CN102944297B - 基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器 - Google Patents

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本发明为一种基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器，解决了现有水听器频响范围较窄、频响曲线波动较大等问题。本发明水听器内置信号处理电路板的金属管壳，金属管壳顶面设有芯片减振支撑体，芯片减振支撑体上设有四梁敏感微结构和敏感柱体，透声帽固定在金属管壳上，四梁敏感微结构、敏感柱体及芯片减振支撑体封装在透声帽内，透声帽内充满介质硅油。本发明水听器从透声帽材料方面进行了改进，选用玻璃钢材料代替现有的聚氨酯材料，在不影响矢量水听器灵敏度的情况下，拓宽了水听器频带，改善了其频响，极大地提高了水听器的性能指标，具有良好应用前景。

Description

基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器
技术领域
本发明涉及MEMS仿生矢量水听器，具体是一种基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器。
背景技术
近年来，在水声测量***中，矢量水听器的采用使***的抗干扰能力和线谱检测能力获得提高，因此矢量水听器的研究工作受到国内外研究者的极大重视。专利号为200810079372.0的中国发明专利“微纳仿生矢量水声传感器的封装结构”，介绍的MEMS矢量水听器的封装采用的是聚氨酯透声帽，其带宽响应较窄(40Hz-800Hz)，水听器的频响曲线波动比较大，不够平坦，阻碍了其进一步的工程化应用。分析其原因，是因为聚氨酯透声帽的弹性模量较低，各种特性叠加到了MEMS水听器芯片的固有特性之上，造成实测结果与设计预期结果偏差较大。因此，是否可以通过对现有仿生水听器进行改进，在不损失灵敏度的前提下，尽量拓宽水听器的频带，改善水听器的频响就显得极为重要了。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有水听器频响范围较窄（40Hz-800Hz）、频响曲线波动较大等问题，而提供一种基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器。本发明水听器的封装结构中的透声帽采用玻璃钢材质，解决了水听器频带窄，频响曲线起伏较大的问题，提高了水听器的水声探测性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器，包括四梁敏感微结构（四梁敏感微结构为公知结构，其包括一个支撑框体，支撑框体中心处设有一个质量块，质量的四边分别通过一根弹性梁与支撑框体固定，敏感柱体粘结固定在质量块的中心面）、芯片减振支撑体、金属管壳及透声帽；芯片减振支撑体固定于金属管壳顶面中心处；四梁敏感微结构卡固在开设于芯片减振支撑体上表面中心处的卡槽内；四梁敏感微结构的质量块中心面上垂直粘结固定有敏感柱体；透声帽为一端敞口、另一端封闭的形如杯状的空心圆柱体，透声帽的敞口端密封固定在金属管壳上，芯片减振支撑体、四梁敏感微结构及敏感柱体被封装在透声帽内，并且透声帽内充满有绝缘介质硅油且保证无气泡；金属管壳内安置有信号处理电路板，信号处理电路板的一端通过导线与四梁敏感微结构连接、另一端通过导线与设在金属管壳底部端口的输出电缆连接；透声帽、敏感柱体、四梁敏感微结构、芯片减振支撑体及金属管壳均位于同一轴线上；所述的透声帽是由玻璃钢材料制成的。
由于玻璃钢有透声性能好，强度高，耐海水腐蚀，成型方便，造价低等优点，本发明中选用玻璃钢材料代替聚氨酯材料制作透声帽。玻璃钢透声帽封装结构的尺寸设计必须保证透声帽与金属管壳无缝隙地牢固结合，以提高水听器的抗压性、抗冲击性和可靠性。同时，玻璃钢透声帽的尺寸应该根据水听器小型化的原则，结合四梁敏感微结构的尺寸，要保证玻璃钢透声帽内部结构紧凑。
选用玻璃钢材料代替聚氨酯制作透声帽，在50Hz-3000Hz的频率范围内，玻璃钢透声帽水听器的接收灵敏度曲线较平坦，且玻璃钢透声性能好，基本不损失灵敏度。
为了对比透声帽材料改进对水听器灵敏度和频响的影响，体现玻璃钢透声帽封装的优越性，我们利用声学仿真软件virtual.lab对图3所示透声帽内外声场进行仿真，在仿真中需要建立声场，我们所关心的是流体（介质硅油）与结构（透声帽）的相互作用。海水、硅油、玻璃钢、聚氨酯的材料属性如表1所示：
表1各种透声材料与海水、硅油声学特性对比
具体仿真过程如下：用ANSYS软件建立了水听器透声帽、透声帽内硅油与透声帽外海水的有限元三维模型，导入声学仿真软件Virtual.lab；在透声帽内的硅油和透声帽外的海水里分别定义A、B两个场点，定义声源强度为1Pa，如图2所示；对不同材料的透声帽-硅油结构进行耦合仿真，读出其前四阶耦合模态，如图3所示；提取透声帽内外场点的声压值（仿真频率范围50Hz-3000Hz），仿真结果如图4、5所示。
由图4可看出：当声源频率为50Hz-1000Hz时，声波通过聚氨酯透声帽后，透声帽内A场点的声压值曲线较平坦；当声源频率为1000Hz-3000Hz时，透声帽内A场点的声压值有许多谐振峰，这是聚氨酯透声帽和内腔液体谐振造成的（由图3可知，聚氨酯的共振频率为875.3Hz）。因此，在水听器感兴趣的频率范围（50Hz-3000Hz），聚氨酯透声帽内场点声压值起伏大，即水听器灵敏度曲线不平坦。
由图5可看出，在50Hz-3000Hz，玻璃钢透声帽内A场点的声压曲线没有谐振峰，曲线较平坦。分析其原因，当声源频率为50Hz-3000Hz时，水听器接收的声源频率远小于玻璃钢材料的共振频率13KHz，玻璃钢透声帽和内腔液体没有发生谐振，所以曲线较平坦。因此，在水听器感兴趣的频率范围（50Hz-3000Hz），玻璃钢透声帽内场点声压值基本不变，即水听器灵敏度曲线较平坦。
同时从图4和图5中可看出，用玻璃钢做透声帽材料时比聚氨酯做透声帽材料时A点的声压值要稍微小点，但减小值不超过2dB，也就是说是用玻璃钢透声帽基本不会损失水听器灵敏度。
在制作MEMS矢量水听器的过程中，我们希望在不损失灵敏度的前提下，尽量拓宽水听器的频带，改善水听器的频响。在50Hz-3000Hz的频率范围内，玻璃钢透声帽水听器的接收灵敏度曲线较平坦，且玻璃钢透声性能好，基本不损失灵敏度。同时兼顾工作频带和灵敏度，因此，选用玻璃钢材料代替聚氨酯制作透声帽。
对本发明的水听器进行灵敏度和指向性校准测试，图6为水听器频响曲线；图7和图8分别为测试频率为80Hz和1250Hz时，水听器指向性图。测试结果表明：本发明水听器接收灵敏度达到-177dB（0dB参考值1V/μPa），频响范围为40Hz-2000Hz，频响曲线平坦，在频率响应范围内灵敏度起伏2dB。具有很好的“8”字型指向性，凹点深度达到了38.4dB，且指向性曲线平滑，抗冲击能力和可靠性较之前也有了较大提高。
本发明针对现有MEMS矢量水听器的封装结构，从透声帽材料方面进行了改进。通过改用透声性能好、弹性模量高、耐海水腐蚀的玻璃钢材料代替聚氨酯材料制作透声帽，在不影响矢量水听器灵敏度的情况下，拓宽了水听器频带，改善了水听器的频响，极大地提高了水听器的性能指标，具有良好应用前景。
附图说明
图1为本发明矢量水听器的结构示意图。
图2为本发明矢量水听器的Virtual.lab仿真模型图。
图3为矢量水听器采用不同材料透声帽的前四阶耦合模态图。
图4为采用聚氨酯透声帽的矢量水听器在A、B场点的声压响应曲线。
图5为采用玻璃钢透声帽的矢量水听器在A、B场点的声压响应曲线。
图6为本发明矢量水听器的频响曲线。
图7为测试频率为80Hz时，本发明矢量水听器X方向指向图。
图8为测试频率为1250Hz时，本发明矢量水听器X方向指向图。
图中：1-四梁敏感微结构、2-芯片减振支撑体、3-金属管壳、4-敏感柱体、5-透声帽、6-介质硅油、7-信号处理电路板、8-导线、9-输出电缆、10-海水。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器，包括四梁敏感微结构1、芯片减振支撑体2、金属管壳3及透声帽5；芯片减振支撑体2固定于金属管壳3顶面中心处；四梁敏感微结构1卡固在开设于芯片减振支撑体2上表面中心处的卡槽内；四梁敏感微结构1的质量块上垂直粘结固定有敏感柱体4；透声帽5为一端敞口、另一端封闭的形如杯状的空心圆柱体，透声帽5的敞口端密封固定在金属管壳3上，芯片减振支撑体2、四梁敏感微结构1及敏感柱体4被封装在透声帽5内，并且透声帽5内充满有介质硅油6；金属管壳3内安置有信号处理电路板7，信号处理电路板7的一端通过导线8与四梁敏感微结构1连接、另一端通过导线8与设在金属管壳3底部端口的输出电缆9连接；透声帽5、敏感柱体4、四梁敏感微结构1、芯片减振支撑体2及金属管壳3均位于同一轴线上；所述的透声帽5是由玻璃钢材料制成的。
具体实施时，本发明矢量水听器的透声帽5的具体尺寸为：外径34mm、内径30mm、外部高度24mm、内部高度22mm、壁厚2mm。

Claims (1)

1.一种基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器，包括四梁敏感微结构（1）、芯片减振支撑体（2）、金属管壳（3）及透声帽（5）；芯片减振支撑体（2）固定于金属管壳（3）顶面中心处；四梁敏感微结构（1）卡固在开设于芯片减振支撑体（2）上表面中心处的卡槽内；四梁敏感微结构（1）的质量块中心面上垂直粘结固定有敏感柱体（4）；透声帽（5）为一端敞口、另一端封闭的形如杯状的空心圆柱体，透声帽（5）的敞口端密封固定在金属管壳（3）顶面上，芯片减振支撑体（2）、四梁敏感微结构（1）及敏感柱体（4）被封装在透声帽（5）内，并且透声帽（5）内充满有介质硅油（6）；金属管壳（3）内安置有信号处理电路板（7），信号处理电路板（7）的一端通过导线（8）与四梁敏感微结构（1）连接、另一端通过导线（8）与设在金属管壳（3）底部端口的输出电缆（9）连接；透声帽（5）、敏感柱体（4）、四梁敏感微结构（1）、芯片减振支撑体（2）及金属管壳（3）均位于同一轴线上；其特征在于：所述的透声帽（5）是由玻璃钢制成的；透声帽（5）的具体尺寸为：外径34mm、内径30mm、外部高度24mm、内部高度22mm、壁厚2mm。
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