵列，具有稳定性好、可靠性高、定位效果更好、抗干扰能力强等优势，并且可根据任务需求更换不同类型的水听器，通用性高。工作状态下，阵列可完全展开，工作范围可调；待机状态下，装置整体可缩回、折叠成小体积的收纳状态，提高阵列装置在复杂海况下的适应性。

2、本发明的传动方式独特，驱动装置高度集成，仅使用单个伺服电机作为动力源即可实现四组剪刀式伸缩机构在空间中不同方向的同时、同速伸缩运动，有着操控简单、重量小、结构紧凑的优点。

3、本发明利用壳型钢带驱动剪刀结构伸缩，具有响应速度快、运动加速度大、控制方式简单等优点，并保证装置整体及末端附加工作装置可平稳、快速、精准地移动。镂空的剪刀式伸缩机构可保护钢带，在实现轻量化的同时提高了伸展部分的刚度。装置整体结构简单、质量轻，具有较高的稳定性与安全性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的壳体的结构示意图。

图3是本发明去除壳体后的结构示意图。

图4是本发明的驱动装置的结构示意图。

图5是本发明位于侧面的三个机架与蜗杆的位置示意图。

图6是本发明的机架内部的结构示意图。

图7是本发明的剪刀式伸缩机构示意图。

示意图中的标号说明：

100、壳体；101、上壳；102、中壳；103、底壳；1021、通道；

200、剪刀式伸缩机构；201、交叉铰接单元；2011、连接块；2012、连杆；2013、圆孔；2014、扁孔；

300、驱动装置；301、蜗杆；302、支撑套；303、涡轮组件；304、传动杆；305、锥齿轮组件；306、伺服电机；

400、机架；401、收卷仓；4011、收卷轴；402、辊子；403、皮带轮；

500、电缆线；

600、钢带；

700、水听器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

参考图1，包括形如正三棱柱形的防水的壳体100，上述壳体100的三个侧面以及壳体100的上端面分别设有剪刀式伸缩机构200，四个上述剪刀式伸缩机构200以及壳体100的下端面上分别安装有水听器700，五个水听器700组成一个五元正三棱锥形阵列，壳体100内部设有一个驱动装置300，上述驱动装置300同时与四个上述剪刀式伸缩机构200传动连接。

参考图2，上述壳体100包括上中下三个独立的外壳，从上往下依次为上壳101、中壳102和底壳103，上述中壳102的三个侧面上分别设有安装盒，上述四个机架400分别固定连接在上壳101以及三个安装盒内。

通过防水螺钉连接形成整体防水的壳体100，壳体100上设计有密封圈、合页与舱盖，便于安装和更换零件。

位于壳体100侧面的三个剪刀式伸缩机构200与蜗杆301的夹角均为109°28′。

位于壳体100上端的剪刀式伸缩机构200上的水听器700与壳体100下端的水听器700位于同一直线上。

通过电机驱动板控制伺服电5的正反转，四组剪刀式伸缩机构200同速实现直线伸缩动作，由此调节剪刀式伸缩机构200末端固定的水听器700的位置，使装置可展开为一个五元正四棱锥形的水听器700阵列。

参考图7，上述剪刀式伸缩机构200包括多个交叉铰接单元201，上述交叉铰接单元201包括一个连接块2011和两个连杆2012，两个连杆2012的中部分别铰接在连接块2011的上下两端，相邻的两个交叉铰接单元201中的连杆2012铰接组成可变形的平行四边形，连接块2011上开设有圆孔2013和扁孔2014，圆孔2013内插接有电缆线500，扁孔2014内插接有钢带600，钢带600采用两片壳形钢带600组合形成的立体结构，可被压平折叠为钢带600卷储存于机架400上的钢带600收卷仓401中。

参考图5、图6和图7，每个上述剪刀式伸缩机构200中，位于头端的交叉铰接单元201上的连接块2011固定连接有机架400，上述机架400固定连接在壳体100上，上述机架400上设有收卷仓401，收卷仓401中转动连接有带涡卷发条弹簧的收卷轴4011，上述钢带600的一端卷绕在收卷轴4011上，钢带600的另一端固定连接在尾端的交叉铰接单元201的连接块2011上，钢带600伸长推动剪刀式伸缩机构200伸展，收卷轴4011上的涡卷发条弹簧为钢带600的回收提供动力。

参考图6，上述机架400上转动连接有两个位于收卷仓401出口处的辊子402，两个辊子402挤压在钢带600上，辊子402转动时的摩擦力将钢带600从收卷仓401中拉出，上述机架400上设有两个联动的皮带轮403，其中一个皮带轮403与一个辊子402同轴固定连接，另一个皮带轮403与驱动装置300传动连接；上述驱动装置300同时控制四个上述剪刀式伸缩机构200的伸缩。

参考图3和图4和图5，上述驱动装置300包括一个沿竖直方向设置的蜗杆301，上述蜗杆301位于壳体100的中心且与壳体100转动连接，上述壳体100内部固定连接有一个包裹在蜗杆301外侧的支撑套302，上述下壳内安装有伺服电机306，上述伺服电机306通过联轴器与蜗杆301传动连接，驱动装置300包括两中传动结构，伺服电机3065与电机驱动板导电连接，并通过防水螺钉安装在壳内下层。

第一种传动结构，

支撑套302上设有三个沿蜗杆301周向等距分布的涡轮组件303，涡轮组件303中的涡轮与蜗杆301传动连接，涡轮组件303的涡轮同轴键连接有传动杆304，组成三个蜗轮蜗杆301传动结构；

位于三个安装盒内的机架400分别与三个涡轮组件303一一对应，上述机架400上的一个皮带轮403同轴键连接在对应的涡轮组件303中的传动杆304上，传动杆304转动带动机架400上的辊子402转动。

第二传动结构；

上述驱动装置300还包括一个设置于上壳101内的锥齿轮组件305，锥齿轮组件305中的一个锥齿轮同轴固定连接在蜗杆301的上端，锥齿轮组件305中的另一个锥齿轮同轴固定连接在机架400中的一个辊子402上，组成一个锥齿轮传动机构。

上述两个传动结构，上述涡轮与蜗杆301的传动比与上述锥齿轮组件305的传动比一致，确保蜗杆301转动时，四个剪刀式伸缩机构200能够同步地伸缩。

通过电机驱动板控制伺服电5的正反转，四组剪刀式伸缩机构200同速实现直线伸缩动作，由此调节剪刀式伸缩机构200末端固定的水听器700的位置，使装置可展开为一个五元正四棱锥形的水听器700阵列。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。