CN102243213A - 一种分离式水声声管系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分离式水声声管系统，包括安装于隔振基础上的声管支架，声管支架上固定有声管的上段，声管的下段在液压缸的顶起下可上下滑动，液压缸固定于声管支架的底部，声管的上下段结合处可在液压马达所带动的弧齿作用下锁紧密闭，液压缸和液压马达均通过液压接口与液压站连接，声管的上下段通过水循环接口和恒温水箱由管路连接构成水循环，恒温水箱通过过滤器连有自来水水源，恒温水箱内设有由控制机柜内控制系统控制实现管内水介质温度控制内循环的压缩机和电热棒，水循环管路上还设有由控制系统控制实现加压的试压泵。本发明提供一种操作方便、便于加压和测量的分离式水声声管。

Description

一种分离式水声声管系统

技术领域

本发明涉及水声的计量测试领域，尤其是一种分离式水声声管系统。

背景技术

水下的声学材料广泛应用于水声设备的水下声系统、平台声学隐身工程、换能器声学部件等。随着换能器基阵的工作频率逐渐向低频段延伸和深度的逐渐增加，水下使用的各类声学材料的工作频率已经低到几百赫兹，工作深度到几百米。一般情况下，水下声学材料或者其构件的声学特性会随频率、水温和水压改变而发生变化，其性能在实际工作环境下的好坏直接影响着水声设备、水下声系统的技术性能和平台的声学隐蔽性。水下声学材料和构件的研制及应用都离不开对其声学性能参数的测试和评定，所以研究相应的测量技术和建立标准校准装置是必不可少的。

描述水下声学材料和构件的声学性能主要参数是声波垂直入射下的声压反射系数和透射系数，定义为被样品反射或透射的平面波声压与入射平面波的声压之比，一般通过对其板状样品在一定环境条件和频率范围内进行直接测量得到。测量可以分为两类测量方法：一是自由场测量方法，而是声管测量方法。对于自由场测量，在常规消声水池或高压消声水罐中进行，采用边长尺寸为1～2m的大面积样品，目前最低的测量频率为1kHz左右，将测量频率再降到几佰赫兹几乎是一件难以完成的工作，需要样品和声源基阵尺寸都须增加几倍，无论样品加工成本、难度和高压消声水罐尺寸条件都是是不允许的。对于声管测量方法，采用比声管内径略小的样品，如传统脉冲管法和驻波管法，我国已经建立了国家标准GB/T 5266-2006《声学水声材料纵波声速和衰减系数的测量脉冲管法》和行业标准CB/T 3674-1995《水声材料驻波管测量方法》。脉冲管法能够测量样品的声压反射系数和透射系数，但在测量声压透射系数时样品必须是均匀对称的，工作的低频限取决于声管的长度，通常要求声管长度至少应大于声波水中波长的6倍，样品被放置到声管中央时，测量频率一般在2kHz以上。驻波管法的低频限只取决于声源的信噪比，可以工作到几百赫兹，但只能在声管末端测量样品的声压反射系数，不能测量样品的声压透射系数。声管的高频限都取决于管中(0，0)号简正波条件。

在声管中测量样品声压反射系数和透射系数必须同时具备平面波声场条件和自由场条件。在自由场和声管中应用脉冲技术，样品的反射脉冲、透射脉冲可以和入射脉冲可以实现分离，但测量频率受到自由场水域和脉冲声管高度的限制，很难实现几百赫兹频段、波长达到几米的低频测量。国外发展了一种新的水下声学材料测量方法，美国水下作战中心于2001年在美国声学杂志发表了行波管测量方法，其测量系统由原先用于校准水听器的L系统改造而成，应用了称为“传递矩阵法”的消声方法，声管高2m、内径Φ380mm，测量频率为100Hz～1750Hz。我国目前正在积极研究声学材料的行波管测量方法，提出了行波管双水听器传递函数法，应用先进的声源技术、数字仪器、信号采集处理技术和分离式声管系统建立测量标准装置，将填补国内空白。

国内外声管均采用无缝不锈钢管，当样品需要被放置在管中央测量时，一般采用尼龙线吊挂或者用不锈钢支架固定样品，操作比较麻烦费时；当需要对声管进行加一定静水压力时就更加不方便了。为了能使被测量的样品放到声管中央，管壁上的水听器就不能伸入到声管内壁，和水介质不能充分接触，更不能接收到声管中央声场最均匀的声压，也降低了接收灵敏度。

发明内容

本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种操作方便、便于加压和测量的分离式水声声管系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种分离式水声声管系统，包括安装于隔振基础上的声管支架，声管支架上固定有声管的上段，声管的下段在液压缸的顶起下可上下滑动，液压缸固定于声管支架的底部，声管的上下段结合处可在液压马达所带动的弧齿作用下锁紧密闭，液压缸和液压马达均通过液压接口与液压站连接，声管的上下段通过水循环接口和恒温水箱由管路连接构成水循环，恒温水箱通过过滤器连有自来水水源，恒温水箱内设有由控制机柜内控制系统控制实现管内水介质温度控制内循环的压缩机和电热棒，水循环管路上还设有由控制系统控制实现加压的试压泵。

作为优选，所述声管由上段声管管体和下段声管管体对称安装组成，声管的两端分别对应装有上段声管管盖和下段声管管盖，上段声管管盖和下段声管管盖上分别装有主发射器和次发射器，声管管壁上嵌入式装有压力传感器、温度传感器和水听器组，上段声管管体和下段声管管体结合处外部设有实现声管开启闭合的弧齿和滑轨。

作为优选，所述主发射器和次发射器为活塞式稀土纵向振动换能器，包括连接前质量块和后质量块的应力螺杆，应力螺杆外设有稀土振子，稀土振子外设有线圈和永磁器件，前质量块外设有与外壳连接的硫化橡胶，前质量块与硫化橡胶之间设有声背衬，后质量块通过去耦环与外壳连接，外壳连有底座，底座上连有硫化成一体的电缆头和电缆，换能器通过紧固螺母与声管连接。

作为优选，所述底座与外壳的连接面及其安装面上设有O型圈。

作为优选，所述水听器组包括八个水听器，水听器包括陶瓷圆管串，陶瓷圆管串之间设有去耦橡胶，去耦橡胶端部设有前盖板，陶瓷圆管串外设有硫化橡胶，硫化橡胶连有水听器外壳，水听器外壳一端通过锁紧螺母固定有硫化成一体的水听器电缆头和水听器电缆。

作为优选，所述水听器外壳上设有径向密封槽和纵向密封槽，水听器通过径向密封槽和纵向密封槽上的O型圈密封装入声管管壁。

作为优选，所述声管的外壁设有由不锈钢板包覆的发泡橡胶作为保温层。

本发明有益的效果是：(1)本发明分离式水声声管整体采用了分离式两段设计，很好解决了传统单根声管的声管中央样品放置和嵌入水听器声中心到声管轴线的问题，实现了管中低频声压反射系数和声压透射系数的测量，使得水听器能够接收到管中声中心的平面波，降低了由于管中截面声场起伏引入的测量误差，提高了测量精度。

(2)本发明分离式水声声管的两段管体采用声学刚性厚壁设计，采用不锈钢材料离心铸造后精加工制作，在有效地减小管壁共振对声场的影响，管中声速接近自由场声速，最大程度地减小由此引入的测量误差。

(3)本发明分离式水声声管的支架通过隔振器坐落于独立的隔振基础上，可以有效隔绝外界振动对声管的影响，有利于声管的低频弱信号声学测量工作。支架能够牢固支撑上部声管。支架内侧两边装有精密导轨，可以使下部声管上下滑动500mm。整个支架能够保证整个声管的垂直度和精确的分离或闭合。

(4)本发明分离式水声声管的一对主次稀土纵向型主发射器采用用稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D作为有源驱动元件，选择工艺比较成熟的圆柱棒元件，磁性材料采用了永磁材料，使发射器具有较高的低频发射效率，实现了在有限空间尺寸内声管的低频声源，工作频率100Hz～4kHz。

(5)本发明分离式水声声管的水听器组具有较好的耐压性能，采用元件串联式设计能够平抑元件之间的性能差异，在大量元件筛选基础上制成成品，再经测试及筛选，研制的水听器组一致性优良，在双水听器传递函数计算中有效有效降低由于它们接收灵敏度相幅一致性引入的计算误差，从而提高了样品声压反射系数和声压透射系数的测量精度。

(6)本发明分离式水声声管的液压机械部分根据分离式水声声管的特点和测量流程设计，实现两段声管的精确分离和闭合，还能保证在声管内部加10MPa水压下保持不漏压。所有的移动和旋转机械动作都在控制系统软件操作下自动完成。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是声管的结构示意图；

图3是稀土纵向型换能器的结构示意图；

图4是水听器的结构示意图；

附图标记说明：声管1，声管支架2，液压站3，液压缸4，液压马达5，试压泵6，压缩机7，恒温水箱8，过滤器9，控制机柜10，弧齿11，上段声管管体12，下段声管管体13，上段声管管盖14，下段声管管盖15，保温层16，压力传感器17，温度传感器18，滑轨19，液压接口20，水循环接口21，主发射器22，次发射器23，水听器组24，外壳25，底座26，前质量块27，后质量块28，应力螺杆29，稀土振子30，永磁器件31，线圈32，去耦环33，紧固螺母34，电缆头35，电缆36，硫化橡胶37，声背衬38，O型圈39，水听器外壳40，前盖板41，陶瓷圆管串42，去耦橡胶43，锁紧螺母44，水听器电缆头45，水听器电缆46，径向密封槽47，纵向密封槽48，水听器硫化橡胶49。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例：如图1，这种分离式水声声管系统，首先在实验室根据声管的重量和工作频率参数建设独立的隔振基础，在隔振基础上安装声管支架2，声管支架2上固定有声管1的上段，声管1的下段在液压缸4的顶起下可上下滑动，液压缸4固定于声管支架2的底部，声管1的上下段结合处可在液压马达5所带动的弧齿11作用下锁紧密闭，液压缸4和液压马达5均通过液压接口20与液压站3连接，声管1的上下段通过水循环接口21和恒温水箱8由管路连接构成水循环，自来水经过过滤器9进入恒温水箱8，再使用恒温水箱8中的水泵注水到声管1中，然后根据控制机柜10中控制系统的水温设定自动进行声管1中水介质的变温和循环，制冷时压缩机7工作，加热时使用恒温水箱8中的电热棒。当分离式水声声管1中的水温达到测量要求时，温控部分停机，控制系统启动试压泵6进行加压到设定的压力值。

如图2所示，声管1由上段声管管体12和下段声管管体13对称安装组成，声管1的两端分别对应装有上段声管管盖14和下段声管管盖15，上段声管管盖14和下段声管管盖15上分别装有主发射器22和次发射器23，声管1管壁上嵌入式装有压力传感器17、温度传感器18和水听器组24，上段声管管体12和下段声管管体13结合处外部设有实现声管1平稳、准确、可靠地开启闭合的弧齿11和滑轨19。声管1的外壁设有由不锈钢板包覆的发泡橡胶作为保温层16。

如图3所示，所述主发射器22和次发射器23为活塞式稀土纵向振动换能器，包括连接前质量块27和后质量块28的应力螺杆29，应力螺杆29外设有按照要求粘接成一体的稀土振子30，稀土振子30外套设有线圈32和永磁器件31，前质量块27外设有与外壳25硫化连接的硫化橡胶37，前质量块27与硫化橡胶37之间设有声背衬38，前质量块27和声背衬38通过硫化橡胶37硫化，质量块28通过去耦环33与外壳25连接，外壳25连有底座26，底座26上连有硫化成一体的电缆头35和电缆36，换能器通过紧固螺母34与声管1连接。外壳25与底座26通过O型圈39完成密封，然后完成电缆36的焊接与电缆头35的安装，从而完成换能器的研制，使用时将底座26安装面带有O型圈39的换能器插入声管1，通过紧固螺母34与声管1盖子安装在一起。

如图4所示，水听器组24包括八个水听器，水听器包括陶瓷圆管串42，4个陶瓷圆管3串在一起，电学上是并联的，中间用去耦橡胶43去耦，减少振动带来的相互干扰，去耦橡胶43端部由前盖板41密封，陶瓷圆管串42外设有硫化橡胶49，硫化橡胶49连有水听器外壳40，水听器外壳40一端通过锁紧螺母44固定有硫化成一体的水听器电缆头45和水听器电缆46，整个水听器体积小，结构简单合理，多个水听器一致性良好。水听器外壳40上设有径向密封槽47和纵向密封槽48，水听器通过径向密封槽47和纵向密封槽48上的O型圈密封装入声管1管壁。

更为具体地说：

声管1设计为相等的上下两部分，垂直放置，在下部端口安装主发射器22，在上部端口安装次发射器23，被测样品可以放置在声管1的中部，在上下两部分管子中分别嵌入水听器组24用来测量样品的反射声场和透射声场。根据测量高频限条件设计声管1的内径和管壁的厚度，满足声管管壁厚度不低于声管的内径。声管1的上段部分固定在声管支架2上，下段部分利用液压装置作自动上下移动、可以和上部声管进行自动对接密封和开启。声管高5m、内径Φ208mm，壁厚104mm。

声管工作时，第一步分离声管两部分，在声管1中央放置被测样品；然后合上声管，注入纯净水；经过除气、加压、水温控制到测量规定环境条件；声管1底部主发射器22发射一定频率的连续正弦声波，应用一维主动消声技术调节次发射器23发射的连续正弦声波幅值和相位，来抵消样品的透射声波，使得上部端口不反射声波，就如声管是无限长一样，形成了单向传播的行波。所以在对样品的反射和透射系数的测量中不存在背衬和声管末端阻抗的影响，测量样品的低频声压反射和透射系数，测量频率为100Hz～4000Hz。

所述的声管1上下管体为不锈钢材质，内径208mm，外径416mm，各长2.5m，内壁光洁度1.6以上、局部0.8，最高耐压10MPa。声管设计能满足声学厚壁管的要求。在声管1两端端面上设计有一圈12个M20的安装孔，用来连接盖子。两段声管连接处，设计有定位梢和0形圈槽。在每段声管的管壁上设计有4个Φ30的孔，用来嵌入安装水听器组。

所述的声管管盖为不锈钢材质，外径416mm，厚度50mm，中间开有Φ50的孔，用来安装和密封主次发射器。上下管盖和声管端面接触部位开有两道0形圈槽，用12个M20螺钉和声管端面密封固定。

所述的声管支架由方钢制成，内部尺寸1m(长)×1m(宽)×3m(高)，垂直安装于隔振基础之上，用来固定上下声管。上声管采用螺钉固定安装在声管支架2上，下声管通过固定在声管支架2上的滑轨19，可以上下移动500mm。

所述的声管保温层16包裹于声管外部，采用了30mm的发泡橡胶，在橡胶层外设计包覆0.5mm厚的不锈钢板，水听器组24、主次发射器接插件、弧齿11和活动部件位置镂空。

所述的主次稀土纵向型主换能器采用活塞式振动方式，能够适应管中小尺寸换能器的要求，采用耐压设计，在换能器内部使用耐高静水压的去耦材料，使振动部分与外壳去耦，在换能器外部和声管1之间采用O形圈去耦，表面硫化。辐射面外径：Φ206mm，工作频率100Hz～4kHz全频工作，在1kHz频率时，发送电压响应不小于140dB，电流响应不小于145dB；100Hz～4kHz频段，发送电压响应不小于120dB，电流响应不小于125dB，耐静水压：最高6MPa。

所述的水听器组24采用外形尺寸小、接收灵敏度相幅一致性良好的耐压水听器，水听器选用Φ10mm圆管压电元件，用三个串联组成敏感元件，能够平抑元件之间的不一致性。水听器外形：Φ30mm，和声管采用两道O型圈径向密封，一道O型圈端面密封，水听器声中心位于声管轴心位置。-3dB频响范围100Hz～4kHz，接收灵敏度不小于-205dB，灵敏度幅值一致性优于±1.0dB，灵敏度相位一致性优±1.5°。

所述的液压机械部分液压站3提供液压动力，最高压力16MPa；管路为耐压25MPa的通用液压软管，分别将液压马达5、液压缸4和液压站3连接起来。

所述的液压马达5为声管弧齿11提供旋转扭矩，锁紧或开启两段声管联结；液压缸4位于下部声管底部，和下声管管盖用万向节连接，使下部声管上升或下降500mm与上部声管对接或分离。所述的弧齿11安装在上下声管的锁紧开启装置上，由液压马达5上的齿轮带动。

所述的位置传感器为霍尔传感器，当下部声管移动、弧齿旋转到预定的位置，霍尔传感器输出信号给机械控制系统。

所述的机械控制系统和控制器用来自动控制上下两段声管的开启和闭合等机械动作，由嵌入式系统和模块化软件组成。

所述的环境控制部分用来自动调节声管内部的水介质温度和压力，水温调节范围为4℃～40℃，水压调节范围为0.1～6.0MPa。

所述的试压泵6为全不锈钢材质的小流量设计，保证水质的纯净与压力精确控制。

所述的恒温水箱8为不锈钢材质设计，容积450L，水箱内部为高低温恒温循环装置，加热功率21kW，制冷量15kW，具有独立的温控功能，也可通过RS485接口与实验室的温压控制系统相连。

所述的压缩机7位于室外，制冷剂为R22，为恒温水箱8提供冷源。

所述的温压控制系统和机械控制系统组成分离式声管的控制系统，由工控机、控制软件组成，温度控制时预先设定声管内需要的测量水温，控制系统自动设定水箱的水温，根据目前水温开始制冷或加热，和声管内的水介质进行循环交换，直到声管内水温达到预设温度，称之为内循环水温控制；压力控制时预先设定声管内需要的测量水压，控制系统在检测声管管路各阀门状态后启动试压泵加压，达到设定压力后停止，关闭阀门，泄压过程相反。

所述的压力传感器17和温度传感器18嵌入到声管1内部，和声管1采用O型圈端面密封，用分别测量声管内部水介质的压力和温度，温度传感器采用了耐压设计。

分离式水声声管系统建立后，就能够和电子测量设备一起构成完整的一套测量装置，完成声学材料低频声学性能参数的管中测量。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种分离式水声声管系统，包括安装于隔振基础上的声管支架(2)，其特征是：声管支架(2)上固定有声管(1)的上段，声管(1)的下段在液压缸(4)的顶起下可上下滑动，液压缸(4)固定于声管支架(2)的底部，声管(1)的上下段结合处可在液压马达(5)所带动的弧齿(11)作用下锁紧密闭，液压缸(4)和液压马达(5)均通过液压接口(20)与液压站(3)连接，声管(1)的上下段通过水循环接口(21)和恒温水箱(8)由管路连接构成水循环，恒温水箱(8)通过过滤器(9)连有自来水水源，恒温水箱(8)内设有由控制机柜(10)内控制系统控制实现管内水介质温度控制内循环的压缩机(7)和电热棒，水循环管路上还设有由控制系统控制实现加压的试压泵(6)。

2.根据权利要求1所述的分离式水声声管系统，其特征是：所述声管(1)由上段声管管体(12)和下段声管管体(13)对称安装组成，声管(1)的两端分别对应装有上段声管管盖(14)和下段声管管盖(15)，上段声管管盖(14)和下段声管管盖(15)上分别装有主发射器(22)和次发射器(23)，声管(1)管壁上嵌入式装有压力传感器(17)、温度传感器(18)和水听器组(24)，上段声管管体(12)和下段声管管体(13)结合处外部设有实现声管(1)开启闭合的弧齿(11)和滑轨(19)。

3.根据权利要求2所述的分离式水声声管系统，其特征是：所述主发射器(22)和次发射器(23)为活塞式稀土纵向振动换能器，包括连接前质量块(27)和后质量块(28)的应力螺杆(29)，应力螺杆(29)外设有稀土振子(30)，稀土振子(30)外设有线圈(32)和永磁器件(31)，前质量块(27)外设有与外壳(25)连接的硫化橡胶(37)，前质量块(27)与硫化橡胶(37)之间设有声背衬(38)，后质量块(28)通过去耦环(33)与外壳(25)连接，外壳(25)连有底座(26)，底座(26)上连有硫化成一体的电缆头(35)和电缆(36)，换能器通过紧固螺母(34)与声管(1)连接。

4.根据权利要求3所述的分离式水声声管系统，其特征是：所述底座(26)与外壳(25)的连接面及其安装面上设有O型圈(39)。

5.根据权利要求2所述的分离式水声声管系统，其特征是：所述水听器组(24)包括八个水听器，水听器包括陶瓷圆管串(42)，陶瓷圆管串(42)之间设有去耦橡胶(43)，去耦橡胶(43)端部设有前盖板(41)，陶瓷圆管串(42)外设有硫化橡胶(49)，硫化橡胶(49)连有水听器外壳(40)，水听器外壳(40)一端通过锁紧螺母(44)固定有硫化成一体的水听器电缆头(45)和水听器电缆(46)。

6.根据权利要求5所述的分离式水声声管系统，其特征是：所述水听器外壳(40)上设有径向密封槽(47)和纵向密封槽(48)，水听器通过径向密封槽(47)和纵向密封槽(48)上的O型圈密封装入声管(1)管壁。

7.根据权利要求2所述的分离式水声声管系统，其特征是：所述声管(1)的外壁设有由不锈钢板包覆的发泡橡胶作为保温层(16)。

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