MEMS同振型三维组合水听器

测量装置的制造及其应用技术mems同振型三维组合水听器技术领域1.本发明属于水声传感器技术领域，具体是一种mems同振型三维组合水听器。背景技术：2.uuv无人潜航器在水下探测与水下反探测方面聚焦了水声领域的高度关注，近些年，uuv无人潜航器在水下作战领域被广泛应用，uuv无人潜航器体积小、灵敏度高，可以适应复杂的海洋环境。但是近些年对于追踪水下微弱信号的目标对uuv无人潜航器又提出了更高的要求。基于鱼类仿生研究，提出使用mems矢量水听器构建uuv mems声自导系统，使uuv可以在复杂的环境海洋环境中提取微弱声信号，从而完成跟踪目标、分辨敌我、攻击目标、智能编队等任务。mems同振型矢量水听器具有灵敏度高、体积小、带宽宽等特点，十分适用于uuv mems声自导系统。因此，研制一种全新结构及性能的mems同振型矢量水听器用于uuv无人潜航器就显得尤为重要了。技术实现要素：3.本发明的目的是为了搭建uuv mems声自导系统舱段、提高uuv无人潜航器声自导准确性，而提供一种mems同振型三维组合水听器。该水听器集成了一款mems电容式三轴加速度计作为矢量通道、集成了一款memes全向性麦克风作为声压通道，大大减小了mems同振型三维组合水听器的体积，增加了mems同振型三维组合水听器的灵敏度。4.本发明是通过如下技术方案实现的：一种mems同振型三维组合水听器，包括圆球状封装舱，圆球状封装舱的内部中心位置处设有长方体状的电路板放置舱，圆球状封装舱内部位于电路板放置舱上方的位置处设有球台状的上部气体密封腔，圆球状封装舱内部位于电路板放置舱下方的位置处设有球台状的下部气体密封腔，上部气体密封腔和下部气体密封腔以电路板放置舱对称设置；电路板放置舱内安装有控制电路板，控制电路板上集成有声矢量通道、声压通道和信号调理电路；控制电路板上连接有输出信号缆，输出信号缆穿过上部气体密封腔后从圆球状封装舱的顶端穿出，并与外部uuv无人潜航器连接；控制电路板上连接有输入信号缆，输入信号缆穿过下部气体密封腔后从圆球状封装舱的底端穿出，并与外部uuv无人潜航器连接；圆球状封装舱的上半部外表面沿其周缘均布设置有四个上部弹性悬挂件，圆球状封装舱的下半部外表面沿其周缘均布设置有四个下部弹性悬挂件，四个上部弹性悬挂件和四个下部弹性悬挂件以电路板放置舱对称设置。5.进一步的，声矢量通道由mems电容式三轴加速度计构成，声压通道由mems电容式全向性麦克风构成。6.进一步的，mems电容式三轴加速度计的矢量通道三轴方向带宽一致且均为10hz-1000hz,灵敏度一致且均为-174.6db，误差范围在0.3db之内；mems电容式全向性麦克风的声压通道具有全向性，灵敏度为-173.4db。7.进一步的，圆球状封装舱由上部半球状舱体和下部半球状舱体对接而成；上部半球状舱体的底面中心位置开设有上部长方体凹槽，上部气体密封腔开设在上部半球状舱体内部位于上部长方体凹槽上方的位置处，上部长方体凹槽的中心位置处以及上部气体密封腔的腔顶中心位置处均开设有供输出信号缆穿过的过孔；下部半球状舱体的顶面中心位置开设有下部长方体凹槽，下部气体密封腔开设在下部半球状舱体内部位于下部长方体凹槽下方的位置处，下部长方体凹槽的中心位置处以及下部气体密封腔的腔底中心位置处均开设有供输入信号缆穿过的过孔；上部长方体凹槽和下部长方体凹槽对接组成电路板放置舱。8.进一步的，上部半球状舱体的底面上沿其周缘处设置有一圈环形凹槽，下部半球状舱体的顶面上沿其周缘处设置有一圈环形凸缘，上部半球状舱体上的环形凹槽与下部半球状舱体上的环形凸缘卡接固定后实现上、下部半球状舱体的对接连接。9.进一步的，上部长方体凹槽内的对角两侧分别设置有用于固定控制电路板的固定卡。10.进一步的，上部半球状舱体和下部半球状舱体均采用树脂材料制作而成，上部半球状舱体和下部半球状舱体的对接处采用聚氨酯灌封胶进行密封处理，控制电路板采用聚氨酯灌封胶灌封于电路板放置舱内，输出信号缆、输入信号缆穿过的过孔处均采用聚氨酯灌封胶进行密封处理。11.本发明水听器主要适用于uuv无人潜航器声自导系统的搭建，为uuv精准探测海底微弱信号、海下编队等任务提供帮助。uuv无人潜航器声学传感器舱具有承压能力，所以本发明水听器封装舱不需要考虑承压能力，进而采用在封装舱内密封低密度气体来降低水听器整体平均密度，使其与uuv无人潜航器水声传感器舱内水介质密度相同，从而达到同振的目的。本发明水听器的结构设计使封装过程由繁至简，减小了封装所需时间。本发明球型封装舱采用低密度树脂材料制成，其平均密度约为1.17g/cm3，具有良好的可塑性，表面光洁度高。本发明水听器中集成了一款mems电容式三轴加速度计来检测水下声场的矢量信息、集成了一款mems电容式全向性麦克风来检测水下声场标量信息，两通道结合使水听器可以更加具体的描述水下声场的信息，避免了左右舷模糊的问题；mems电容式三轴加速度计体积小、功耗小、价格低、灵敏度高，使同振型矢量水听器三轴具有良好的指向性以及高灵敏度；mems电容式全向性麦克风带宽宽，稳定性高，信噪比高。将带有mems电容式三轴加速度计、mems电容式全向性麦克风及信号调理电路的控制电路板使用聚氨酯灌封胶封装在电路板放置舱内，聚氨酯灌封胶具有防水性好、强稳定性、透声性、绝缘性，有效减少了由于加速度计偏离几何中心所产生的输出信号误差。12.本发明的理论依据是当满足声学刚性球体的尺寸远远小于声波波长此条件时，将球体置于水中后水质点的振动速度vx与球体未置于水中时水质点的振动速度vo具有以下关系：其中，为水介质密度，为水听器平均密度。13.由上式可以看出，当声学刚性球体的直径远小于声波波长且声学刚性球体的平均密度接近水的密度时，声学刚性球体在水声声波的作用下做自由运动，且其振动速度、振动幅值与水声声波作用下水质点振速与幅值相同，相位差几乎为零。由此可知，同振型矢量水听器同振型矢量水听器主要检测的是水声声波作用下，同振型矢量水听器中心质点所产生的振速、振动幅值等矢量信息。14.通过弹性悬挂件将本发明水听器以弹性悬挂的方式置于水中，在声波作用下，同振型三维组合水听器与水介质产生相同速度与幅值的振动，置于同振型三维组合水听器中心的mems电容式三轴加速度计将获取到的矢量信息转换为电信号输出，最后结合由mems电容式全向性麦克风构成的声压通道的输出，计算出目标方位的具体位置，以达到uuv无人潜航器水下探测与反探测、智能编队等目标。15.本发明水听器随着维数的增加，可以在水下获取到更加全面的水声信息，再结合声压通道拾取的水声标量信息，可以更加完整的描述水下声场的状态，例如水下被探测目标的方位信息，给uuv无人潜航器在完成水下任务时提供更多有用信息。16.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1）采用mems电容式三轴加速度计作为矢量通道，三轴余弦指向性较好；三轴具有一致性较好的高灵敏度；三轴带宽一致为10-1000hz。17.2）采用mems电容式全向性麦克风作为声压通道，避免了使用多个声压水听器造成的同振型矢量水听器尺寸过大问题，本发明设计的同振型矢量水听器直径不超过36mm。18.3）采用低密度树脂作为本发明封装舱的材料，低密度树脂可塑性较强，表面光洁度高，制品柔韧性高，耐腐蚀，耐高低温，抗老化，使用寿命长。19.4）设计了两个对称分布的气体密封腔，使mems同振型三维组合水听器平均密度达到1.01g/cm3，与水密度近似，达到共振目的，且效果良好。20.5）圆球状封装舱上设置有八个与封装舱一体化且对称的弹性悬挂件，其优点为可以使水听器重心与中心重合，从而提高位于水听器中心的声矢量通道与声压通道检测信号的精确度。附图说明21.图1 为本发明mems同振型三维组合水听器的结构主视图。22.图2 为本发明mems同振型三维组合水听器中上部半球状舱体的立体结构示意图。23.图3 为本发明mems同振型三维组合水听器中下部半球状舱体的立体结构示意图。24.图中：1-圆球状封装舱、2-电路板放置舱、3-上部气体密封腔、4-下部气体密封腔、5-上部弹性悬挂件、6-过孔、7-下部弹性悬挂件、8-控制电路板、9-声矢量通道、10-声压通道、11-输出信号缆、12-输入信号缆；1-1-上部半球状舱体、1-2-下部半球状舱体、2-1-上部长方体凹槽、2-2-下部长方体凹槽、2-3-固定卡；1-1-1-环形凹槽、1-2-1-环形凸缘。具体实施方式25.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。27.如图1至图3所示，一种mems同振型三维组合水听器，包括圆球状封装舱1，圆球状封装舱1的内部中心位置处设有长方体状的电路板放置舱2，圆球状封装舱1内部位于电路板放置舱2上方的位置处设有球台状的上部气体密封腔3，圆球状封装舱1内部位于电路板放置舱2下方的位置处设有球台状的下部气体密封腔4，上部气体密封腔3和下部气体密封腔4以电路板放置舱2对称设置。具体的：圆球状封装舱1由上部半球状舱体1-1和下部半球状舱体1-2对接而成，上部半球状舱体1-1的底面上沿其周缘处设置有一圈环形凹槽1-1-1，下部半球状舱体1-2的顶面上沿其周缘处设置有一圈环形凸缘1-2-1，上部半球状舱体1-1上的环形凹槽1-1-1与下部半球状舱体1-2上的环形凸缘1-2-1卡接固定后实现上、下部半球状舱体1-2的对接连接；上部半球状舱体1-1的底面中心位置开设有上部长方体凹槽2-1，上部气体密封腔3开设在上部半球状舱体1-1内部位于上部长方体凹槽2-1上方的位置处，上部长方体凹槽2-1的中心位置处以及上部气体密封腔3的腔顶中心位置处均开设有供输出信号缆穿过的过孔6；下部半球状舱体1-2的顶面中心位置开设有下部长方体凹槽2-2，下部气体密封腔4开设在下部半球状舱体1-2内部位于下部长方体凹槽2-2下方的位置处，下部长方体凹槽2-2的中心位置处以及下部气体密封腔4的腔底中心位置处均开设有供输入信号缆穿过的过孔6；上部长方体凹槽2-1和下部长方体凹槽2-2对接组成电路板放置舱2，且在上部长方体凹槽2-1内的对角两侧分别设置有用于固定控制电路板的固定卡2-3；上部半球状舱体1-1的外表面沿其周缘均布设置有四个上部弹性悬挂件5，下部半球状舱体1-2的外表面沿其周缘均布设置有四个下部弹性悬挂件7，四个上部弹性悬挂件5和四个下部弹性悬挂件7以电路板放置舱2对称设置；弹性悬挂件与圆球状封装舱1为一体化设计，弹性悬挂件连接橡胶绳，再通过橡胶绳与uuv舱内挂钩相连接从而将圆球状封装舱1整体悬挂于uuv声自导舱段内。制作时，采用3d打印技术将上部半球状舱体1-1的全部结构构造以及下部半球状舱体1-2的全部结构构造打印制作，材质采用平均密度约为1.17g/cm3的低密度树脂材料进行制作。圆球状封装舱1的外直径为36mm；过孔6的直径为2.5mm；弹性悬挂件为长方体片状结构，其长、宽、高分别为10mm、10mm、7mm，悬挂孔直径为4mm；电路板放置舱2的长、宽、深分别为22mm、11mm、5mm；气体密封腔形状为直径34mm的球台状，高为3.5mm，顶部直径为27.7mm，底部直径为30.7mm。28.电路板放置舱2内通过固定卡2-3安装有控制电路板8，控制电路板8上集成有声矢量通道9、声压通道10和信号调理电路；其中，声矢量通道9由mems电容式三轴加速度计构成，且位于整个圆球状封装舱1的中心处，mems电容式三轴加速度计的矢量通道三轴方向带宽一致且均为10hz-1000hz,灵敏度一致且均为-174.6db，误差范围在0.3db之内；声压通道10由mems电容式全向性麦克风构成，mems电容式全向性麦克风的声压通道具有全向性，灵敏度为-173.4db。29.控制电路板8上连接有输出信号缆11，输出信号缆11穿过上部气体密封腔3后从圆球状封装舱1的顶端穿出，并与外部uuv无人潜航器连接；控制电路板8上连接有输入信号缆12，输入信号缆12穿过下部气体密封腔4后从圆球状封装舱1的底端穿出，并与外部uuv无人潜航器连接；输出信号缆11和输入信号缆12的数量相同，以达到同振型三维矢量水听器的几何重心与中心重合。30.密封处理：将聚氨酯灌封胶的甲胶与乙胶按1:1的比例混合，将其放入真空除泡机中进行除泡处理。使用除泡完成后的聚氨酯灌封胶将控制电路板8灌封固定于电路板放置舱2内，上部半球状舱体1-1和下部半球状舱体1-2的对接处采用聚氨酯灌封胶进行密封处理，输出信号缆11、输入信号缆12穿过的过孔6处均采用聚氨酯灌封胶进行密封处理。31.本实施例所述水听器外直径不超过36mm，采用驻波桶声学标定系统对本实施例所述水听器进行标定，矢量通道带宽为10-1000hz，灵敏度为-174.6db（1khz，0db=1v/μpa），具有良好的指向性；声压通道灵敏度为-173.4db（0db=1v/μpa）。









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