一种可安装于结构表面的水下法向声能流测量装置制造方法及图纸

一种可安装于结构表面的水下法向声能流测量装置，它涉及声呐探测技术领域。它解决了现有技术的缺陷。本发明专利技术由振动和声压感知模块、数据采集模块、傅里叶分析模块和声能流合成输出模块构成。本发明专利技术的优点：压电元件与加速度计间设置去耦元件，压电元件采用径向极化方式，设计大大降低了结构振动直接对压电元件的影响，因此，本装置可直接固结安装于水下结构表面，测取表面法向声能流；振动和声压信号感知模块具有体积小、重量轻、结构简单、安装简易的特点，可有效降低元件本身对结构振动和声场的影响。场的影响。场的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种可安装于结构表面的水下法向声能流测量装置


[0001]本专利技术涉及声呐探测
，具体涉及一种可安装于结构表面的水下法向声能流测量装置。

技术介绍

[0002]目前，水下结构表面的声学监测对于水下结构噪声辐射水平实时评估以及水下声场主动控制具有重要意义，获取结构表面声能流需要同时测得结构表面振速和声压，目前还未发现直接可安装于结构表面测取结构表面法向声能流的测量系统。结构表面振速的测量可直接采用加速度计测得加速度计，然后经过时域积分或者频域除以jω获得。结构声压传感器极易受到结构振动的直接影响，表面声压的测量则比较困难。舷侧阵声呐是安装于船体舷侧测量声压的系统，提供了一种结构表面声压测量方法，在声阵和船壳之间填充阻尼材料，并采用钢丝绳隔振器进行隔振，但是低频隔振效果不理想(宋英兰等，舷侧阵隔振降噪方法初步研究，声学于电子工程，1999，54(2)：17
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20)。PVDF水听器提供了一种表面声压测试方法(张玲丽，PVDF水听器的研究，哈尔滨工程大学硕士学位论文，2015)，同时PVDF水听器也可用于加速度测试(肖孙圣等，PVDF水听器加速度响应特性的有限元分析，声学学报，1997，22(4)：338
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344)，但是同时测量声压和振动时必然是相互影响的。矢量水听器是一种新型水声换能器，可以提供水下声场质点矢量振速信息和声压信息，提供了一种水下声能流测试方案，但是矢量水听器都是悬吊在水介质中进行声场测量，尤其同振型矢量水听器多采用金属弹簧或橡胶绳进行悬挂，不适合安装于结构表面，已经提出的可刚性固定的同振型矢量水听器(刘爽，新型矢量水听器研究，哈尔滨工程大学博士学位论文，2016)，解决了敏感元件需要弹性悬挂的问题，但是仍然极易受到结构振动本身的影响。MEMS矢量水听器是一种利用微机电系统的新型水听器，有学者提出可刚性固定的MEMS矢量水听器设计(王续博等，可刚性固定MEMS矢量水听器的设计，微纳电子技术，2016，53(5)：310
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315)，是以降低加速度灵敏度为前提的，因此不适合结构表面的声能流测量。
[0003]综上所述，目前还未发现水下可直接固定安装于结构表面测取结构表面法向声能流的测量技术的报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决结构表面声能流获取时同时测量声压和振动时，加速度计可直接安装于结构测量振动，但现有水听器直接安装于结构表面则极易受到结构振动的直接影响，导致声压测不准，舷侧阵声呐是安装于船体舷侧测量声压的系统，但低频隔振效果不理想的问题，提供了一种可安装于结构表面的水下法向声能流测量装置，解决该问题的具体技术方案如下：
[0005]本专利技术的一种可安装于结构表面的水下法向声能流测量装置，由振动和声压感知模块、数据采集模块、傅里叶分析模块和声能流合成输出模块组成，振动和声压感知模块的输出端与数据采集模块的输入端连接，数据采集模块的输出端与傅里叶分析模块的输入端
连接，傅里叶分析模块的输出端与声能流合成输出模块输入端连接；
[0006]所述的振动和声压感知模块由罩体、压电元件、去耦元件、加速度计、声压信号输出接口、加速度计信号输出接口、信号引线和底座组成，压电元件设置在去耦元件上方，去耦元件下方设置加速度计，压电元件的正负极经信号引线与声压信号输出接口连接，加速度计的下方设有底座，加速度计信号输出接口设在底座的右侧，罩体设在底座的上方；
[0007]所述的数据采集模块用于对振动和声压信号进行采集形成时域数字信号，即将振动和声压信号感知模块获取的加速度模拟信号a和声压模拟信号p进行模数转换，形成加速度数字信号a(t)和声压数字信号p(t)；
[0008]所述的傅里叶分析模块用于对数字信号进行傅里叶分析，形成频域信号，即对加速度时域信号a(t)和声压时域信号p(t)进行傅里叶分析，形成加速度频域信号a(f)和声压频域信号p(f)；
[0009]所述的声能流合成输出模块对加速度和声压数据进行运算处理，可输出声压时域信号p(t)和声压频域信号p(f)，结构表面法向振速时域信号
[0010]v(t)＝∫a(t)dt，结构表面法向振速频域信号结构表面法向声能流密度w(t)＝p(t)v(t)，结构表面法向时域声强结构表面频域声强I(f)＝Re(p(f)v
*
(f))。
[0011]本专利技术的一种可安装于结构表面的水下法向声能流测量装置的优点在于：一、核心是采用振动和声压信号感知模块，由压电元件与加速度计间采用去耦元件进行去耦复合而成，压电元件采用径向极化方式，这种设计大大降低了结构振动直接对压电元件的影响，因此，本装置可直接固结安装于水下结构表面，测取表面法向声能流；二、振动和声压信号感知模块具有体积小、重量轻、结构简单、安装简易的特点，可有效降低元件本身对结构振动和声场的影响，使得测量结果更符合原来的振动和声场实际；三、可输出结构表面声压、法向振速的时域和频域数据，以及法向声能流密度和法向声强，测量信息多样化。
附图说明
[0012]图1是本专利技术的声能流测量装置的示意图，图2是图1中的振动和声压感知模块1的结构示意图，图3是测量装置测得的声压幅值可靠性仿真图，图4是测量装置测得的声压相位可靠性仿真图，图5是测量装置测得的表面法向声强可靠性仿真图，图6未采取径向极化和去耦的测量装置的声压幅值测试效果仿真图，图7未采取径向极化和去耦的测量装置的声压相位测试效果仿真图，图8是未采取径向极化和去耦的测量装置的表面法向声强测试效果仿真图。
具体实施方式
[0013]具体实施方式一：结合图1和图2描述本实施方式。本实施方式由振动和声压感知模块1、数据采集模块2、傅里叶分析模块3和声能流合成输出模块4组成，振动和声压感知模块1的输出端与数据采集模块2的输入端连接，数据采集模块2的输出端与傅里叶分析模块3的输入端连接，傅里叶分析模块3的输出端与声能流合成输出模块4输入端连接；
[0014]所述的振动和声压感知模块1由罩体1
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1、压电元件1
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2、去耦元件1
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3、加速度计1
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4、声压信号输出接口1
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5、加速度计信号输出接口1
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6、信号引线1
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7和底座1
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8组成，压电元件1
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2设置在去耦元件1
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3上方，去耦元件1
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3下方设置加速度计1
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4，压电元件1
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2的正负极经信号引线1
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7与声压信号输出接口1
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5连接，加速度计1
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4的下方设有底座1
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8，底座1
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8为加速度计本体，加速度计信号输出接口1
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6设在底座1
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8的右侧，罩体1
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1设在底座1
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可安装于结构表面的水下法向声能流测量装置，它由振动和声压感知模块、数据采集模块、傅里叶分析模块和声能流合成输出模块组成，其特征在于：振动和声压感知模块的输出端与数据采集模块的输入端连接，数据采集模块的输出端与傅里叶分析模块的输入端连接，傅里叶分析模块的输出端与声能流合成输出模块输入端连接；所述的振动和声压感知模块由罩体、压电元件、去耦元件、加速度计、声压信号输出接口、加速度计信号输出接口、信号引线和底座组成，压电元件设置在去耦元件上方，去耦元件下方设置加速度计，压电元件的正负极经信号引线与声压信号输出接口连接，加速度计的下方设有底座，加速度计信号输出接口设在底座的右侧，罩体设在底座的上方；所述的数据采集模块用于对振动和声压信号进行采集形成时域数字信号，即将振动和声压信号感知模块获取的加速度模拟信号a和声压模拟信号p进行模数转换，形成加速度数字信号a(t)和声压数字信号p(t)；所述的傅里叶分析模块用于对数字信号进行傅里叶分析，形成频域信号，即对加速度时域信号a(t)和声压时域信号p(t)进行傅里叶分析，形成加速度频域信号a(f)和声压频域信号p(f)；所述的声能流合成输出模块对加速度和声压数据进行运算处理，可输出声压时域信号p(t)和声压频域信号p(f)，结构表面法向振速时域信号v(t)＝∫a(t)dt，结构表面法向振速频域信号结构表面法向声能流密度w(t)＝p(t)v(t)，结构表面法向时域声强结构表面频域声强I(f)＝Re(p(f)v
*
(f))。2.根据权利要求1所述的一种可安装于结构表面的水下法向声能流测量装置，其特征在于：所述的加速度计和压电元件通过去耦元件复合而成。3.根据权利要求1所述的一种可安装于结构表面的水下法向声能流测量装置，其特征在于：所述的罩体采用透声橡胶与底座进行硫化封装。4.根据权利要求1所述的一种可...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，周志豪，商德江，李鹏程，肖妍，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：