深水压电式球型声压水听器

1.本发明涉及水听器技术领域，尤其是涉及一种深水压电式球型声压水听器。


背景技术：

2.迄今为止，声波作为信息载体是唯一能够在水下进行远距离传播的能量形式，是用于水下信息传播、目标探测的有效工具。水听器是水声探测技术的核心器件，是发展开发海洋资源的重要技术保障。
3.水听器是水声换能器的一种，用作接收器，被动地感知水中的声波信息，实现对目标识别探测的。水听器作为水声装备的核心器件，其性能直接影响着水声装备的性能和功能的实现。近年来投入了大量人力物力开展了基于新结构、新机理、新技术的关于水声换能器的研究工作，使得包括水听器在内的水声换能器性能得到了很大提高，也涌现出许多新型换能器产品，推动了水声装备的快速发展，但是目前的深水水听器适用的频带相对很窄，在宽频带上(10khz～140khz带宽内)技术还不够成熟，接收灵敏度起伏较大。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本技术提供了一种深水压电式球型声压水声器，通过在陶瓷球与支撑结构间增加柔性去耦材料，减少结构件与压电陶瓷球间的结构耦合，有效减少结构耦合作用对水听器性能的影响，以解决现有技术中，水听器在宽频带上接收灵敏度差，声波信号接收信号起伏大的技术问题。
5.因此本发明采用如下的技术方案：
6.第一方面，提供了一种深水压电式球型声压水听器，包括：支撑件；拼接式压电陶瓷球，包括左半球与右半球，左半球与右半球通过环氧树脂粘接，其中，右半球设置有通孔，支撑件的一端插入通孔；柔性去耦支架，设置于支撑件与通孔之间。
7.在一种可能的实施方式中，柔性去耦支架包裹于通孔的周边，且与通孔贴合。
8.在一种可能的实施方式中，拼接式压电陶瓷球上连接有导线，导线连接左半球和右半球。
9.在一种可能的实施方式中，导线包括正极信号线和负极信号线，正极信号线连接拼接式压电陶瓷球的内表面，负极信号线连接拼接式压电陶瓷球的外表面。
10.在一种可能的实施方式中，还包括：聚氨酯透声橡胶层，包裹拼接式压电陶瓷球与部分支撑件，与支撑件形成密封体。
11.在一种可能的实施方式中，聚氨酯透声橡胶层与拼接式压电陶瓷球外表面、以及包裹的部分支撑件贴合设置。
12.在一种可能的实施方式中，支撑件包括：支撑杆，支撑杆的一端插入通孔内；金属座，一端与支撑杆固定连接；电缆连接头，设置于金属座的另一端，金属座包括开口腔体，电缆连接头的一端插入开口腔体内；锁紧螺帽，套设于电缆连接头的外部，与金属座螺纹连接。
13.在一种可能的实施方式中，金属座包括穿线孔，导线穿过穿线孔设置于开口腔体内，并与电缆连接头连接。
14.在一种可能的实施方式中，支撑件还包括：o型密封圈，设置于开口腔体的开口处，与电缆连接头紧密贴合。
15.在一种可能的实施方式中，开口腔体为圆柱腔体，开口腔体内可设置有信号前置放大器。
16.本发明提供的一种深水压电式球型声压水听器，包括：支撑件；拼接式压电陶瓷球，包括左半球与右半球，左半球与右半球通过环氧树脂粘接，其中，右半球设置有通孔，支撑件的一端插入通孔；柔性去耦支架，设置于支撑件与通孔之间。本技术实施例通过在陶瓷球与支撑结构间增加柔性去耦材料，减少结构件与压电陶瓷球间的结构耦合，有效减少了结构耦合作用对水听器性能的影响，解决了现有技术中，水听器在宽频带上接收灵敏度差，声波信号接收信号起伏大的技术问题。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例中提供的一种深水压电式球型声压水听器剖面结构示意图；
19.图2为本发明实施例中提供的一种拼接式压电陶瓷球的剖面结构示意图；
20.图3为本发明实施例中提供的一种深水压电式球型声压水听器的测试曲线图。
21.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
22.1、聚氨酯透声橡胶层，2、拼接式压电陶瓷球，3、柔性去耦支架，4、支撑杆，5、导线，6、金属座，7、锁紧螺帽，8、o型密封圈，9、电缆连接头，10、左半球，11、右半球，12、环氧树脂，13、通孔。
具体实施方式
23.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
25.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
27.水听器是水声换能器的一种，用作接收器，被动地感知水中的声波信息，实现对目标识别探测的。水听器作为水声装备的核心器件，其性能直接影响着水声装备的性能和功能的实现。近年来投入了大量人力物力开展了基于新结构、新机理、新技术的关于水声换能器的研究工作，使得包括水听器在内的水声换能器性能得到了很大提高，也涌现出许多新型换能器产品，推动了水声装备的快速发展，但是目前的深水水听器适用的频带相对很窄，在宽频带上(10khz～140khz带宽内)技术还不够成熟，接收灵敏度起伏较大。
28.因此，本技术提供了一种深水压电式球型声压水听器，如图1-2所示，包括：支撑件、拼接式压电陶瓷球2和柔性去耦支架3，其中，拼接式压电陶瓷球2包括左半球10与右半球11，左半球10与右半球11通过环氧树脂12粘接，其中，右半球11设置有通孔13，支撑件的一端插入通孔13；柔性去耦支架3设置于支撑件与通孔13之间，用于过滤支撑件与拼接式压电陶瓷球2结构之间产生的噪声。柔性去耦支架3包裹于通孔13的周边，且与通孔13贴合。
29.拼接式压电陶瓷球2由两个陶瓷半球(左半球10与右半球11)通过环氧树脂12粘结组成，其中右半球11上开设通孔13用于柔性去耦支架3与支撑件的定位连接。两个半球径向(内外壁)极化，两个半球的内壁为正极，外壁为负极。两个半球拼接成压电陶瓷球后，实现了两个半球并联连接，能够满足球形水听器接收灵敏度性能的要求。优选地，通孔13的位置设置在右半球11的球面中心，即通孔13的中心与右半球11球心的连线与右半球11的底面垂直。
30.柔性去耦支架3由柔性去耦材料制成，柔性去耦材料可以是聚氨酯橡胶等材料。
31.拼接式压电陶瓷球2上还连接有导线5，导线5用于连接左半球10和右半球11。导线5包括正极信号线和负极信号线，正极信号线连接拼接式压电陶瓷球2的内表面，负极信号线连接拼接式压电陶瓷球2的外表面，即正极信号线与两个半球的正极连接，负极信号线与两个半球的负极连接。
32.本发明提供的深水压电式球型声压水听器具有频带宽、尺寸小、灵敏度高、起伏小、全向指向性、噪声低等优点，用于水下声波信号感知。能够解决现有技术中，因水听器安装主体振动影响拼接式压电陶瓷球2灵敏度及拼接式压电陶瓷球2振动与支撑结构间耦合的问题，提高了水听器灵敏度和抗噪声能力。
33.在一种实施例中，听水器还包括聚氨酯透声橡胶层1，包裹拼接式压电陶瓷球2与部分支撑件，与支撑件形成密封体。聚氨酯透声橡胶层1与拼接式压电陶瓷球2外表面、以及包裹的部分支撑件贴合设置。聚氨酯透声橡胶层1由具有良好透声功能的聚氨酯制成，在深水环境中具有良好的密封性与透声性，不但能够阻隔水渗透至水听器内部，还可以将深水
声波传输至内部的压电陶瓷球。
34.聚氨酯透声橡胶层1将拼接式压电陶瓷球2与部分支撑件包裹住，具有密封防水和透声波的作用，在聚氨酯透声橡胶层1封装前，必须保证拼接式压电陶瓷球2、柔性去耦支架3、支撑件的相关表面干净、无油污，必要时可在支撑件表面涂粘结过渡剂。
35.在一种可能的实施例中，支撑件包括：支撑杆4、金属座6、电缆连接头9、以及锁紧螺帽7。其中，支撑杆4的一端插入通孔13内；金属座6的一端与支撑杆4固定连接；金属座6的另一端连接电缆连接头9，金属座6包括开口腔体，电缆连接头9的一端插入开口腔体内；锁紧螺帽7套设于电缆连接头9的外部，与金属座6螺纹连接。
36.金属座6上还设置有穿线孔，导线5可以穿过穿线孔，布置于开口腔体内，导线5在开口腔体内与电缆连接头9连接。
37.在一种可能的实施例中，支撑件还包括：o型密封圈8，o型密封圈8设置于开口腔体的开口处，与电缆连接头9紧密贴合。o型密封圈8设置在电缆连接头9与开口腔体的开口处之间，用于密封，使支撑件具有良好的防水、密封性。
38.具体的，在一个实施例中，拼接式压电陶瓷球2通过柔性去耦支架与支撑件连接，导线5(正、负极信号线)穿过支撑杆4及金属座6后将支撑杆4和金属座6通过螺纹连接定位，组成深水压电式球型声压水听器的核心感知部件，并将深水压电式球型声压水听器的核心感知部件通过聚氨酯透声橡胶封装，用于声波匹配、水密、结构保护等；电缆连接头9通过锁紧螺帽7与金属座6连接紧固，电缆连接头9与金属座6之间通过o型密封圈8进行水密。
39.在一种可能的实施例中，开口腔体为圆柱腔体，开口腔体内可设置有信号前置放大器。需要说明的是，在长距离声波传输的情况下，需在开口腔体内设置水听器专用信号前置放大器，接收灵敏度更高，以此保证接收声波的准确性。在超短距离的声波传输情况下，可以不设置前置放大器，可根据实际情况选择安装。
40.如图3所示，本发明提供的深水压电式球型声压水听器灵敏度测试结果为未设置信号前置放大器时的进行的测试，测试结果显示，水听器在10khz～100khz的工作频率带宽内具有平坦的接收电压灵敏度，带内接收灵敏度起伏为2.6db，带内平均接收灵敏度为207.1db；在10khz～140khz的工作频率带宽内具有平坦的接收电压灵敏度，带内接收灵敏度起伏为4.9db，带内平均接收灵敏度为206.1db；在10khz～150khz的工作带宽内同样具有平坦的接收电压灵敏度，带内接收灵敏度起伏为6.5db，带内平均接收灵敏度为206.9db。
41.需要说明的是，本发明实施例鉴于测试条件，低频仅测到10khz，不说明该发明不能应用于10khz以下频率，按水听器性能趋势，在低于10khz的实施例中，其灵敏度起伏很小，也能够满足低频测试需求，不再一一列举。
42.本发明提供的深水压电式球型声压水听器，旨在通过对支撑结构进行优化，减少结构件与压电陶瓷球间的结构耦合，以提高水听器的性能。为了降低结构件间的耦合，本技术实施例将现有技术中通用的刚性连接的支撑结构改为柔性连接，通过在陶瓷球与支撑结构间增加柔性去耦材料，有效减少了结构耦合作用对水听器性能的影响。本发明的目的即提供一种深水压电式球型声压水听器，接收声波灵敏度高、工作频带宽，可在10khz～140khz带宽内工作、接收灵敏度带内起伏小、稳定性强，可满足深水(1500m以内)环境使用。
43.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种深水压电式球型声压水听器，其特征在于，包括：支撑件；拼接式压电陶瓷球，包括左半球与右半球，所述左半球与所述右半球通过环氧树脂粘接，其中，所述右半球设置有通孔，所述支撑件的一端插入所述通孔；柔性去耦支架，设置于所述支撑件与所述通孔之间。2.根据权利要求1所述的水听器，其特征在于，所述柔性去耦支架包裹于所述通孔的周边，且与所述通孔贴合。3.根据权利要求1所述的水听器，其特征在于，所述拼接式压电陶瓷球上连接有导线，所述导线连接所述左半球和所述右半球。4.根据权利要求3所述的水听器，其特征在于，所述导线包括正极信号线和负极信号线，所述正极信号线连接所述拼接式压电陶瓷球的内表面，所述负极信号线连接所述拼接式压电陶瓷球的外表面。5.根据权利要求1所述的水听器，其特征在于，还包括：聚氨酯透声橡胶层，包裹所述拼接式压电陶瓷球与部分支撑件，与所述支撑件形成密封体。6.根据权利要求5所述的水听器，其特征在于，所述聚氨酯透声橡胶层与所述拼接式压电陶瓷球外表面、以及包裹的所述部分支撑件贴合设置。7.根据权利要求3任一项所述的水听器，其特征在于，所述支撑件包括：支撑杆，所述支撑杆的一端插入所述通孔内；金属座，一端与所述支撑杆固定连接；电缆连接头，设置于所述金属座的另一端，所述金属座包括开口腔体，所述电缆连接头的一端插入所述开口腔体内；锁紧螺帽，套设于所述电缆连接头的外部，与所述金属座螺纹连接。8.根据权利要求7所述的水听器，其特征在于，所述金属座包括穿线孔，所述导线穿过所述穿线孔设置于所述开口腔体内，并与所述电缆连接头连接。9.根据权利要求7所述的水听器，其特征在于，所述支撑件还包括：o型密封圈，设置于所述开口腔体的开口处，与所述电缆连接头紧密贴合。10.根据权利要求7所述的水听器，其特征在于，所述开口腔体为圆柱腔体，所述开口腔体内设置有信号前置放大器。

技术总结
本发明涉及一种深水压电式球型声压水听器，包括：支撑件；拼接式压电陶瓷球，包括左半球与右半球，左半球与右半球通过环氧树脂粘接，其中，右半球设置有通孔，支撑件的一端插入通孔；柔性去耦支架，设置于支撑件与通孔之间。本申请实施例通过在陶瓷球与支撑结构间增加柔性去耦材料，减少结构件与压电陶瓷球间的结构耦合，有效减少了结构耦合作用对水听器性能的影响，解决了现有技术中，水听器在宽频带上接收灵敏度差，声波信号接收信号起伏大的技术问题。问题。问题。


技术研发人员：陈模江 赵永成 郝程鹏 李海亮 常文娟 廖力鸣
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/11