[发明专利]基于玻璃钢透声帽封装的宽频带矢量水听器

说明书

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，在水声测量系统中，矢量水听器的采用使系统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。