一种扭转型非惯性式矢量水听器
阅读说明：本技术 一种扭转型非惯性式矢量水听器 (Torsional non-inertial vector hydrophone ) 是由 刘爽 蓝宇 赵诗尧 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种扭转型非惯性式矢量水听器,属于振动传感器技术领域。本发明解决了现有水声工程领域非惯性型矢量水听器工作带宽有限、灵敏度较低的问题。本发明首次将压电陶瓷的剪切运动运用在非惯性矢量水听器上,利用了d-(15)高的压电参数实现在小体积条件下非惯性矢量水听器高灵敏度接收,且该非惯性型矢量水听器无需差分输出,可直接输出矢量信号,消除了信号的差分误差,同时也避免了惯性式矢量水听器需要悬挂的不足。(The invention discloses a torsional non-inertial vector hydrophone, and belongs to the technical field of vibration sensors. The invention solves the problems of limited working bandwidth and low sensitivity of the non-inertial vector hydrophone in the field of the existing underwater acoustic engineering. The invention firstly applies the shearing motion of the piezoelectric ceramics to the non-inertial vector hydrophone and utilizes d 15 The high piezoelectric parameters realize high-sensitivity receiving of the non-inertial vector hydrophone under the condition of small volume, and the non-inertial vector hydrophone can directly output vector signals without differential output, thereby eliminating the differential error of the signals and simultaneously avoiding the defect that the inertial vector hydrophone needs to be hung.)
技术领域
本发明涉及一种扭转型非惯性式矢量水听器，属于振动传感器技术领域。
背景技术
矢量水听器是一种可以接收水下声波矢量信号(质点振速、质点加速度或质点位移)的水声换能器。可应用于声纳浮标，潜标系统、水下目标探测、海洋环境背景噪声测量、远距离水声探测等方面。矢量水听器从大类上主要分为惯性式矢量水听器和非惯性式矢量水听器两种。现有惯性式矢量水听器(同振型矢量水听器)虽然低频灵敏度较高，但使用时通常需要悬挂系统，反复悬挂不但会带来系统特性的不稳定且使用不便利，同时悬挂系统会使矢量水听器整体体积过大。而非惯性式矢量水听器(压差型矢量水听器)虽不用悬挂系统，使用比较方便，但其信号通常为差分输出，不但引入了误差，且带宽有限、灵敏度不高。
目前，矢量水听器天然的余弦型指向性及多通道信息输出的特点越发受到重视，而惯性式矢量水听器需要悬挂、非惯性式矢量水听器带宽有限、灵敏度不高的不足限制了矢量水听器进一步应用。因此，提供一种无需悬挂、带宽较大，灵敏度较高的矢量水听器是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有水声工程领域非惯性型矢量水听器工作带宽有限、灵敏度较低的问题，提供一种扭转型非惯性式矢量水听器。
本发明的技术方案：
一种扭转型非惯性式矢量水听器，包括接收棒1、外套2、压电陶瓷环3和内衬杆4，所述的压电陶瓷环3紧密套装在内衬杆4上，外套2紧密套装在压电陶瓷环3的外侧，接收棒1竖直固定在外套2的外侧。
进一步限定，压电陶瓷环3极化方向为圆环圆周的切线方向。
进一步限定，该矢量水听器通过内衬杆4固定在U形基座5的开口端。
进一步限定，压电陶瓷环3的外电极面为信号输出电极，压电陶瓷环3的内电极面为接地端。
进一步限定，接收棒1的材质为声学刚性材料或低密度复合材料。
更进一步限定，接收棒1的材质为金属或玻璃微珠与环氧树脂组成的低密度复合材料。
进一步限定，内衬杆4和基座5的材质为钢、铜或高密度合金材料。
进一步限定，外套2的材质为铝合金等低密度金属材料。
进一步限定，多个矢量水听器的内衬杆4连接形成阵列，相邻矢量水听器的接收棒1互相平行，相邻矢量水听器之间的距离为所需频率半波长。
进一步限定，多个矢量水听器的内衬杆4连接形成二维矢量水听器，相邻矢量水听器的接收棒1互相垂直，相邻矢量水听器之间的距离远小于所需频率波长。
本发明具有以下有益效果：本发明首次将压电陶瓷的剪切运动运用在非惯性矢量水听器上，利用了d15高的压电参数实现在小体积条件下非惯性矢量水听器高灵敏度接收，且该非惯性式矢量水听器无需差分输出，可直接输出矢量信号，消除了信号的差分误差，同时也避免了惯性式矢量水听器需要悬挂的不足。
附图说明
图1为矢量水听器结构示意图；
图2为切向极化的压电陶瓷环示意图；
图3为实施例1的矢量水听器的灵敏度曲线图；
图4为实施例1的矢量水听器的指向性图；
图5为实施例2矢量水听器阵列图；
图6为实施例3二维矢量水听器结构图；
图中1-接收棒，2-外套，3-压电陶瓷环，4-内衬杆，5-基座，6-外电极面，7-内电极面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
如图1所示，矢量水听器包括接收棒1、外套2、压电陶瓷环3和内衬杆4，所述的压电陶瓷环3紧密套装在内衬杆4上，外套2紧密套装在压电陶瓷环3的外侧，接收棒1竖直固定在外套2的外侧，压电陶瓷环3极化方向为圆环圆周的切线方向。如此设置，如图2所示，压电陶瓷环3极化方向为沿圆周的切向方向，即θ方向，当接收棒1受力运动时，与接收棒1紧密连接的外套2相对内衬杆4产生相对运动，使压电陶瓷环3产生扭转运动，压电陶瓷环3的外电极面6和内电极面7产生电势差，输出电荷，其电荷量Sq为：
Sq＝γFxd15
其中，Fx为接收棒1上沿X方向受到声压梯度力，γ为力的转化系数，d15为压电常数。
如图1，当水下声波沿XY平面传播时，在接收棒1上沿X方向受到声压梯度力Fx可通过在其表面的声压值积分求得：
其中F为声压梯度力，α为声压梯度力与X轴夹角，Po为入射声压，Pff为接收棒1上的散射声压，s为接收棒1的表面积。
电压输出为Sv＝Sq/C0，其中C0为压电陶瓷环3内、外电极之间的静态电容。
又由于声压梯度力正比于水中加速度，即F＝βa，a为水质点加速度，β为系数。
因此，矢量水听器输出电压正比于质点加速度信号。其灵敏度可用Mp＝Sv/Po求出。
该矢量水听器通过内衬杆4固定在U形的基座5的开口端。
接收棒1的材质为声学刚性材料，如金属或玻璃微珠与环氧树脂组成的低密度复合材料，由于该矢量水听器的接收灵敏度的大小主要由接收棒1的高度及表面积大小影响，对对接收棒1的材料不敏感，因此在质量要求严格的情况下推荐使用低密度复合材料来制作接收棒1，以降低矢量水听器整体质量。
内衬杆4和基座5的材质为钢、铜或高密度合金材料。外套2的材质为铝合金。
压电陶瓷环3的外电极面6为信号输出电极，与信号输出线连接，压电陶瓷环3的内电极面7为接地端，由于外套2与外电极面6紧密接触，信号线也可从外套2输出。
上述矢量水听器的灵敏度曲线图和指向性图分别如图3和图4所示，矢量水听器灵敏度约为-204.5dB(@1kHz)，满足每倍频程6dB的斜率特性。上限工作频率可达到3kHz。指向性满足矢量水听器“8”字型余弦指向性特征。
实施例2：
实施例1的矢量水听器只能接收一维的矢量信号，为了增加其实用效能，可将多个矢量水听器组成阵列，具体操作为去除基座5将内衬杆4直接连接，如图5所示，相邻矢量水听器的接收棒1互相平行，相邻矢量水听器之间的距离为所需频率半波长。
实施例3：
实施例1的矢量水听器只能接收一维的矢量信号，为了增加其实用效能，可将两个矢量水听器组成二维矢量水听器，如图6所示，相邻矢量水听器的接收棒1互相垂直，可进行正交双通道接收。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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