DSY-1型固体传声微声生命探测仪的研究

    1　微声探测原理

    一些发达国家目前较为成功的探测技术是被动红外探测技术和声波探测技术,前者是探测人体辐射的红外线来发现和确定地震被埋幸存者的位置,后者是利用声波来探测被埋人员的位置。我所研制成功的DSY-1型微声生命探测仪是我国首次将微声探测技术应用于地震救灾,主要通过探测固体中传播的声波来寻找震后被埋的幸存者。

    声音在空气中传播速度很慢(约300 m/s),衰减很快。但声音在固体中传播速度却很快,衰减很小,故可以传播很远。根据这一声学特征,可以设计出所需要的微声生命探测装置。

    由于被埋幸存者发出的微弱声音可通过空气和固体废墟传播到地面,为了在不同环境下探测到这些声音,采用两种传感器:一种是特种空气传声器,通过探测空气中传播的声波来寻找幸存者,它灵敏度高体积小,便于用软管塞到地下探测。另一种是专门研制的振动传声器,它是一种通过探测固体中传播的声波来寻找被埋幸存者。由于地下幸存者可以听到地面上的声音,因而上面的救援人员可通过能塞到地下的微型扩音器对下面喊话,使其配合救援工作。

    2　DSY-1型固体振动传声器的设计

    固体振动传声器(即地听器)是以压电陶瓷PXE换能元件为核心,与精密的机械结构组合而成。

    2.1　换能元件的选择

    压电陶瓷PXE5材料兼有高耦合系数和高压电应变常数,这正是我们需要的低功率应用的一种理想材料。这种材料的时间稳定性极好,而且在高温下具有较高的电阻率[2],在DSY-1中,要求两端面上有电极的圆管形压电陶瓷。这种形状在零电场强度下,两个机械参量(交变应力T和应变S)的主分量在管的轴向,即必须满足Sx=Sy= 0,Tx=Ty= 0,其关系为[2]:

S=sT(1)

    式中S表示介质的柔顺系数。

    该元件机械能转换为电能的关系为:

E=-gT(2)

    式中T为机械应力(在这种情况下的应力是压应力,因为T<0),g为材料常数,即感应电场强度和所加应力之比,这是选取元件考虑的主要参数。

    2.2　DSY-1型固体振动传声器机械结构设计

    在压电陶瓷电传感元件中,设计了一个较大的内在质量,利用一个夹在外壳与内在质量之间的压电陶瓷管作振动敏感元件,这使得DSY-1探头的自由场电压灵敏度与声压梯度成正比,而不是与振动速度成正比。内部质量m不是静止的,它在压电陶瓷圆管上作用一个惯性力,压电陶瓷圆管起着弹簧的作用。此力F由下式给出:

    式中,u是内在质量m的速度。

    压电陶瓷圆管可以看成是个质量可以忽略不计的很刚硬的弹簧,其弹性—质量的谐振频率大于我们应用的频率(即大于1.5 kHz),因此,内质量、外壳和平面波点的速度都近似相同。压电陶瓷圆管的输出电压e可由下式给出: