一种三元定向水听器模块
阅读说明：本技术 一种三元定向水听器模块 (Ternary directional hydrophone module ) 是由 姚纪元 徐余 俞思源 程启航 陶玉春 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种三元定向水听器模块,与常规设计的将放大电路(或匹配电路)作为水听器的部件内置于水听器空间内部方式完全相反,而是将水听器基元作为放大电路的分离器件进行设计,通过结构定位保证水听器基元的相互位置,水听器基元间的位置精度可控制在0.1mm以内。模块化设计后可将输出电缆由3根减少到1根,做到了电缆影响最小化。虽然三元定向水听器模块是一个整体,但水密封装采用水听器基元独立封装方式,将水听器基元声接收面水密胶层减少到最薄,且水听器基元声接收面完全与水介质接触。(The invention provides a ternary directional hydrophone module, which is completely opposite to the conventional design that an amplifying circuit (or a matching circuit) is used as a component of a hydrophone and is arranged in a hydrophone space, a hydrophone element is used as a separation device of the amplifying circuit for design, the mutual positions of the hydrophone elements are ensured through structural positioning, and the position precision among the hydrophone elements can be controlled within 0.1 mm. After the modular design, the number of output cables can be reduced from 3 to 1, and the influence of the cables is minimized. Although the three-element directional hydrophone module is an integral body, the water seal adopts the independent packaging mode of the hydrophone elements, the watertight glue layer of the sound receiving surface of the hydrophone elements is reduced to be thinnest, and the sound receiving surface of the hydrophone elements is completely contacted with the water medium.)
技术领域
本发明属于水声换能器领域，主要是一种三元定向水听器模块。
背景技术
目前，小型水面舰艇球鼻首中装备的声纳基阵多为圆柱阵，该基阵一般为收发一体设计，阵元换能器多为大尺寸纵振换能器，为了能兼顾发射和接收性能，工作带宽一般较窄，并且受限于基阵孔径和阵元数量限制，接收性能相对偏弱。
为了提高小型水面舰艇声纳的探测能力，最好的方式为在球鼻首内部设计一共形接收阵，在接收阵首端位置内侧安装柱形发射阵，这样既能降低发射工作频率，又极大增加了接收阵孔径和阵元数量，对水下目标探测、定位、识别等能力的提升，会有很大帮助。
发明内容
针对小型水面舰球鼻首共形阵的特点，本发明提供了一种三元定向水听器模块。该模块输出信号经过波束形成后具备良好的定向效果，使用该模块可简化镂空型共形阵成阵工艺，优化电缆束走向方式，减小电缆对基阵性能的影响，可使基阵工作频率更高。该三元定向水听器模块不仅可以用于共形阵中，也可用于其它固定阵中。
在水声装备中，为实现对目标的定位功能，空间三点式布置水听器是较为常用的工作模式，比如拖曳接收线阵中的三元阵。但拖曳接收线阵工作频率较低(一般低于2kHz)，水听器在线阵护套内，护套内部充油，没有水密问题，也不存在传输电缆遮挡，因此，水听器固定方式较为简单，直接放置在定位骨架内部，由于空间较为充足，前放电路可在远离水听器处任意放置。定位骨架通过捆绑在强力绳上进行定位，定位精度一般仅能控制在1厘米范围内。舰艇用镂空共形阵声纳，为空间立体结构形式，不仅具备探测功能，同时要具备通信、识别等功能，工作频率上限可在十几千赫以上，因此，阵元之间的影响，包括传输电缆的影响，甚至水密胶层厚度的影响都不能忽略。
本发明的一种三元定向水听器模块，与常规设计的将放大电路(或匹配电路)作为水听器的部件内置于水听器空间内部方式完全相反，而是将水听器基元作为放大电路的分离器件进行设计，通过结构定位保证水听器基元的相互位置，水听器基元间的位置精度可控制在0.1mm以内。模块化设计后可将输出电缆由3根减少到1根，做到了电缆影响最小化。虽然三元定向水听器模块是一个整体，但水密封装采用水听器基元独立封装方式，将水听器基元声接收面水密胶层减少到最薄，且水听器基元声接收面完全与水介质接触。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种三元定向水听器模块，主要包括水听器基元、电路板、定位板、电缆和水密橡胶，水听器基元的两端分别与电路板、定位板相连接，水听器基元固定后采用灌注水密橡胶的方式进行水密。水听器基元作为电路板的分离器件(类似直插电解电容)与电路实现高度融合，集成化程度更高，应用更为便捷。
上述技术方案中，所述的水听器基元输出端设有水听器输出插针并通过水听器输出插针与电路板相连接，一般输出插针为两芯插针；水听器基元尾端设有定位台阶，所述的定位板上设有与定位台阶相配合的定位板定位孔实现定位连接。
上述技术方案中，所述的定位板上设有三个错位设置的定位板定位孔和定位板灌注定位孔，每个定位板定位孔旁标注有定位板标识。
上述技术方案中，所述的电路板设置有前置放大电路，包括3路一致且相互独立的放大电路，并有电路板标识；电路板上还设置有电路板穿缆孔和电路板焊线标识。
上述技术方案中，所述的水听器基元外套装有屏蔽网，屏蔽网的两端设有屏蔽网焊接耳朵，一端用于与电路板焊接，一端用于包覆水听器基元的定位台阶。
上述技术方案中，所述的电路板与水听器输出插针的连接处设置有屏蔽壳，用于将水听器输出插针裸露部分完全遮住；屏蔽壳的四周设置有屏蔽壳焊接耳朵，用于将屏蔽壳焊接在电路板2上。
上述技术方案中，所述的屏蔽壳的顶端及侧面上设置有屏蔽壳灌注进胶孔，用于水密封装时的跑气孔。
与现有技术相比，本发明的三元定向水听器模块，具有更优的定位精度、更方便的成阵接口和更小的尺寸。基于本发明的三元定向水听器模块，为固定式镂空接收阵成阵提供了技术支撑，为一体化声基阵(发射阵内置于接收阵内部)的实现，提供了技术支持。
附图说明
图1是本发明一实施例的应用效果示意图；
图2是本发明一实施例的三元定向水听器模块示意图；
图3是本发明一实施例的水密封装前无屏蔽状态的装配示意图；
图4是本发明一实施例的水密封装前带屏蔽状态的装配示意图；
图5是本发明一实施例的水听器基元部件示意图；
图6是本发明一实施例的电路板部件示意图；
图7是本发明一实施例的定位板部件示意图；
图8是本发明一实施例的屏蔽网部件示意图；
图9是本发明一实施例的屏蔽壳部件示意图；
图10是本发明一实施例的水听器基元指向性测试图；
图11是本发明一实施例的波束图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示为采用本发明提供的三元定向水听器模块的一种应用示例，具体为一种水声镂空共形阵，包含基阵架Ⅰ，发射换能器阵Ⅱ，三元定向水听器模块Ⅲ和三元定向水听器模块定位骨架Ⅳ。为更清晰的显示应用示例，在共形阵中省略了绝大多数三元定向水听器模块和三元定向水听器模块定位骨架，该共形阵对内置的发射换能器阵的发射性能几乎没有任何影响。
如图2至9所示，本发明提供的三元定向水听器模块，包括：
水听器基元1、电路板2、定位板3、屏蔽网4、屏蔽壳5、电缆6和水密橡胶，水听器输出插针11、定位台阶12、电路板标识21、电路板穿缆孔22、电路板焊线标识23、定位板定位孔31、定位板标识32、定位板灌注定位孔33、屏蔽网焊接耳朵41、屏蔽壳焊接耳朵51、屏蔽壳灌注进胶孔52。
其中，水听器基元1作为电路板2的分离器件，水听器基元1的两端分别与电路板2、定位板3相连接，水听器基元1固定后采用灌注水密橡胶的方式进行水密，水密方式为分体式水密，避免水密胶层对水听器模块形成障板效应。
优选的，所述水听器基元，为压电陶瓷圆管水听器，水听器输出为插针形式，插针直径1mm，长度5mm，水听器尾端有直径7mm，长度5mm的定位台阶。
优选的，所述电路板，包含3路一致且相互独立的放大电路，并有1、2、3标识，3路放大电路均匀分布，圆周间隔120°，最大外径66mm，厚度3mm，中间有直径6.5mm穿缆孔。
优选的，所述定位板，材料为增强型ABS塑料，定位板上均匀分布3个直径7.2mm的定位孔，用于与水听器基元的定位台阶相互配合，同时定位孔上标有1、2、3标识。
优选的，所述屏蔽网，为100目铜网卷成圆形焊接而成，直径14mm，在屏蔽网两端，相对位置留有焊线耳朵，一端用于与电路板焊接，一端用于包覆水听器基元定位台阶。
优选的，所述屏蔽壳，为0.2mm铍青铜冲压成型，屏蔽壳四周留有焊线耳朵，用于与电路板焊接，屏蔽壳顶端及侧面有直径1mm若干小孔，作为水密封装时的跑气孔。
优选的，所述电缆，为直径6mm带总屏蔽的6芯橡胶电缆，电缆长度3米。
优选的，所述水密橡胶为聚氨酯橡胶。
具体将准备好的元器件按以下操作执行：
(1)准备工作：用洗洁精或肥皂水清洗水听器基元1和定位板3，烘干自然冷却至室温后待用。用无水乙醇浸泡屏蔽网4和屏蔽壳5，浸泡后取出自然风干。
(2)电路板和电缆组装：裁剪3米长度电缆6，将两端外护套剥掉10cm，一端插入电路板3中间圆孔，将红色芯线焊接电路板的电源“+”标识，蓝色芯线焊接电路板的电源“-”标识，黑色芯线焊接电路板的电源“GND”标识，黄色芯线焊接电路板的信号输出“O1”标识，绿色芯线焊接电路板的信号输出“O2”标识，棕色芯线焊接电路板的信号输出“O3”标识，电缆总屏蔽焊接电路板的“屏蔽”标识。
(3)压电陶瓷切割：将去油处理后的P4压电薄圆片用刀片厚度0.5mm的切割机切割，步进距离为3.5mm，切割深度为2mm。
(4)水听器基元安装：将水听器基元的输出插针穿过电路板的焊线孔，用焊锡进行固定。
(5)屏蔽安装：将屏蔽网4分别套入水听器基元，靠近水听器插针一侧耳朵焊接在电路板上，将屏蔽壳5焊接在电路板水听器插针裸露部分，将插针完全遮住。
(6)水听器基元固定：将屏蔽网远离电路板端的耳朵包覆在水听器基元的定位台阶上，然后分别装入定位板3的3个定位孔中，装入定位孔时要确保定位板上1、2、3的标识与电路板上1、2、3的标识一一对应，然后在定位孔处点一点胶水进行固定。
(7)水密封装：水听器基元固定后，放入专用模具中，通过定位板的灌注定位孔进行定位，采用灌注聚氨酯橡胶的方式进行水密。
(8)测试：按该设计方法制作一样品进行测试，其结果如下，测试频率为6kHz，三元定向水听器模块中三路水听器基元的水平指向性最大不均度仅有1.7dB。
本发明的三元定向水听器模块水池调试结果如图10-11所示，在4～12kHz频率均有较好的测向效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
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