CN110375845B - 一种静电平衡型高灵敏度水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种静电平衡型高灵敏度水听器，所述静电平衡型高灵敏度水听器包括声压敏感结构、位移检测装置、静电驱动装置和检测与控制电路。在强背景噪声下，传统水听器声压敏感结构中的声弹性体由于变形过大呈现非线性特性，灵敏度下降。本发明通过闭环检测的方式，采用位移检测装置检测弹性体的形变量，采用静电驱动装置驱动弹性体，使弹性体工作在平衡位置。本发明弥补了水听器弹性体在强背景噪声下呈现非线性而使灵敏度下降的缺点，有利于提高水听器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种水听器，尤其涉及一种静电平衡型高灵敏度水听器，属于测量仪器技术领域。
背景技术
水听器是水声探测的关键器件。在水听器的探头中，一般通过检测声弹性体的位移来获取微弱的声压信号。在海洋环境中，水听器往往受强背景噪声干扰。在强噪声下，声弹性体的变形很大，振动位移与声压的关系呈非线性，导致水听器探测灵敏度降低。基于闭环检测的静电平衡型水听器在检测水听器弹性体的大变形后，通过反馈控制使弹性体维持在平衡位置，可以降低弹性体非线性，提高水听器灵敏度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是水听器在强背景噪声下灵敏度不足的问题，提供一种静电平衡型高灵敏度水听器。
为实现上述目的，本发明采用以下设计方案：一种静电平衡型高灵敏度水听器，包括：
声压敏感结构，包括声弹性体和壳体，所述声弹性体安装于壳体中，边缘与壳体固定连接；
位移检测装置，用于检测所述声弹性体的形变量；
静电驱动装置，用于驱动并保持声弹性体处于平衡位置；
检测与控制电路，用于接收和处理位移检测装置的信号，输出反馈电压给静电驱动装置。
进一步的，所述声弹性体为表面贴有导电体的薄膜。
进一步的，所述导电体为金属导电薄片。
进一步的，所述静电驱动装置包括上驱动极板和下驱动极板；所述上驱动极板位于所述声弹性体上方，所述下驱动极板位于所述声弹性体下方；上驱动极板和下驱动极板均与壳体固定连接，上驱动极板和下驱动极板均与闭环控制电路的反馈信号输出端相连。
进一步的，所述上驱动极板和下驱动极板为导体材料。
进一步的，所述上驱动极板和下驱动极板均密集有透声小孔，使极板不阻碍声压传递。
进一步的，所述位移检测装置包括定极板、动极板和连接件；定极板与信号处理与控制电路电连接；动极板通过连接件与声弹性体连接；连接件穿过下驱动极板中心的小孔，使动极板位于下驱动极板下方。
进一步的，所述连接件为绝缘材料；所述动极板和定级板均为导体材料。
进一步的，所述信号处理与控制电路和所述定级板均与壳体固定连接。
进一步的，所述信号处理与控制电路包括电容检测模块、处理器模块和高压驱动模块；电容检测模块和高压驱动模块均与处理器模块相连；电容检测模块与位移检测装置相连，用于检测声弹性体的位移；高压驱动模块与静电驱动装置相连，用于控制驱动极板电压的大小；处理器模块接收电容检测模块的输出信号，并将输出信号经过PID控制算法处理，得到反馈控制信号；高压驱动模块根据反馈控制信号给上驱动极板和下驱动极板施加反馈电压，从而产生反馈力使声弹性保持在平衡位置；所述信号处理与控制电路输出的反馈控制信号也用以表征声压测量值。
本发明的有益效果是：水听器声压敏感结构中的声弹性体在强背景噪声下往往产生很大的位移。声弹性体在大变形下出现非线性，导致水听器检测灵敏度降低。静电闭环控制可以使水听器声弹性维持在平衡位置，弥补水听器弹性体在强背景噪声下变形大呈现非线性而使灵敏度下降的缺点，有利于提高水听器的灵敏度。
附图说明
图1为静电平衡型高灵敏度水听器总体结构示意图；
图2为静电平衡型高灵敏度水听器声弹性体示意图；
图3为静电平衡型高灵敏度水听器在静电驱动装置示意图；
图4为静电平衡型高灵敏度水听器位移检测装置示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更见清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种静电平衡型高灵敏度水听器，包括声压敏感结构1、位移检测装置2、静电驱动装置3和检测与控制电路4。所述声压敏感结构包括声弹性体11和壳体 12，声弹性体11安装于壳体12中，边缘与壳体12固定连接；所述位移检测装置2用于检测所述声弹性体11的形变量；所述静电驱动装置3，用于驱动并保持声弹性体11处于平衡位置；所述检测与控制电路4，用于接收和处理位移检测装置2信号，输出反馈电压给静电驱动装置3。同时，反馈电压也表征声压测量值。
如图2所示，所述声弹性体11为表面贴有导电体112的薄膜111。所述导电体112为金属导电薄片。薄膜111的形状为圆形。由于在相同声压下圆形薄膜中心点的位移比其他形状的薄膜更大，因此选用圆形薄膜有利于提高检测灵敏度。
如图3所示，所述静电驱动装置3包括上驱动极板31和下驱动极板32；所述上驱动极板 31位于所述声弹性体11上方，所述下驱动极板32位于所述声弹性体11下方。上驱动极板 31和下驱动极板32均与壳体固定连接，与检测与控制电路4的反馈电压输出端相连。所述上驱动极板31和下驱动极板32为导体材料，均密集有透声小孔311，使极板不阻碍声压传递。
如图4所示，所述位移检测装置2包括定极板21、动极板22和连接件23。定极板21与信号处理与控制电路4电连接。所述信号处理与控制电路4和定级板21均与壳体12固定连接。动极板22通过连接件23与声弹性体11连接。连接件23穿过下驱动极板32中心的小孔，使动极板22位于下驱动极板32下方。所述连接件23为绝缘材料；所述定级板21和所述动极板22均为导体材料。定极板21与动极板22构成检测电容，声弹性体11在声压作用下产生形变，使动极板22发生位移，引起检测电容的变化。但位移检测装置不限于电容检测。所述连接件23为轻质量高刚度材料，选用碳化硅陶瓷，但不限于此；所述动极板22为轻质量高刚度材料，选用铝镁合金，但不限于此。
所述信号处理与控制电路4包括电容检测模块、处理器模块和高压驱动模块。电容检测模块和高压驱动模块均与处理器模块相连；电容检测模块与位移检测装置2相连，用于检测声弹性体11的位移；高压驱动模块与静电驱动装置3相连，用于控制驱动极板电压的大小；处理器模块接收电容检测模块的输出信号，并将输出信号经过PID控制算法处理，得到反馈控制信号，反馈控制信号驱动静电驱动装置，使高压驱动模块给上驱动极板31和下驱动极板 32施加反馈电压，从而产生反馈力使声弹性11保持在平衡位置，所述信号处理与控制电路4 输出的反馈控制信号用以表征声压测量值。所述电容检测模块采用MS3110芯片，但不限于此；所述处理器模块采用STM32F103VB芯片，但不限于此；所述高压驱动模块采用DAC082S085和OPA187芯片，但不限于此。
本发明通过位移检测装置检测弹性体的形变量，采用静电驱动装置驱动弹性体，使其工作在平衡位置。闭环检测弥补了水听器弹性体在强背景噪声下变形大呈现非线性而使灵敏度下降的缺点，提高了水听器灵敏度。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利 要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种静电平衡型高灵敏度水听器，其特征在于：包括：
声压敏感结构（1），包括声弹性体（11）和壳体（12），所述声弹性体（11）安装于壳体（12）中，边缘与壳体（12）固定连接；
位移检测装置（2），用于检测所述声弹性体（11）的形变量；
静电驱动装置（3），用于驱动并保持声弹性体（11）处于平衡位置；
检测与控制电路（4），用于接收和处理位移检测装置（2）的信号，输出反馈电压给静电驱动装置（3）；
所述静电驱动装置（3）包括上驱动极板（31）和下驱动极板（32）；所述上驱动极板（31）位于所述声弹性体（11）上方，所述下驱动极板（32）位于所述声弹性体（11）下方；上驱动极板（31）和下驱动极板（32）均与壳体（12）固定连接，上驱动极板（31）和下驱动极板（32）均与检测与控制电路（4）的反馈信号输出端相连；
所述上驱动极板（31）和下驱动极板（32）均密集有透声小孔（311），使极板不阻碍声压传递；
所述位移检测装置（2）包括定极板（21）、动极板（22）和连接件（23）；定极板（21）与检测与控制电路（4）电连接；动极板（22）通过连接件（23）与声弹性体（11）连接；连接件（23）穿过下驱动极板（32）中心的小孔，使动极板（22）位于下驱动极板（32）下方。
2.根据权利要求1所述的一种静电平衡型高灵敏度水听器，其特征在于：所述声弹性体（11）为表面贴有导电体（112）的薄膜（111）。
3.根据权利要求2所述的一种静电平衡型高灵敏度水听器，其特征在于：所述导电体（112）为金属导电薄片。
4.根据权利要求1所述的一种静电平衡型高灵敏度水听器，其特征在于：所述上驱动极板（31）和下驱动极板（32）为导体材料。
5.根据权利要求1所述的一种静电平衡型高灵敏度水听器，其特征在于：所述连接件（23）为绝缘材料；所述定极板（21）和所述动极板（22）均为导体材料。
6.根据权利要求1所述的一种静电平衡型高灵敏度水听器，其特征在于：所述检测与控制电路（4）和所述定极板（21）均与壳体（12）固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种静电平衡型高灵敏度水听器，其特征在于：所述检测与控制电路（4）包括电容检测模块、处理器模块和高压驱动模块；电容检测模块和高压驱动模块均与处理器模块相连；电容检测模块与位移检测装置（2）相连，用于检测声弹性体（11）的位移；高压驱动模块与静电驱动装置（3）相连，用于控制驱动极板电压的大小；处理器模块接收电容检测模块的输出信号，并将输出信号经过PID控制算法处理，得到反馈控制信号；高压驱动模块根据反馈控制信号给上驱动极板（31）和下驱动极板（32）施加反馈电压，从而产生反馈力使声弹性体（11）保持在平衡位置；所述检测与控制电路（4）输出的反馈控制信号也用以表征声压测量值。
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