一种高静水压低频校准腔体及测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种高静水压低频校准腔体及测试方法，主要包括金属腔体、发射换能器、互易换能器、手动压力泵和压力表，金属腔体为一圆柱形密闭的不锈钢腔体，内部充满传声介质，金属腔体内安装有发射换能器、互易换能器和被测水听器，发射换能器和互易换能器安装在金属腔体内两侧对称位置；手动压力泵通过进液阀门与金属腔体相连通，用于向金属腔体内施加高静水压力，进液阀门用于金属腔体与手动压力泵连通或隔离；金属腔体内的排液孔与排液阀门相连通，压力表用于监控金属腔体内的压力。本发明有益的效果：被测水听器与互易换能器通过比较法可测试水听器低频接收灵敏度。
【专利说明】一种高静水压低频校准腔体及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水声测量领域，是一种高静水压低频校准腔体及测试方法。
【背景技术】
[0002]地球上大约3/4的面积为海洋，在陆地资源日益匮乏、某些资源使用殆尽的今天，世界各国都把目光投向了广阔的海洋，特别是深海。海洋资源的探测、开发利用是今后若干年发展的重点。2012年6月24日，由我国自主研发、具有自主知识产权的首个7000米载人深海潜水器“蚊龙”号，在下潜试验中下潜深度达7020米，突破了 7000米水深大关，创造了中国载人深潜的新历史。如何对“蚊龙”号等深潜器搭载的声学传感器进行高静水压下的性能校准显得尤为急迫。声学探测(如利用深水拖曳阵声纳、深水ADCP声纳探测等)，是深海资源探测手段的重要组成部分。对这些声学系统和深水换能器在实际使用条件下声学性能的校准是十分必要的。声波测井是石油测井的一个重要手段，声波测井仪在井下几千米的环境下工作，安装在测井仪上的声学传感器同样承受着几十兆帕的静水压力，准确测试其在高静水压环境下的性能，同样是一项非常有意义的工作。
[0003]对水听器低频接收灵敏度进行校准的方法有:振动液柱法、压电补偿法、耦合腔互易法等。振动液柱法是通过振动加速度的测量来求定标准水听器声压灵敏度的方法，适合于常压下的低频灵敏度校准。压电补偿法原理为:在一个充水的刚性小水腔中放置两个换能器，一个是源换能器，另外一个是补偿换能器。当源换能器受电信号Ds激励时，在水腔中产生声压P。若腔体尺寸远小于水中声波波长，可认为腔中声压P是处处相等的。待测水听器置于腔中，在声压P的作用下产生开路电SUH(I。根据定义，水听器的声压灵敏度为M =UhoZp，因此只要求P值，就可得到M。补偿换能器的工作面在源换能器产生的声压P作用下发生振动。这时如果用一个与Ds同频率的电信号D。激励补偿换能器，并调节D。的幅度与相位使它的工作面停止振动，则补偿换能器在电信号D。作用下会在腔中产生相同值的声压P。补偿换能器工作面是否停止振动，在源换能器不工作的情况下，由附着在补偿换能器上的位移监测器判断。通过一系列的推导计算，可得到被测水听器声压灵敏度。补偿法是一种灵敏度的绝对校准方法，测试过程比较复杂，同样只适合于常压下低频灵敏度校准。以上方法建立的测试装置，构成复杂，测量程序和装置维护比较繁琐。
[0004]在国内，耐高静水压低频研究较少，国防科技工业水声一级计量站建立的高压消声水池能校准水听器接收灵敏度，频率范围2kHz?200kHz，最高静水压lOMPa，不能解决低频灵敏度校准问题。哈尔滨工程大学和国防科技工业水声一级计量站均建立的耦合腔校准系统，测试频率范围20Hz?2kHz，最高静水压高达lOMPa，仍然远远不能满足50MPa甚至更高静水压的需要，受腔体及发射换能器的限制，提高耐压能力难度极大。本发明主要从耐高压腔体设计及耐高压换能器入手，建立耐高压的比较法校准装置，具有构成简单、易于操作和维护的特点，实现最高达70MPa高静水压下的低频灵敏度校准。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种高静水压低频校准腔体及测试方法，主要是一种柱形耐高压金属密封腔体，腔内充满传声介质(如水、甲基硅油、蓖麻油等)，在腔体内部装有压电发射换能器，在信号源和功放推动下，在介质中产生所需的高信噪比、稳定的低频均匀声场，被测水听器与互易换能器通过比较法可测试水听器低频接收灵敏度。利用手动压力泵向金属腔体内注入液体，在腔体内形成稳定的高静水压环境，从而实现了高静水压条件下的低频灵敏度测量。
[0006]本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种高静水压低频校准腔体，主要包括金属腔体、发射换能器、互易换能器、手动压力泵和压力表，金属腔体为一圆柱形密闭的不锈钢腔体，内部充满传声介质，金属腔体内安装有发射换能器、互易换能器和被测水听器，发射换能器和互易换能器安装在金属腔体内两侧对称位置；手动压力泵通过进液阀门与金属腔体相连通，用于向金属腔体内施加高静水压力，进液阀门用于金属腔体与手动压力泵连通或隔离；金属腔体内的排液孔与排液阀门相连通，压力表用于监控金属腔体内的压力；所述的金属腔体，主要包括罐体、盖体、封头、升降杆、长手柄和短手柄，封头通过升降杆与短手柄相连接，盖体设置在封头上并与长手柄相连接，罐体和盖体采用多圈梯形承压螺纹连接，罐体采用带“O”形密封圈封头密封，罐体的空腔内设有发射换能器、互易换能器和被测水听器。
[0007]所述互易换能器与发射换能器结构形式相同，用于校准时作为比较标准使用；所述的发射换能器主要包括金属支撑结构、耐高压去耦件、压电陶瓷半球、防水透声层和水密电缆，用于产生低频宽带声信号；压电陶瓷半球引出两根导线与水密电缆相连接，压电陶瓷半球采用发射型压电陶瓷PZT4或大功率压电陶瓷PZT8，形状为半球壳形，耐高压去耦件设置在压电陶瓷半球内部，防水透声层设置在压电陶瓷半球外部。
[0008]这种采用高静水压低频校准腔体的测试方法，该方法包括如下步骤:校准测试过程:转动短手柄及长手柄将封头及盖体提升，直至盖体完全脱离罐体，将盖体移走；在罐体中安装被测水听器，安装完成后向罐体内注入液体至排液孔位置，进液阀门和排液阀门保持打开；移回盖体对准罐体口中心，转动长手柄将承压螺纹旋入，转动短手柄，使封头降至罐体密封面位置；转动长手柄至承压螺纹底端；拧紧排液阀门，上下摇动手动压力泵开始加压，当压力表指示压力达到测试所需静水压时，停止加压，关闭进液阀门；利用信号源及功放为发射换能器提供激励信号，发射换能器在金属腔体内产生均匀声压，通过测试被测水听器及互易换能器的开路电压即可计算被测水听器接收灵敏度，完成测试后，缓慢开启进液阀门及排液阀门，使金属腔体内压力为零，打开盖体取出被测水听器，测试过程结束。
[0009]本发明的有益效果为:
[0010](I)本发明一种高静水压低频灵敏度校准腔体，发射换能器采用耐高压去耦材料，去耦材料的最高耐压强度为70MPa，保证发射换能器在高静水压下工作结构不会破坏，同时有较好的去耦、隔振效果。
[0011](2)本发明一种高静水压低频灵敏度校准腔体，发射换能器敏感元件采用压电陶瓷半球，换能器结构简单，可靠性高。半球形结构为球对称，承压能力强，体积小，适合在高静水压环境下使用。
[0012](3)本发明一种高静水压低频灵敏度校准腔体，发射换能器与互易换能器采用环氧树脂灌注，与常用的氯丁橡胶硫化或聚氨酯胶灌注，更能保证腔体内的刚性条件，同时也起到防水透声的作用。
[0013](4)本发明一种高静水压低频灵敏度校准腔，在金属腔体中，罐体和盖体采用多圈梯形承压螺纹连接，梯形螺纹承压强度高，保证金属腔体在高静水压下使用安全。罐体和封头采用带“O”形密封圈封头密封，高压密封性能良好，打开、关闭盖体操作方便。
[0014](5)本发明一种高静水压低频灵敏度校准腔，互易换能器接收灵敏度采用互易法校准，测量不确定度小，测量精度高。被测水听器接收灵敏度采用比较法校准，测试速度快，测试效率高。
[0015](6)本发明一种高静水压低频灵敏度校准腔，加压设备采用手动压力泵，加压过程缓慢进行，加压速度便于控制，减小对金属腔体和换能器的损坏，延长校准装置的使用时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的总体结构示意图；
[0017]图2为本发明中发射换能器的剖面示意图；
[0018]图3为本发明中金属腔体剖面结构示意图。
[0019]附图标记说明:1、金属腔体；2、发射换能器；3、互易换能器；4、手动压力泵；5:压力表；6:排液阀门；7:金属支撑结构；8:耐高压去耦件；9:压电陶瓷半球；10:防水透声层；11:水S电缆;12 体；13:盖体；14:封头；15:升降杆；16:长手柄；17:短手柄；18:进液阀门；19、被测水听器。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明:
[0021]本发明是为了解决在高静水压条件下，水听器低频灵敏度的校准，提出了一种利用压电陶瓷半球发射换能器发射声信号，在刚性密闭金属腔体中形成均匀声场，利用耐高压压电换能器发射声信号，手动压力泵为腔体内提供高静水压环境，被测水听器与互易换能器通过比较法测试低频接收灵敏度，手动压力泵为金属腔体提供所需的高静水压力，从而实现最高至70MPa高静水压下的低频接收灵敏度校准测量。
[0022]如图所示，这种高静水压低频校准腔体，主要包括金属腔体1、发射换能器2、互易换能器3、手动压力泵4和压力表5，金属腔体I为一圆柱形密闭的不锈钢腔体，内部充满传声介质，金属腔体I内安装有发射换能器2、互易换能器3和被测水听器19，发射换能器2和互易换能器3安装在金属腔体I内两侧对称位置；手动压力泵4通过进液阀门18与金属腔体I相连通，用于向金属腔体I内施加高静水压力，实现高静水压测试条件。进液阀门18用于金属腔体I与手动压力泵4连通或隔离；金属腔体I内的排液孔与排液阀门6相连通，压力表5用于监控金属腔体I内的压力；所述的金属腔体1，主要包括罐体12、盖体13、封头14、升降杆15、长手柄16和短手柄17，封头14通过升降杆15与短手柄17相连接，盖体13设置在封头14上并与长手柄16相连接。为了保证高静水压条件下的安全，罐体12和盖体13采用多圈梯形承压螺纹连接，罐体12采用带“O”形密封圈封头14密封，罐体12的空腔内设有发射换能器2、互易换能器3和被测水听器19。封头与升降杆连接，通过升降杆来控制封头移动。该结构形式安全性高，打开、关闭腔体操作简便。
[0023]所述互易换能器3与发射换能器2结构形式相同，用于校准时作为比较标准使用；所述的发射换能器2主要包括金属支撑结构7、耐高压去耦件8、压电陶瓷半球9、防水透声层10和水密电缆11，用于产生低频宽带声信号；压电陶瓷半球9引出两根导线与水密电缆11相连接，依次压电陶瓷半球9、耐高压去耦材料8及金属支撑结构7粘接起来，在一定温度压力下固化。最后利用灌注模具形成防水透声层10。压电陶瓷半球9采用发射型压电陶瓷PZT4或大功率压电陶瓷PZT8，形状为半球壳形，厚度2-3mm为最佳，其直径由腔体校准频率下限决定，测试频率越低，直径越大。耐高压去耦件8设置在压电陶瓷半球9内部，防水透声层10设置在压电陶瓷半球9外部。
[0024]所述互易换能器，在结构上与发射换能器相同，均采用耐高压去耦材料，能在高静水压条件下工作。互易换能器接收灵敏度通过互易法校准。发射换能器在信号源及功放激励下，在腔中产生均匀的声压；同时位于腔中适当位置的被测水听器和互易换能器，在相同的声压作用下各自产生开路电压Ux和U。，则被测水听器声压灵敏度可表示为:
[0025]M = 20 Ig + M0
[0026]式中，M为被测水听器灵敏度级，M0为互易换能器声压灵敏度级。
[0027]所述手动压力泵，主要用于向金属腔体中提供高静水压力。因金属腔体体积很小，如用电动压力泵，升压速度过快，压强很难准确控制。使用手动压力泵缓慢升高静水压，减少对换能器和腔体的结构破坏，压力控制更加准确。
[0028]所述压力表用于监视金属腔体内的静水压，测试过程中，换能器或被测水听器结构被损坏，可以通过压力表第一时间反应出来。
[0029]所述金属腔体声学要求是刚性的，通常采用不锈钢材料加工而成，从声学上考虑，腔体设计必须满足三个条件:①腔内壁及换能器都是刚性的腔内的最大线性尺寸要比腔内介质声波波长小得多，通常要求腔内尺寸为波长的十分之一，如最高测试频率为2000Hz,介质为纯净水，则声波波长为750mm，腔体最大线性尺寸不大于75mm ;③要求腔体的边界为刚性壁，即边界具有很高的声阻抗，因此通常设计腔壁的厚度约等于腔内径一半。
[0030]所述的耐高压去耦件8，位于压电陶瓷半球内部，作用是隔振、去耦，去耦件为复合材料，密度0.7kg/cm3左右，材料的最大承压为70MPa。所述的防水透声层10，采用环氧树脂灌注成型，与常用的氯丁橡胶硫化或聚氨酯胶灌注，更能保证腔体内的刚性条件。发射换能器尺寸较小，工作在非谐振频段，低频时压电元件的阻抗很高，在设计功放时需要考虑与发射换能器的阻抗匹配。
[0031]这种采用所述的高静水压低频校准腔体的测试方法，互易换能器3接收灵敏度采用互易法校准，测量不确定度小，测量精度高。被测水听器接收灵敏度采用比较法校准，测试速度快，测试效率高。该方法包括如下步骤:校准测试过程:转动短手柄17及长手柄16将封头14及盖体13提升，直至盖体13完全脱离罐体12，将盖体13移走；在罐体12中安装被测水听器19，安装完成后向罐体12内注入液体至排液孔位置，进液阀门18和排液阀门6保持打开；移回盖体13对准罐体12 口中心，转动长手柄16将承压螺纹旋入，转动短手柄17，使封头14降至罐体12密封面位置；转动长手柄16至承压螺纹底端；拧紧排液阀门6，上下摇动手动压力泵4开始加压，当压力表5指示压力达到测试所需静水压时，停止加压，关闭进液阀门6 ;利用信号源及功放为发射换能器2提供激励信号，发射换能器在金属腔体I内产生均匀声压，通过测试被测水听器19及互易换能器3的开路电压即可计算被测水听器接收灵敏度，完成测试后，缓慢开启进液阀门18及排液阀门6，使金属腔体I内压力为零，打开盖体13取出被测水听器，测试过程结束。
[0032]除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种高静水压低频校准腔体，其特征在于:主要包括金属腔体(I)、发射换能器(2)、互易换能器(3)、手动压力泵(4)和压力表(5)，金属腔体(I)为一圆柱形密闭的不锈钢腔体，内部充满传声介质，金属腔体(I)内安装有发射换能器(2)、互易换能器(3)和被测水听器(19)，发射换能器(2)和互易换能器(3)安装在金属腔体(I)内两侧对称位置；手动压力泵⑷通过进液阀门(18)与金属腔体⑴相连通，用于向金属腔体⑴内施加高静水压力，进液阀门(18)用于金属腔体(I)与手动压力泵(4)连通或隔离；金属腔体(I)内的排液孔与排液阀门(6)相连通，压力表(5)用于监控金属腔体(I)内的压力；所述的金属腔体(I)，主要包括罐体(12)、盖体(13)、封头(14)、升降杆(15)、长手柄(16)和短手柄(17)，封头(14)通过升降杆(15)与短手柄(17)相连接，盖体(13)设置在封头(14)上并与长手柄(16)相连接，罐体(12)和盖体(13)采用多圈梯形承压螺纹连接，罐体(12)采用带“O”形密封圈封头(14)密封，罐体(12)的空腔内设有发射换能器(2)、互易换能器(3)和被测水听器(19)。
2.根据权利要求1所述的高静水压低频校准腔体，其特征在于:所述互易换能器(3)与发射换能器(2)结构形式相同，用于校准时作为比较标准使用；所述的发射换能器(2)主要包括金属支撑结构(7)、耐高压去耦件(8)、压电陶瓷半球(9)、防水透声层(10)和水密电缆(11)，用于产生低频宽带声信号；压电陶瓷半球(9)引出两根导线与水密电缆(11)相连接，压电陶瓷半球(9)采用发射型压电陶瓷PZT4或大功率压电陶瓷PZT8，形状为半球壳形，耐高压去耦件(8)设置在压电陶瓷半球(9)内部，防水透声层(10)设置在压电陶瓷半球(9)外部。
3.一种采用如权利要求1所述的高静水压低频校准腔体的测试方法，其特征在于:该方法包括如下步骤:校准测试过程:转动短手柄(17)及长手柄(16)将封头(14)及盖体(13)提升，直至盖体(13)完全脱离罐体(12)，将盖体(13)移走；在罐体(12)中安装被测水听器(19)，安装完成后向罐体(12)内注入液体至排液孔位置，进液阀门(18)和排液阀门(6)保持打开；移回盖体(13)对准罐体(12) 口中心，转动长手柄(16)将承压螺纹旋入，转动短手柄(17)，使封头(14)降至罐体(12)密封面位置；转动长手柄(16)至承压螺纹底端；拧紧排液阀门￠)，上下摇动手动压力泵(4)开始加压，当压力表(5)指示压力达到测试所需静水压时，停止加压，关闭进液阀门￠);利用信号源及功放为发射换能器(2)提供激励信号，发射换能器在金属腔体(I)内产生均匀声压，通过测试被测水听器(19)及互易换能器(3)的开路电压即可计算被测水听器接收灵敏度，完成测试后，缓慢开启进液阀门(18)及排液阀门(6)，使金属腔体(I)内压力为零，打开盖体(13)取出被测水听器，测试过程结束。
【文档编号】G01N29/30GK104198593SQ201410422490
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】何涛, 盛杰, 费腾 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所