超细型水听器采集包体及其拖曳阵缆段的制作方法

本发明属于水声信号探测领域，特别是一种用于水声信号采集的超细型水听器采集包体及其拖曳阵缆段。

背景技术：

水听器是一种用来接收水下声学信号的换能器，拖曳阵内部含有很多个水听器，在反潜战以及水下地震勘测等领域有着重要的应用。然而目前国内的拖曳阵有着很多缺点，比如阵列的直径较大、阵列拖动困难，每次进行水下声学探测实验时都需要采用大型的勘探船来拖动拖缆，这不仅使得每次实验的花销巨大，而且严重制约了国内水声探测阵列的发展；同时由于拖曳阵内部采用已经封装好的水听器，而且还需要采用一些支撑结构来保证缆皮不凹陷，由于支撑结构和缆皮二者之间过盈配合，因此每次安装支撑结构的时候都需要花费很长时间；并且将水听器安装在拖曳阵缆皮里面以后，需要进行充油操作，然后才能使用，这使得操作比较麻烦。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明提出一种超细型水听器采集包体，并给出以此包体为核心的拖曳阵缆段。本发明设计的拖曳阵缆段直径小，在水中受到的拖曳阻力比较小，另外，此种拖曳阵缆段质量轻，容易采用小型船只或者无人水下航行器进行拖动，降低了实验成本，增加了实验的可操作性。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种超细型水听器采集包体，包括包体、压电圆管、电缆、rs485接收模块、电源模块和信号采集与传输模块，所述包体是灌胶形成的；所述包体的一端设有水密接头母头，所述包体的另一端设有水密接头公头；所述包体内设有挡板，所述压电圆管设置在所述挡板的一侧，所述rs485接收模块、电源模块和信号采集与传输模块设置在所述挡板的另一侧；所述挡板设有中心孔，所述电缆贯穿于挡板的中心孔、压电圆管和包体，所述电缆的两端分别连接至水密接头母头和水密接头公头；所述包体为一回转体，该回转体的回转母线具有流线型特征，所述回转体由同轴的五段构成，包括中间段和位于中间段两端的外端段，所述中间段的直径是d1，所述外端段的直径是d2，压电圆管的直径为d，电缆的直径为d，d1＝d+10mm，d2＝d+10mm；所述中间段与两端的外端段之间均连接有过渡段，所述过渡段的直径是自d1至d2渐变，所述过渡段的长度为3～5cm，所述包体的长度为20～30cm。

进一步讲，本发明超细型水听器采集包体，其中，所述中间段的长度为8～10cm，所述外端段的长度为3～5cm。

所述包体的五段中，相邻两段之间均由过渡圆弧面连接。

所述挡板上设有通孔，水听器原始信号正极传输线和水听器原始信号负极传输线均自所述压电圆管经过通孔后连接至所述信号采集与传输模块；所述电缆包括下行供电线、本节点上行的处理后的水听器信号传输线、下行时钟及命令传输线、后续第一级节点上行的处理后的水听器信号传输线和最后一级节点上行的处理后的水听器信号传输线；所述下行供电线与电源模块相连；所述下行时钟及命令传输线与所述rs485接收模块相连，本节点上行的处理后的水听器信号传输线与所述信号采集与传输模块相连。

本发明中还提出了一种拖曳阵缆段，由n个上下行依次相连的上述水听器采集包体构成。n为8或16。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过尽可能的缩小拖缆水听器节点的直径以及过渡段的长度来减小拖曳时的阻力，将缆段的采集包体处直径设计的比较大，其余部分的电缆直径设计的比较小，在满足压电圆管灌封要求的前提下，通过减小节点和电缆的直径来减小水阻，使得拖缆的整体水阻比原有的拖缆结构下降很多，可以克服现有技术中，拖缆直径大、安装困难、拖曳困难的缺点，使得采用小型无人船和小型无人水下航行器拖动阵列成为了可能，拓宽了应用范围，降低了应用局限性。

附图说明

图1示出第i(1≤i≤n，且i为正整数)个采集包体整体组成图；

图2示出第i(1≤i≤n，且i为正整数)个采集包体内部信号采集与传输模块的内部组成与外部连线图；

图3示出制作好的拖缆阵列缆段图；

图4示出拖缆阵列缆段整体示意简图。

图中：

1-挡板，2-压电圆管；3-吸声海绵；4-电缆；5-水听器原始信号正极传输线；6-水听器原始信号负极传输线；7-水密接头公头；8-电源模块；9-信号采集与传输模块；10-rs485接收模块；11-水密接头母头；12-下行供电线；13-下行时钟及命令传输线；14-本节点上行的处理后的水听器信号传输线，15-后续第一级节点上行的处理后的水听器信号传输线；16-最后一级节点上行的处理后的水听器信号传输线；17-前置放大器；18-调理电路；19-adc；20-单片机；21-rs485发送模块；22-经过处理后的水听器信号传输线；23-包体；

46-第i+1(2≤i≤n-2，且i为正整数)个采集包体；47-连接第i-1个采集包体的电缆；48-连接第i-1个采集包体的水密接头公头；49-连接第i+1个采集包体的水密接头母头；50-连接第i+1个采集包体的电缆；51-连接第i+1个采集包体的水密接头公头；52-连接第i+2个采集包体的水密接头母头；53-连接第i+2个采集包体的电缆；

1a-第一个水密接头母头；1b-第一个水密接头公头；1c-第一个采集包体；2a-第二个水密接头母头；2b-第二个水密接头公头；2c-第二个采集包体；3a-第三个水密接头母头；4a-第n-1(n＞1，且n为正整数)个水密接头公头；4b-为第n-1个采集包体；4c-第n-1个水密接头母头；5a-第n个水密接头公头；5b-第n个采集包体；5c-第n个水密接头母头；14为第n个水密接头公头；ab-电缆。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明提出的一种超细型水听器采集包体，包括包体23、压电圆管2、电缆4、rs485接收模块10、电源模块8和信号采集与传输模块9，所述包体23是灌胶形成的；所述包体23的一端设有水密接头母头11，所述包体23的另一端设有水密接头公头7；所述包体23内设有挡板1，所述压电圆管2设置在所述挡板1的一侧，所述rs485接收模块10、电源模块8和信号采集与传输模块9设置在所述挡板1的另一侧；所述挡板1设有中心孔，所述电缆4和传输线贯穿于挡板1的中心孔和包体23，所述电缆4的两端分别连接至水密接头母头11和水密接头公头7。

本发明中的所述包体23为一回转体，该回转体的回转母线具有流线型特征，所述回转体由同轴的五段构成，包括中间段和位于中间段两端的外端段。该流线型结构外形形状的中间直径比较粗，两端直径比较细，在二者之间是一个过渡段，直径逐渐改变，由电缆部分比较细的直径逐渐过渡到容纳水听器电路部分的比较粗的直径，同时最好在相邻两段直径开始改变的部分有一个比较小的过渡圆角。所述中间段对应的空间用于容纳水听器电路部分，所述中间段的直径根据压电圆管的外径尺寸确定；两端的外端段对应的空间用于通过电缆部分，所述外端段的直径根据所通过的电缆部分的直径确定。所述中间段的直径是d1，所述外端段的直径是d2，压电圆管的直径为d，电缆的直径为d，d1＝d+10mm，d2＝d+10mm；所述中间段与两端的外端段之间均连接有过渡段，所述过渡段的直径是自d1至d2渐变，所述包体23的五段中，相邻两段之间均由过渡圆弧面连接。所述中间段的长度为8～10cm，所述外端段的长度为3～5cm，所述过渡段的长度为3～5cm，所述包体23的长度为20～30cm。

实际制作时，先根据采集节点的数量确定电缆内部的双绞线对数，进而确定电缆的直径d，对于压电圆管，根据感兴趣的带宽合理设计谐振频率和灵敏度，进而通过理论公式推导以及有限元仿真的方式确定压电圆管的长度和内外直径，在灌胶的时候保证过渡段的最小直径d2和最大直径d1相应的比电缆的直径d以及压电圆管d的外径大10毫米，考虑到实际应用时的带宽限制，如果两个节点之间的间距过大，不利于接收高频的声音，因此将过渡段的长度设置为5厘米，考虑到电路板散热以及对压电圆管起到一定的隔离保护，将直径最大部分的长度设置为10厘米，考虑到两端水密接头的密封性，将两侧直径最小的地方长度设置为5厘米。

所述挡板1上设有通孔，水听器原始信号正极传输线5和水听器原始信号负极传输线6均自所述压电圆管2经过通孔后连接至所述信号采集与传输模块9。

所述电缆4包括下行供电线12、本节点上行的处理后的水听器信号传输线14、下行时钟及命令传输线13、后续第一级节点上行的处理后的水听器信号传输线15和最后一级节点上行的处理后的水听器信号传输线16；所述下行供电线12与电源模块8相连；所述下行时钟及命令传输线13与所述rs485接收模块10相连，本节点上行的处理后的水听器信号传输线14与所述信号采集与传输模块9相连。

如图2所示，信号采集与传输模块9由前置放大器17，调理电路18，模数转换器(analogtodigitalconverter,adc)19，单片机20，rs485发送模块和经过处理后的水听器信号传输线22组成。

如图3所示，由n个上下行依次相连的水听器采集包体构成拖曳阵缆段。其中，46是第i+1(2≤i≤n-2，且i为正整数)个采集包体；47是连接第i-1个采集包体的电缆；48是连接第i-1个采集包体的水密接头公头；49是连接第i+1个采集包体的水密接头母头；50是连接第i+1个采集包体的电缆；51是连接第i+1个采集包体的水密接头公头；52是连接第i+2个采集包体的水密接头母头；53是连接第i+2个采集包体的电缆。

本发明的设计思路是，由于在水中拖动的物体受到的水阻力主要和水的阻力系数c、水的密度ρ、拖动的速度v以及物体在垂直于拖动方向的横截面积s有关，阻力用f表示，在忽略过渡圆角的情况下，具体的计算公式是阻力

假设节点的最大半径为d1，最小半径为d2，过渡段的长度为x，过渡段的某一个截面距离直径最小端的距离为x1，则根据上述公式可以得到过渡段的某一个截面的平均受力为

在水中被拖动的物体，当材料相同、形状一致时，其水的阻力系数c相同。由式(2)可知，由于电缆只包括信号线和电源线，因此可以采用比现有结构细得多的直径，同时采集包体的平均直径也小于现有的拖缆，另外，过渡圆角的设计也使得采集节点的外形更加平滑，因此可以很好地减小拖曳阻力。

本发明中，包体内由挡板1隔开成两部分。

一部分用来容纳水听器敏感元件压电圆管2，吸声海绵3，电缆4，水听器原始信号正极传输线5，水听器原始信号负极传输线6，水密接头公头7，这部分采用模具利用聚氨酯灌封。

另一部分用来容纳电源模块8，信号采集与传输模块9，rs485接收模块10，电缆4，水密接头母头11，这部分采用模具利用导热环氧树脂灌封，采用导热环氧树脂灌封主要是用来保证内部的电路板防水绝缘，同时在工作的时候能够及时散热。

本发明中，水听器原始信号正极传输线5，水听器原始信号负极传输线6分别焊接在压电圆管2的外表面和内表面。

吸声海绵3被围成多层，中间留有圆孔，压电圆管2的圆孔和吸声海绵3之间由于吸声海绵3的弹性形成张力而紧紧结合在一起，同时吸声海绵3与电缆4之间也存在类似的张力因而可以紧密结合，根据这个原理将压电圆管2和吸声海绵3固定在电缆4的合适位置。

本发明中，电缆4内部有n+2(n＞1，且n为正整数)对屏蔽双绞线，其中包含为第一个采集包体以及后续所有采集包体电源模块供电的下行供电线12，为第一个采集包体以及后续所有采集包体发送时钟及命令信号的下行时钟及命令传输线13，第一个采集包体的上行的处理后的水听器信号传输线14，后续第一级节点上行的处理后的水听器信号传输线15，最后一级节点上行的处理后的水听器信号传输线16，其余后续节点也有着类似的上行的处理后的水听器信号传输线，这部分在图1和图3中用省略号代替。

如图2所示，本发明中，水听器原始信号正极传输线5，水听器原始信号负极传输线6分别连接在前置放大器17的一端，前置放大器17通过处理后的水听器信号传输线22依次经过调理电路18、adc19、单片机20、rs485发送模块21，将处理好的本节点水听器信号经过第一个采集包体的上行的处理后的水听器信号传输线14传到上位机；

本发明中，挡板1的中间设计一个圆孔，电缆4可以从中自由通过，为保证左右两个部分之间不连通，在灌封左右两个部分之前，先将电缆4从挡板1中间的圆孔穿过，然后利用热熔胶将圆孔缝隙封堵上，挡板1的上方同样设计一个圆孔，用来保证水听器原始信号正极传输线5，水听器原始信号负极传输线6能够从中穿过，同样采用热熔胶将缝隙封堵上，来保证左右两个部分之间不连通。

每个整个采集包体最左侧的水密接头母头11和最右侧的水密接头公头7分别与电缆4的两端连接，进而形成一个采集包体的完整结构即采集包体23；从第二个采集包体到最后一个采集包体都有着和第一个采集包体类似的结构，只不过内部的上行的处理后的水听器信号传输线数目依次递减。

如图3和图4所示，本发明建立基于超细型水听器采集包体的阵列缆段，采用同样的方法继续制作多个水听器采集包体，然后基于建立的采集包体，采用与之配套的水密接头，将采集包体的两端分别连接水密接头的公头和母头，然后将水密接头的另一端连接一段电缆，电缆的另一端继续连接水密接头，然后继续连接另一个采集包体，如此不断循环下去，就可以根据实际的需要，设计出由多个采集包体以及多段电缆组成的拖曳阵缆段。图4是拖缆阵列缆段整体示意简图，其中，1a、2a、3a、4c和5c是采集包体一端的水密接头母头，1b、2b、4a、5a和14是采集包体另一端的水密接头公头，1c、2c、4b、5b是采集包体，ab表示电缆。

本发明设计的一种超细型的水听器采集包体以及基于此包体的拖曳阵缆段，可以使得每两个水听器采集包体之间的拖曳阵的电源及信号传输线缆直径非常细，降低了整个拖缆单位长度的质量，而且流线型的采集包体外形降低了拖曳阵的水阻，克服了现有技术中采用粗直径缆皮包裹凯夫拉绳、水听器、信号和电源传输线以及蓖麻油导致的拖缆质量重、拖曳困难以及安装困难的缺点，同时在采集包体两侧设计的水密接头使得拖曳阵可以按照人为的需要随时随地的增加或者减少采集节点，使得变道数采集变成了可能。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。