专利名称：一种三维组合式水听器的制作方法
技术领域：
本发明涉及水听器领域，具体涉及一种具有同步共点测量声压、质点振速和振速一阶空间偏导数能力的三维组合式高指向性水听器。
背景技术：
高指向性水听器是一种能够同步共点测量水下谐和平面波声场中声压(一个分量)、质点振速(三个分量)以及振速空间一阶偏导数(九个分量)的传感器，水质点的振速与水质点声压梯度、振动的位移和加速度等矢量可以相互换算，水质点的振速空间一阶偏导数则与水质点声压空间二阶偏导数、振动位移空间一阶偏导数和加速度空间一阶偏导数等并矢量可以相互转换。高指向性水听器相比其他类型的水听器具有更尖锐的指向性和更高的指向性指数，其组合指向性图(声压、质点振速及振速空间一阶偏导数加权求和的归一化指向性)的_3dB波束宽度最小可达65°，指向性指数9. 5dB，而目前广泛应用的矢量水听器的组合指向性图_3dB波束宽度最小只能达到104°，指向性指数6dB。因此，高指向性水听器在目标的探测与定位等领域具有很广阔的应用前景。
目前已有少量关于高指向性水听器的专利及文献公开发表，这类具有高指向性的水听器为了达到测量振速空间一阶偏导数的目的采用了数目众多的传感器，致使水听器结构复杂，可靠性差，有的高指向性水听器虽然简化了结构，但却无法完整测量声压、质点振速和振速空间一阶偏导数的全部分量。因此，本发明设计制作了一种结构简单，能够同步共点测量水下谐和平面波声场中声压、质点振速以及振速空间一阶偏导数的全部分量的三维组合式高指向性水听器。发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、指向性更为锐化的三维组合式水听器。
本发明的目的是这样实现的
三维组合式水听器，包括二维矢量水听器、声压水听器、刚性框架，二维矢量水听器悬挂于刚性框架的中心位置，声压水听器固定于刚性框架的中心位置，矢量水听器两两对称分布在声压水听器的两侧。
二维矢量水听器为6个，声压水听器为I个，声压水听器位于直角坐标系原点位置，二维矢量水听器两两分别对称分布在原点两侧的X轴、y轴和Z轴上。
二维矢量水听器到声压水听器的距离相等。
同轴向的二维矢量水听器的距离远小于声波波长。
二维矢量水听器、声压水听器通过刚性框架组装固定成三维组合式水听器。
刚性框架由不锈钢材料制成。
本发明的有益效果在于
本发明仅利用六只二维矢量水听器和一只声压水听器就可以完整测量水下平面波声场中的声压、质点振速和振速空间一阶偏导数，能够完整测量声压、质点振速和振速空间一阶偏导数的全部分量，结构简单，指向性更为锐化。
图I是三维组合式水听器敏感元件空间分布图2是矢量水听器结构示意图3是声压水听器固定于刚性框架结构图4是三维组合式水听器空间结构图5是平面波方向性示意图6是三维组合式水听器指向性图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
为了完整的获得水下谐和平面波声场中的声压、质点振速和振速空间一阶偏导数等声场信息，本发明提出了一种三维组合式水听器，由六个二维矢量水听器和一个声压水听器组合而成。矢量水听器I、矢量水听器2对称分布于X轴坐标原点的两侧，敏感轴向为 X、z轴；矢量水听器3、矢量水听器4对称分布于I轴坐标原点的两侧,敏感轴向为x、y轴； 矢量水听器5、矢量水听器6对称分布于z轴坐标原点的两侧，敏感轴向为y、z轴，每个轴向上的两只矢量水听器间距都为L，为了保证测量精度，应满足L << λ, λ为声波波长； 声压水听器7置于直角坐标系的坐标原点，如附图I。
三维组合式水听器还具有如下特点
(I)矢量水听器和声压水听器7位于刚性框架12的几何中心；
(2)矢量水听器的敏感轴向与对称分布的挂钩10在同一平面；
(3)不同坐标轴上的矢量水听器敏感轴向所在平面正交；
(4)七个刚性框架12可按需组装。
在实际测量中，参考附图1，三维组合式水听器中心位置O处的声压P由声压水听器7测得，三个振速分量(ux、uy、uz)由每个轴向上的两只矢量水听器测量求均值得到，九个振速空间一阶偏导数分量 (dux /Px、 duy jdy、dujdz、dux /ay、 duy jdx、 dux jdz、dujdx、duy jdz、duz /dy )由每个轴向上的两只矢量水听器经过有限差分得到近似值。
三维组合式水听器的声压、质点振速以及振速空间一阶偏导数的组合指向性函数可以表示为
(θ,φ) 二 Wp + wxa + wrb + wzc + WxxO1 + w>yh2 + WrzC2 + lab + wx,2ac + Wyz2Z>c| (I)
其中wp、Wx> Wy> Wz> Wxx> Wyy> Wzz> Wxy> Wxz> wyz 为任意加权系数，flr = cosi9sinw， A = Sin Ssinp，c = cos炉，如图5所示，Θ为入射平面波在直角坐标系xoy平面与χ轴的夹角， 称为水平方位角，识为入射平面波与直角坐标系ζ轴的夹角，称为俯仰角。a、b、c分别为三个振速分量ux、uy、uz的归一化指向性函数，a2、b2、c2分别为、QuyJdy, &ζ/&的归一化指向性函数，ab为和的归一化指向性函数,ac为和3义/&的归一化指向性函数，be为和5η;/办的归一化指向性函数。三维组合式水听器的指向性指数可以表示为
4π 2{θ0,φ0)DI = 101^^-^ ° 0；--(2)￡ ￡ D2 (θ,φ)sin φ φ θ
其中，Θ ^为指向性极大值方向在直角坐标系xoy平面与X轴的夹角，％为指向性极大值方向与直角坐标系Z轴的夹角，因此D(久<Ρ)/β(私爲)称为归一化组合指向性函数。对加权系数的不同取值将会影响到指向性图的形状和指向性指数，衡量水听器性能常用的一种指向性图是称为“最大指向性指数”的指向性图，当加权系数Wp = L Wx = -2a0, wy = _2b0, wz = ~2c0, Wtt = —5a: ,w>y = Sb0 ,wz2 =-5c;，wxy = _10a0b0, wxz = -IOa0C0, wyz =-IOb0C0, =cos砵 sin% 也=siii=cos外,令 Θ 0 = 0。，<P0=9Q 即指向性图主极大方向指向直角坐标系x轴正方向，则可得到三维组合式水听器“最大指向性指数”的指向性图，如图6所示，指向性图主瓣_3dB波束宽度65 °，指向性指数DI=9. 5dB，指向性图可通过调整Qtl和％将主极大方向对准任意空间位置，指向性指数和指向性图形状均不发生变化。
如图2所示，二维矢量水听器的敏感轴向与对称分布的四只挂钩8在同一平面。将声压水听器7通过连接件10固定于刚性框架12的中心位置，如图3所示。将矢量水听器用柔性材料13悬挂于刚性框架12的中心位置，柔性材料13嵌入凹槽11中，避免在框架上滑动，悬挂过程中注意矢量水听器的敏感轴向与图I对应，悬挂方式与图4对应。刚性框架 12的每根横梁都有定位孔9，将带有矢量水听器和声压水听器的刚性框架12组装如图4所示，三维组合式水听器14即组装完成。
下面结合附图I对本发明测量声场的方法作更详细的描述
三维组合式水听器可以同步共点测量水下声场中的声压、质点振速和振速一阶空间偏导数。利用声压水听器7可以直接测量三维组合式水听器中心位置O处的声压量P，质点振速u的三个分量可由矢量水听器1-6利用均值法测量得到U1 +W7v
Ux= u 2
Uy = 11 iy ^4j(3)
Uz = ,5ζ
其中，Ulx为矢量水听器I测得的质点振速X轴向分量，U2x为矢量水听器2测得的质点振速X轴向分量，U3y为矢量水听器3测得的质点振速y轴向分量，U4y为矢量水听器4 测得的质点振速I轴向分量，U5z为矢量水听器5测得的质点振速z轴向分量，U6z为矢量水听器6测得的质点振速z轴向分量。根据理想介质中小振幅波的运动方程，假设声波是谐和平面波，则有
- j ω p 0u= V p(4)
其中P ^为介质中没有扰动时的静态密度，j· = ^，角频率ω = 2Jif, f为介质中声波的频率，由上式可见，得到介质的质点振速即可得到声压梯度。继续对上式的左右两边求一阶空间偏导数，则有
权利要求
1.一种三维组合式水听器，包括二维矢量水听器、声压水听器、刚性框架，其特征在于 二维矢量水听器悬挂于刚性框架的中心位置，声压水听器固定于刚性框架的中心位置，矢量水听器两两对称分布在声压水听器的两侧。
2.根据权利要求I所述的一种三维组合式水听器，其特征在于所述二维矢量水听器为6个，声压水听器为I个，声压水听器位于直角坐标系原点位置，二维矢量水听器两两分别对称分布在原点两侧的X轴、y轴和z轴上。
3.根据权利要求I或2所述的一种三维组合式水听器，其特征在于所述二维矢量水听器到声压水听器的距离相等。
4.根据权利要求I或2所述的一种三维组合式水听器，其特征在于所述同轴向的二维矢量水听器的距离小于声波波长。
5.根据权利要求I或2所述的一种三维组合式水听器，其特征在于所述二维矢量水听器、声压水听器通过刚性框架组装固定成三维组合式水听器。
6.根据权利要求I或2所述的一种三维组合式水听器，其特征在于所述刚性框架由不锈钢材料制成。
全文摘要
本发明涉及水听器领域，具体涉及一种具有同步共点测量声压、质点振速和振速一阶空间偏导数能力的三维组合式高指向性水听器。三维组合式水听器，包括二维矢量水听器、声压水听器、刚性框架，二维矢量水听器悬挂于刚性框架的中心位置，声压水听器固定于刚性框架的中心位置，矢量水听器两两对称分布在声压水听器的两侧。本发明仅利用六只二维矢量水听器和一只声压水听器就可以完整测量水下平面波声场中的声压、质点振速和振速空间一阶偏导数，能够完整测量声压、质点振速和振速空间一阶偏导数的全部分量，结构简单，指向性更为锐化。
文档编号G01H3/00GK102914354SQ20121041495
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者杨德森, 孙心毅, 洪连进, 时胜国, 胡博, 周宏坤 申请人:哈尔滨工程大学