一种水听器嵌套式纤维阻尼阵列及加工方法与流程

1.本发明涉及一种降低水下传感器阵列受到拖曳或水流作用产生抖动的纤维阻尼阵结构系统，特别涉及一种用于水下声波信息拾取的水听器嵌套式纤维阵列结构及加工方法。


背景技术：

2.水听器阵列系统在水声工程领域得到广泛应用，主要应用于拾取水下环境噪声信息和目标声信息，降低接收阵缆本底噪声和提高阵缆使用方便性是关注的两个焦点。通常线列阵的阵元数较多，信号传输主缆因芯数较多，常见的充油缆或者充凝胶的固体缆信号传输线离开水听器一些距离从侧面经过，避免传输线对声波的遮蔽而对水听器的接收指向性产生不利影响，这加大了整条阵缆的外径，提高了使用难度。另一种电缆阵的解决办法是把水听器安装在信号传输主缆侧边，并且支出一定距离，避免主缆对水听器接收声波产生影响，这加大了阵缆的制造难度和制造成本，并且给使用带来麻烦和安全隐患。
3.针对阵缆降低本底噪声需求，有两种解决方法，一种是在阵缆前端加几十米减振段，减振段越长减振效果越明显，因信号传输缆需要穿过减振段，信号间的串扰和衰减会更大，这与提高接收信号的初衷又矛盾，并且明显增加了阵缆的成本。另一种办法是在主缆外侧绑缚一定长度的飘带，也能产生一定的降噪效果，但受飘带宽度限制，加装密度受限，在飘带密度受限的情况下加长飘带的长度也能起到降低阵缆本底噪声的效果，但是长飘带存在互相缠绕损坏风险，不宜超过20cm。


技术实现要素：

4.发明目的：为测量微弱的水下环境噪声和目标声信息，克服现有阵列系统存在的一些不足之处，本发明提供了一种水听器嵌套式纤维阻尼阵列，水听器采用管状结构，主缆从水听器中间圆孔穿过，把水听器固化在阵缆上成为一体，无需支出水听器，给阵缆使用带来极大方便。另外，相比较大的水听器支出的结构，水听器嵌套阵的阵元体积较小，可以方便实现水听器密排，使得水听器嵌套阵的波束形成角度更加丰富，嵌套阵缆的应用范围更大。
5.技术方案：本发明所述的一种水听器嵌套式纤维阻尼阵列，包括主缆、嵌套于所述主缆上的若干个水听器阵元以及设置于所述主缆内部的与若干个所述水听器阵元连接的信号线，若干个所述水听器阵元沿着主缆长度方向间隔排列；所述水听器阵元包括水听器外壳、设置于所述水听器外壳内的水听器主体元件以及套设在所述主缆外周的支撑件，所述水听器主体元件套设于支撑件外周。
6.作为本发明的一种优选结构，所述主缆和/或所述水听器阵元外周设置有周向分布的若干束间隔分布的阻尼纤维束；和/或所述阻尼纤维束呈纤维蓬松结构；和/或所述阻尼纤维束在所述主缆和/或所述水听器阵元的圆周上呈90
°
均布；和/或所述阻尼纤维束为呈弯曲状的阻尼纤维束。
7.作为本发明的一种优选结构，所述水听器主体元件通过限位凹槽套设于所述支撑件外周；和/或所述限位凹槽的尺寸与所述水听器主体元件的尺寸相匹配。
8.作为本发明的一种优选结构，所述水听器主体元件以及支撑件的外周设置有第一灌封层。
9.作为本发明的一种优选结构，包括设置在主缆顶端的仪器舱以及设置在所述主缆底端的沉块。
10.作为本发明的一种优选结构，所述沉块通过尾端承力吊环与所述主缆连接，所述沉块与尾端承力吊环之间设置有并联释放器。
11.作为本发明的一种优选结构，所述主缆通过水密接插件与所述仪器舱连接。
12.作为本发明的一种优选结构，所述主缆由内向外依次包括卡夫拉承力件、分布在所述卡夫拉承力件外周的信号线、设置在所述信号线外周的主缆水密外护套以及设置在所述主缆水密外护套外周的阻尼纤维编织层。
13.作为本发明的一种优选结构，所述阻尼纤维编织层引出阻尼纤维束。
14.本发明所述的水听器嵌套式纤维阻尼阵列的加工方法，包括以下步骤：
15.(s0)纤维束预处理：将多股阻尼纤维丝合股加捻形成呈弯曲状的阻尼纤维；
16.(s1)将水听器主体元件嵌套在支撑件的限位凹槽中，对安装好的结构进行第一次灌封，在水听器主体元件外周形成第一灌封层，引出水听器正端引线和水听器负端引线，形成截面呈圆环状的水听器阵元的主体；
17.(s2)将步骤(s1)形成的水听器阵元的主体套在主缆的相应位置上，并将水听器正负端引线连接到对应的信号线，对水听器阵元和主缆进行第二次硫化灌封，形成水听器外壳，使得水听器阵元与主缆形成一体化结构；
18.(s3)在水听器阵元与主缆形成的一体化结构外侧编织引出预处理后的阻尼纤维束，并对阻尼纤维束做蓬松处理，使得相同和/或相邻阻尼纤维束中的弯曲状的纤维相互缠绕形成阻尼蓬松结构，得到水听器嵌套式纤维阻尼阵列。有益效果：(1)本发明水听器阵元采用管状结构嵌套在主缆外周，主缆从水听器中间圆孔穿过，把水听器固化在阵缆上成为一体，无需支出水听器，给阵缆使用带来极大方便；(2)本发明的主缆以及水听器阵元外层编织的纤维阻尼纤维覆盖整条阵缆及水听器阵元，阵缆的各类噪声都降低明显；(3)本发明的水听器阵元采用嵌套于主阵缆外周的方式，布放回收更加方便；(4)本发明的水听器阵元采用嵌套方式占用空间较小，允许进行水听器密排，需要阵缆波束形成时可以覆盖更高频率范围。
附图说明
19.图1为本发明的水听器阵元与主缆连接结构示意图；
20.图2为本发明主缆的剖面结构示意图；
21.图3为本发明水听器嵌套式阵列的整体结构示意图。
具体实施方式
22.下面通过实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。
23.实施例1：本发明所述的水听器嵌套式纤维阻尼阵列，包括主缆1以及套设在主缆1
上的若干个水听器阵元2，水听器阵元2沿着主缆1由上至下间隔排列。主缆1由内向外依次包括卡夫拉承力件101、分布在卡夫拉承力件101外周的信号线3、设置在信号线3外周的主缆水密外护套102以及设置在主缆水密外护套102外周的阻尼纤维编织层103。阻尼纤维编织层103引出阻尼纤维束4，阻尼纤维束4呈纤维蓬松结构，阻尼纤维束4在主缆1的外壁周向分布，阻尼纤维束4可以为不规则地在主缆1外周排布，作为本实施例的一种优选结构，阻尼纤维束4在主缆1的圆周上呈90
°
均布，即主缆1的外周排列四列的阻尼纤维束4。
24.如图2所示，主缆1的中心为卡夫拉承力件101，其上端与水密接插件7固定，下端与阵缆尾端承力吊环601连接，为整条主缆提供拉力，其强度由承力件粗度决定，在具体应用例中，选择卡夫拉承力件直径10mm，破断拉力不小于7吨，满足主缆1强度需求。承力件周围排布多对双绞线作为信号线3，每个嵌套水听器阵元连接一对双绞线，其数量与水听器阵元2的个数一致。如在具体应用例中，双绞线数量为32对，双绞线束外侧为主缆水密外护套102，其材料为聚醚类聚氨酯，具有良好疏水特性，在具体应用例中，其壁厚度为2mm，使得整条阵缆可以在6000m深度处使用而不漏水渗水。主缆最外层为阻尼纤维编织层103，具有较高强度和良好耐磨性能，一方面对主缆进行保护，另一方面在编织过程中引出阻尼纤维束4，其材料为超高分子量纤维材料。阻尼纤维束4在编织层上分为4列引出。
25.主缆1的顶端设置有仪器舱5，主缆1的底端设置有沉块6。主缆1通过水密接插件7(本实施例中水密接插件7为钛钢结构多芯连接器)与仪器舱5连接，信号线3穿过水密接插件将信号传递至仪器舱5。沉块6通过尾端承力吊环501与主缆1连接，沉块6与尾端承力吊环601之间设置有并联释放器602，并联释放器602一端通过卡夫拉伸603与承力吊环601连接，并联释放器602另一端通过钢丝绳604与沉块6连接。
26.如图3所示，实际使用中，该主缆1上端通过水密接插件7连接到仪器舱5的下端，仪器舱5兼具浮体功能，提供系统水下的上浮力。阵列下端通过并联释放器602挂接挂沉块6，锚定于海底，通过仪器舱5的上浮力使整条阵呈垂直状态。
27.如图1所示，本发明中的水听器阵元2采用管状结构，主缆1从水听器阵元2中间圆孔穿过，通过硫化灌封把水听器阵元2固化在主缆1上成为一体，这样无需支出水听器，给整个阵缆使用带来极大方便。具体地，水听器阵元2包括嵌套于主缆1外周的水听器外壳201，水听器主体元件202安装于水听器外壳201内。水听器主体元件202通过支撑件203固定在主缆1的外壁，支撑件203同样为中空的筒形结构(支撑件203为金属支撑件)，并且支撑件203的外壁内凹形成限位凹槽204，限位凹槽204的上下两端形成了限位台阶，限位凹槽204内安装有水听器主体元件202，限位凹槽204的尺寸与水听器主体元件202的尺寸相同。本实施例中，水听器主体元件202为由左右两半拼合而成的圆环状压电陶瓷管，左右两半对合拼接在支撑件203外周，该圆环状压电陶瓷管包括内层和外层，其中压电陶瓷管的内层作为水听器主体元件202的正极，外层作为水听器主体元件202的负极，如图1所示，水听器主体元件202的正负极分别通过正端引线206以及负端引线207与信号线3连接。水听器主体元件202与支撑件203的外周灌封形成第一灌封层205，并且在安装后，通过第二次硫化灌封在第一灌封层205外侧形成水听器外壳201(亦可称为第二灌封层)，使得水听器阵元2与主缆1组成一个整体，也即形成一体化结构。本实施例中，上述阻尼纤维束4为通过多股纤维合股加捻而成的呈弯曲状的纤维束。
28.作为一种具体应用结构，本发明的纤维阻尼阵列将各嵌套式水听器阵元按预先设
计位置排布。本实例中嵌套式水听器阵元数量为32元，阵元采用均匀排布方式，间距10m，阵元数量及排布方式不限于本实施例中参数，可根据需求任意设计。在具体应用中，纤维阻尼阵主缆上分布的4列纤维阻尼纤维长度为12cm，加工成弯曲蓬松结构(阻尼蓬松结构)，增加亲水性能，提高主缆阻尼，降低噪声(本文中阻尼蓬松结构也可以称为毛发蓬松结构或纤维蓬松结构，纤维呈卷曲毛发/纤维阻尼纤维束缠绕形成的蓬松结构)。
29.作为一种具体应用结构，本实施例中，在主缆1和水听器阵元2的外周均设置有周向分布的若干束间隔分布的阻尼纤维束。更进一步地，也可以说是，在水听器阵元2与主缆1形成的一体化结构外侧，从上至下均匀设置有若干周向间隔分布的阻尼纤维束。当然也可根据实际情况，在水听器阵元2与主缆1形成的一体化结构外侧，有选择性的位置上(如一体化结构外侧仅有主缆的位置；或一体化结构外侧有水听器阵元的位置；或一体化结构外侧部分仅有主缆的位置和/或部分有水听器阵元的位置)设置若干周向间隔分布的阻尼纤维束。
30.本发明的阻尼阵列通过以下方法加工制备：
31.(s0)纤维束预处理：将多股纤维合股加捻形成呈弯曲状的阻尼纤维束；阻尼纤维束的直径可以根据实际情况进行调整；
32.(s1)在圆管形的支撑件203外壁加工限位凹槽204，将水听器主体元件202嵌套于支撑件203外壁的限位凹槽204内，对安装好的结构进行第一次灌封，在水听器主体元件202外周形成第一灌封层205，引出水听器正端引线206和水听器负端引线207，形成截面呈圆环状的水听器阵元的主体；
33.(s2)将步骤(s1)形成的水听器阵元的主体套在主缆1的相应位置上，共嵌套32元水听器阵元，并将水听器正负端引线连接到对应的信号线3，对水听器阵元2和主缆1进行第二次硫化灌封，形成水听器外壳201，使得水听器阵元2与主缆1成为一体；
34.(s3)在水听器阵元2与主缆1形成的一体化结构外侧，用步骤(s0)得到的呈弯曲状的阻尼纤维束编织阻尼纤维编织层103，并在编织过程中交替引出若干束阻尼纤维束4，若干束间隔分布的阻尼纤维束4周向均布于主缆1和/或水听器阵元2外周(本实施例中为：若干束间隔分布的阻尼纤维束4周向均布于主缆1和水听器阵元2外周)；进而对引出的阻尼纤维束4做蓬松处理(打散、打乱等)，使得相同以及相邻阻尼纤维束4中的弯曲状的纤维相互缠绕形成阻尼蓬松结构，得到水听器嵌套式纤维阻尼阵列。本实施例中，最终的阵列外周(包括主缆以及水听器阵元)均覆盖有阻尼纤维编织层103，并且在阻尼纤维编织层103外周的若干束阻尼纤维束4覆盖整条阵缆及水听器阵元，同一束阻尼纤维束4中的纤维相互缠绕，相邻的阻尼纤维束4之间的纤维同样相互缠绕，可显著降低噪声。