[發明專利]基于玻璃鋼透聲帽封裝的寬頻帶矢量水聽器

有效

• 申請號: 201210406711.X
• 申請日: 2012-10-23
• 公開（公告）號: CN102944297A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發明（設計）人: 張文棟;張國軍;劉林仙;趙鵬;薛晨陽;熊繼軍;劉宏;薛南;陳桂英;李振;申輝
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01H3/00
• 分類號: G01H3/00;B81B7/00
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發明涉及MEMS仿生矢量水聽器，具體是一種基于玻璃鋼透聲帽封裝的寬頻帶矢量水聽器。

背景技術

近年來，在水聲測量系統中，矢量水聽器的采用使系統的抗干擾能力和線譜檢測能力獲得提高，因此矢量水聽器的研究工作受到國內外研究者的極大重視。專利號為200810079372.0的中國發明專利“微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結構”，介紹的MEMS矢量水聽器的封裝采用的是聚氨酯透聲帽，其帶寬響應較窄(40Hz-800Hz)，水聽器的頻響曲線波動比較大，不夠平坦，阻礙了其進一步的工程化應用。分析其原因，是因為聚氨酯透聲帽的彈性模量較低，各種特性疊加到了MEMS?水聽器芯片的固有特性之上，造成實測結果與設計預期結果偏差較大。因此，是否可以通過對現有仿生水聽器進行改進，在不損失靈敏度的前提下，盡量拓寬水聽器的頻帶，改善水聽器的頻響就顯得極為重要了。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有水聽器頻響范圍較窄（40Hz-800Hz）、頻響曲線波動較大等問題，而提供一種基于玻璃鋼透聲帽封裝的寬頻帶矢量水聽器。本發明水聽器的封裝結構中的透聲帽采用玻璃鋼材質，解決了水聽器頻帶窄，頻響曲線起伏較大的問題，提高了水聽器的水聲探測性能。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種基于玻璃鋼透聲帽封裝的寬頻帶矢量水聽器，包括四梁敏感微結構（四梁敏感微結構為公知結構，其包括一個支撐框體，支撐框體中心處設有一個質量塊，質量的四邊分別通過一根彈性梁與支撐框體固定，敏感柱體粘結固定在質量塊的中心面）、芯片減振支撐體、金屬管殼及透聲帽；芯片減振支撐體固定于金屬管殼頂面中心處；四梁敏感微結構卡固在開設于芯片減振支撐體上表面中心處的卡槽內；四梁敏感微結構的質量塊中心面上垂直粘結固定有敏感柱體；透聲帽為一端敞口、另一端封閉的形如杯狀的空心圓柱體，透聲帽的敞口端密封固定在金屬管殼上，芯片減振支撐體、四梁敏感微結構及敏感柱體被封裝在透聲帽內，并且透聲帽內充滿有絕緣介質硅油且保證無氣泡；金屬管殼內安置有信號處理電路板，信號處理電路板的一端通過導線與四梁敏感微結構連接、另一端通過導線與設在金屬管殼底部端口的輸出電纜連接；透聲帽、敏感柱體、四梁敏感微結構、芯片減振支撐體及金屬管殼均位于同一軸線上；所述的透聲帽是由玻璃鋼材料制成的。

由于玻璃鋼有透聲性能好，強度高，耐海水腐蝕，成型方便，造價低等優點，本發明中選用玻璃鋼材料代替聚氨酯材料制作透聲帽。玻璃鋼透聲帽封裝結構的尺寸設計必須保證透聲帽與金屬管殼無縫隙地牢固結合，以提高水聽器的抗壓性、抗沖擊性和可靠性。同時，玻璃鋼透聲帽的尺寸應該根據水聽器小型化的原則，結合四梁敏感微結構的尺寸，要保證玻璃鋼透聲帽內部結構緊湊。

選用玻璃鋼材料代替聚氨酯制作透聲帽，在50Hz-3000Hz的頻率范圍內，玻璃鋼透聲帽水聽器的接收靈敏度曲線較平坦，且玻璃鋼透聲性能好，基本不損失靈敏度。

為了對比透聲帽材料改進對水聽器靈敏度和頻響的影響，體現玻璃鋼透聲帽封裝的優越性，我們利用聲學仿真軟件virtual.lab對圖3所示透聲帽內外聲場進行仿真，在仿真中需要建立聲場，我們所關心的是流體（介質硅油）與結構（透聲帽）的相互作用。海水、硅油、玻璃鋼、聚氨酯的材料屬性如表1所示：

表1各種透聲材料與海水、硅油聲學特性對比

具體仿真過程如下：用ANSYS?軟件建立了水聽器透聲帽、透聲帽內硅油與透聲帽外海水的有限元三維模型，導入聲學仿真軟件Virtual.lab；在透聲帽內的硅油和透聲帽外的海水里分別定義A、B兩個場點，定義聲源強度為1Pa，如圖2所示；對不同材料的透聲帽-硅油結構進行耦合仿真，讀出其前四階耦合模態，如圖3所示；提取透聲帽內外場點的聲壓值（仿真頻率范圍50Hz-3000Hz），仿真結果如圖4、5所示。

由圖4可看出：當聲源頻率為50Hz-1000Hz時，聲波通過聚氨酯透聲帽后，透聲帽內A場點的聲壓值曲線較平坦；當聲源頻率為1000Hz-3000Hz時，透聲帽內A場點的聲壓值有許多諧振峰，這是聚氨酯透聲帽和內腔液體諧振造成的（由圖3可知，聚氨酯的共振頻率為875.3Hz）。因此，在水聽器感興趣的頻率范圍（50Hz-3000Hz），聚氨酯透聲帽內場點聲壓值起伏大，即水聽器靈敏度曲線不平坦。