一种水下复杂界面湍流边界层脉动压力测试的柔性线阵制造技术

本发明专利技术涉及一种水下复杂界面湍流边界层脉动压力测试的柔性线阵，包括封装体、设置在封装体内的电路板、等间距线性分布设置在电路板一侧的独立单元模块、及集中输出端口；独立单元模块包括压电传感芯片、保护件及外围电路电子元器件，保护件上设置有保护腔，压电传感芯片设置在保护腔内部。本发明专利技术能够直接应用于水下介质，测量水下复杂界面湍流边界层脉动压力的波数

【技术实现步骤摘要】
一种水下复杂界面湍流边界层脉动压力测试的柔性线阵


[0001]本专利技术涉及分析及测量控制
，尤其是一种水下复杂界面湍流边界层脉动压力测试的柔性线阵。

技术介绍

[0002]当流动的雷诺数足够高，流动处于湍流运动状态。湍流边界层内随机的速度扰动产生时空随机脉动压力称为湍流边界层脉动压力。湍流边界层脉动压力是计算水下航行体水动力噪声的激励源输入，具有特殊重要性。一旦湍流边界层脉动压力输给水下航行体的功率确定，再考虑结构与内外流体的耦合作用，即可确定水下航行体的流激振动和声辐射。
[0003]试验获取湍流边界层脉动压力的激励特性一直是水动力噪声机理研究的重要方向。国内外对湍流边界层脉动压力这种面分布时空随机激励力的定量描述主要是基于平面刚性界面湍流脉动压力时空测量，给出其流向及横向相关性，再利用时空变换给出其波数
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频率谱，该方法可以解决平面模型或结构线型曲率较小的类平面模型的激励力特性获取以及水动力噪声评估等问题。对于水下航行体包含舵翼、围壳、上层建筑与艇体结合部位等情况，此时模型的表面曲率较大、界面不连续。界面复杂导致流动愈加紊乱，必然使得湍流边界层脉动压力增加。若仍采用平板模型得到的湍流边界层脉动压力波数
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频率谱作为输入预报水下航行体水动力噪声，将引起较大误差。
[0004]针对平面模型或结构线型曲率较小的类平面简单模型，在低噪声风洞中一般采用散点传感器或者硬板传感器阵列，开展大量的实验测量，通过试验结果回归得到的经验性的湍流边界层脉动压力波数
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频率谱模型；而在循环水槽中通常仅能采用散点传感器或者传感单元间距较大的硬质传感器阵列，开展试验测量，再利用Corcos相关法或者时空傅里叶变换得到湍流边界层脉动压力波数
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频率谱。由于空气介质和水介质存在相似性，通过流激载荷无量纲分析，结果一致性较好。针对水下航行体包含舵翼、围壳、上层建筑与艇体结合部位等界面复杂的三维模型，在循环水槽中，在目前的技术条件下仅能采用散点传感器获得流动载荷的自功率谱，试验数据表明在相同来流条件下，复杂界面模型的水动力载荷量级相对于平面模型明显增加，水动力载荷增加的空间分布随流速增加而增加。
[0005]为准确预报水下航行体的水动力噪声，亟需掌握水下航行体及其附体和上层建筑等复杂表面的湍流边界层脉动压力波数
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频率谱特性。直接利用水介质中的柔性阵列测量复杂界面湍流边界层脉动压力的波数
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频率谱特性，可以简化水下航行体流激载荷获取流程，进一步提升水动力噪声预报精度，但目前水介质中的柔性传感器阵列却未见报道。

技术实现思路

[0006]本申请人针对上述现有技术中的缺点，提供一种水下复杂界面湍流边界层脉动压力测试的柔性线阵，从而实现水下复杂界面湍流边界层脉动压力的波数
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频率谱特性的测量，简化水下航行体流激载荷获取流程，进一步提升水动力噪声预报精度。
[0007]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种水下复杂界面湍流边界层脉动压力测试的柔性线阵，包括封装体、设置在封装体内的电路板、等间距线性分布设置在电路板一侧的独立单元模块、以及集中输出端口；
[0009]所述独立单元模块包括压电传感芯片、保护件及外围电路电子元器件，所述保护件上设置有保护腔，所述压电传感芯片设置在保护腔内部。
[0010]作为上述技术方案的进一步改进：
[0011]所述压电传感芯片为MEMS压电传感芯片，包括输出引脚和地引脚，压电传感芯片的敏感面朝上，通过焊接方式固定在保护腔内部。
[0012]所述保护件为酚醛树脂材质，保护腔内部设置有2个镀金铜箔的管脚，2个管脚通过邦定飞线分别与输出引脚和地引脚连接。
[0013]所述压电传感芯片的敏感面内均匀布置有呈阵列形式分布的敏感元件，敏感元件相互独立，平均输出。
[0014]相邻保护腔的间距均为1～2mm，所述压电传感芯片的声中心间距为5～10mm。
[0015]所述集中输出端口设置在电路板的中间位置，且偏离压电传感芯片线性分布的中心线，以保证压电传感中心的柔性要求。
[0016]所述封装体为聚氨酯材质，且采用硫化封装方式；所述电路板为柔性电路板。
[0017]还包括线缆，所述线缆为低噪声屏蔽水密线缆，线缆上端设置在集中输出端口处，且线缆上端外侧与封装体为一体结构。
[0018]所述封装体的四角处均设置有第一螺栓孔，封装体位于集中输出端口的两侧设置有第二螺栓孔。
[0019]上述水下复杂界面湍流边界层脉动压力测试的柔性线阵的安装方法，包括以下步骤：
[0020]S1、先在被测模型或模块化衬底的表面开柔性线阵凹槽、传输线缆的通孔、螺栓固定用的螺丝孔；
[0021]S2、将柔性线阵的敏感面朝上，埋藏于被测复杂界面预置的凹槽内，采用沉头螺栓固定柔性线阵，保证界面的光顺平整；
[0022]S3、将螺栓位置、柔性线阵与模型表面接缝位置的缝隙部位采用填缝材料抹平，保证表面平整。
[0023]本专利技术的有益效果如下：
[0024]本专利技术能够直接应用于水下介质，测量水下复杂界面湍流边界层脉动压力的波数
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频率谱特性，简化水下航行体流激载荷获取流程，进一步提升水动力噪声预报精度；在实际应用过程中不仅能使测试传感器阵列完全贴合于物体表面、不影响表面线性，还能够达到防水、防腐、电磁隔离、声信号去耦的效果；且安装拆卸方便，可多次重复使用。
[0025]本专利技术还包括如下优点：
[0026](1)本专利技术采用基于MEMS技术的传感芯片拾取复杂界面湍流边界层脉动压力，克服了传感单元间距偏大的阵列设计局限。
[0027](2)本专利技术采用保护腔结构既保护了压电传感芯片，为压电传感芯片的敏感面隔离形成了独立空间，既在物理上解决了不同传感单元之间的声信号耦合问题，又在柔性阵列内部电子电路焊接过程中有效地保护了压电传感芯片与邦定飞线。
[0028](3)本专利技术采用FPC作为内部电路板，具有绝佳的可挠性，可自由弯曲、卷绕、折叠，
实现线阵的柔性设计。
[0029](4)本专利技术采用阵列整体封装的方式，且采用防水防腐蚀且高透声的聚氨酯材料封装成型，防止封装层内部出现多个界面导致压电传感芯片的传感能力下降又起到保护作用，解决了水下防水防腐蚀的问题。
附图说明
[0030]图1为一个实施例中柔性线阵的结构示意图。
[0031]图2为本专利技术中柔性线阵在等间距分布的压电传感芯片中心线处的剖视图。
[0032]图3为本专利技术中保护件和压电传感芯片组装的结构示意图。
[0033]图4为本专利技术中含压电传感芯片的保护件剖视图。
[0034]图5为本专利技术中压电传感芯片的结构示意图。
[0035]图6为另一个实施例中柔性线阵的结构示意图。
[0036]其中：100、封装体；101、第一螺栓孔；10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下复杂界面湍流边界层脉动压力测试的柔性线阵，其特征在于：包括封装体(100)、设置在封装体(100)内的电路板(200)、等间距线性分布设置在电路板(200)一侧的独立单元模块、以及集中输出端口；所述独立单元模块包括压电传感芯片(300)、保护件(400)及外围电路电子元器件(600)，所述保护件(400)上设置有保护腔(401)，所述压电传感芯片(300)设置在保护腔(401)内部。2.如权利要求1所述的水下复杂界面湍流边界层脉动压力测试的柔性线阵，其特征在于：所述压电传感芯片(300)为MEMS压电传感芯片，包括输出引脚(302)和地引脚(303)，压电传感芯片(300)的敏感面(301)朝上，通过焊接方式固定在保护腔(401)内部。3.如权利要求2所述的水下复杂界面湍流边界层脉动压力测试的柔性线阵，其特征在于：所述保护件(400)为酚醛树脂材质，保护腔(401)内部设置有2个镀金铜箔的管脚(411)，2个管脚(411)通过邦定飞线(500)分别与输出引脚(302)和地引脚(303)连接。4.如权利要求1所述的水下复杂界面湍流边界层脉动压力测试的柔性线阵，其特征在于：所述压电传感芯片(300)的敏感面(301)内均匀布置有呈阵列形式分布的敏感元件，敏感元件相互独立，平均输出。5.如权利要求1所述的水下复杂界面湍流边界层脉动压力测试的柔性线阵，其特征在于：相邻保护腔(401)的间距均为1～2mm，所述压电传感芯片(300)的声中心间距为5～10mm。...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘进，张占阳，沈琪，吕世金，庞业珍，张峰，高岩，耿佳傲，白振国，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心，
类型：发明
国别省市：