一种水下拾声器

本发明属于声场中声信息感知领域，具体涉及一种水下拾声器。

背景技术：

1、水下拾声器(水听器)主要用于声场中声信息的拾取，是声学系统的核心部件。近年来，随着“深海”、“深地”等技术领域的高速发展，作为声系统原位感知部件的耐静水压力能力已经成为仪器研发人员的重点关切。比如：海洋地震勘探领域obn、obs、obc技术中用到压电检波器耐压能够达到35mpa以上；洋中脊硫化物勘探领域，希望用到的拾声器耐压能够达到45mpa；“蛟龙号”、“深海勇士号”等深海载人潜器应用中希望拾声器耐压能够达到70mpa到100mpa；深地勘探中更是要求拾声器的耐压性能达到200mpa以上。

2、耐静水压力超过1000m的拾声器可以称为深水拾声器，深水拾声器在国际上也有着广泛的研究：b&k公司的8105、8106耐压达到1000m；teledyne公司的benthos系列多款拾声器耐压达到1700m；geospace公司的deepender系列，耐压达到35mpa；目前知名度最广的是high-tech公司的hti系列产品耐压更是达到30mpa到70mpa不等。近年来随着需求的驱动，涌现了不少优秀的设计方案，比如：参考文献[1]申请公布号为cn102097093a的发明专利《一种深水宽带球形换能器》采用多刚性匹配层技术释放静水压力；参考文献[2]申请公布号为cn109474871a的发明专利《一种水听器及其制作方法》采用充油平衡静水压力；参考文献[3]申请公布号为cn109239695a的发明专利《一种耐超高静水压球形水听器》采用溢流方式平衡静水压力；参考文献[4]申请公布号为cn104486705a的发明专利《一种压力补偿式深海水听器》采用活塞补偿平衡静水压力；参考文献[5]申请公布号为cn105323685a的发明专利《一种全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器》、参考文献[6]申请公布号为cn204389015u的实用新型专利《小型化深水水听器》、参考文献[7]申请公布号为cn205138629u的实用新型专利《深水高灵敏度圆管水听器》则利用压电圆管耐压的特性释放静水压力。

3、总结上述现有技术方案可以看出，目前深水拾声器从结构上压力释放和压力平衡两类，其中压力释放是指利用自身结构的耐压特性释放静水压力的方案，是目前最常采用的设计方案，如hti系列、申请公布号为cn105323685a的发明专利《一种全水深低频宽带高灵敏度的压电水听器》、申请公布号为cn204389015u的实用新型专利《小型化深水水听器》、申请公布号为cn205138629u的实用新型专利《深水高灵敏度圆管水听器》等均采用的是该方案，这种方案可以通过陶瓷管厚度的调节提高拾声器的耐压，但需要指出的是随着陶瓷管的厚度增加，其自由电容会随之降低，从而会降低拾声器的声学性能(拾声器性能通常采用优质因子进行评价，优质因子q＝m2*cf,其中m为拾声器的灵敏度，而cf为拾声器的自由电容)，这种方案在尺寸受限情况下，设计耐压需求超过6000m拾声器存在困难。压力平衡是指利用溢流、充油方式平衡有源材料内外的静水压力，这种方案可以耐极大的静水压力而在大深度应用中被广泛采用，如申请公布号为cn109474871a的发明专利《一种水听器及其制作方法》、申请公布号为cn109239695a的发明专利《一种耐超高静水压球形水听器》等，但这种结构设计通常需要有流体通道平衡压电腔体的内外静水压力，然而这个流体通道和压电腔体会构成helmholtz谐振腔，从而导致拾声器低频灵敏度不平坦。解决helmoholtz谐振干扰最简单的办法就是直接掐断流体通道，掐断流体通道后的拾声器灵敏度非常平坦，但该办法存在的问题是没有流体通道会导致内外压力没办法平衡，当内外静水压力差大于陶瓷的受力极限时，拾声器同样会发生破裂，其结果与压力释放方式大体类似。

4、综合分析上述两种设计方案的优缺点：保留流体通道可以方便地实现压电结构的压力平衡，极大提高拾声器的耐压性能，但通道引起的helmoholtz谐振会导致拾声器灵敏度起伏，尤其是低频灵敏度大幅度下降；掐断流体通道可以使灵敏度平坦，但会导致压力平衡受阻，降低拾声器的耐压性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有拾声器保留流体通道引起的helmoholtz谐振会导致拾声器灵敏度起伏的缺陷。

2、为了实现上述目的，本发明提出了一种水下拾声器，所述拾声器包括拾振核心和封装系统；

3、其中，所述拾振核心包括中空且两端开口的有源材料圆管；

4、所述有源材料圆管两端由端盖密封；

5、所述拾振核心固定在所述封装系统内部，并与所述封装系统之间保留一定空隙；

6、所述封装系统为中空密封结构，其部分外壳为可变形材料；

7、所述拾振核心内部和所述拾振核心与所述封装系统之间的空隙均充满绝缘流体；

8、设定所述拾振核心内部绝缘流体的压力为p1，设定所述拾振核心与所述封装系统之间的空隙内的绝缘流体的压力为p2；

9、所述端盖上设置控压阀门，缺省为关闭状态，当p1与p2不同时，控压阀门开启使绝缘流体流动，当p1与p2相同时，阀门关闭。

10、作为上述拾声器的一种改进，所述控压阀门为两个单向阀：第一单向阀和第二单向阀；

11、所述第一单向阀和所述第二单向阀的开启方向相反，即一个向所述有源材料圆管内部开启，另一个向所述有源材料圆管外部开启；

12、作为上述拾声器的一种改进，所述端盖包括第一端盖和第二端盖，分别从两端密封所述有源材料圆管；

13、所述第一端盖上安装有第一单向阀；所述第二端盖上安装有第二单向阀。

14、作为上述拾声器的一种改进，所述端盖为杯装结构，杯口朝向有源材料圆管外部，杯中安装单向阀；

15、所述单向阀的结构包括：蝶形弹簧、滑块、球阀和限位螺钉；

16、所述限位螺钉与所述端盖连接后位置固定；

17、当单向阀为向内开启时，其部件由杯底向杯口的排列顺序为：蝶形弹簧、滑块、球阀和限位螺钉；所述限位螺钉用于限制所述球阀周向运动范围；

18、当单向阀为向外开启时，其部件由杯底向杯口的排列顺序为：球阀、滑块、蝶形弹簧和限位螺钉；所述滑块用于限制所述球阀周向运动范围；

19、当所述蝶形弹簧受力变形时带动滑块移动，使所述球阀打开或关闭；

20、所述端盖的杯底、所述限位螺钉、所述碟形弹簧和所述滑块的中部均开孔，使所述球阀在开启状态下能够通过流体。

21、作为上述拾声器的一种改进，所述第一单向阀和所述第二单向阀的打开压力大于探测声场的最大声压，并小于所述有源材料圆管的抗围压强度。

22、作为上述拾声器的一种改进，所述有源材料圆管采用径向分段极化，即有源材料圆管内部设置一个电极，外部电极分成两段，两段极化方向相反。

23、作为上述拾声器的一种改进，所述封装系统包括中空且两端开口的皮囊，所述皮囊为可变形材料；

24、所述皮囊两端由皮囊下接头和皮囊上接头密封；所述皮囊两端外侧紧箍着第一皮囊紧箍和第二皮囊紧箍；

25、所述皮囊下接头的中部开孔，使用第一密封件密封；

26、所述皮囊上接头的中部开孔；屏蔽电缆从所述皮囊上接头中部的开孔中穿过；使用第二密封件将所述皮囊上接头中部的开孔密封。

27、作为上述拾声器的一种改进，所述第一密封件为油堵；所述油堵和所述皮囊下接头中部开孔之间设置o圈；

28、所述第二密封件包括过线塞和水密头，分别从所述皮囊上接头内部和外部将所述皮囊上接头中部的开孔密封；

29、所述皮囊内部两端分别设置第一橡胶垫和第二橡胶垫，用于固定所述拾振核心。

30、作为上述拾声器的一种改进，所述有源材料圆管为压电陶瓷圆管。

31、作为上述拾声器的一种改进，所述绝缘流体为硅油、蓖麻油或变压器油。

32、与现有技术相比，本发明的优势在于：

33、除了偶尔的开关时刻，有源材料圆管两端的第一端盖和第二端盖一直处于关闭状态，流体通道的关闭避免了helmoholtz谐振的产生，使拾声器低频灵敏度平坦。两端开放式拾声器在低频会出现一个灵敏度峰，对应于拾声器的helmoholtz谐振，当低于谐振时，灵敏度将会迅速降低，影响到低频的信号接收，而且灵敏度的起伏也将影响到接收信号的质量。相比本发明拾声器灵敏度可以延伸到极低频率，且非常平坦，具有更高的信号质量，本发明采用的陶瓷管厚度可以小于0.5mm，具有更高的自由电容。