一种科教水声演示平台的制作方法

1.本发明属于水声工程技术领域，尤其涉及一种科教水声演示平台。


背景技术：

2.声波是进行水下远距离传输的有效能量方式。水声技术则是指利用水下声学技术进行水下探测、定位、导航和通讯等应用的技术手段。随着海洋开发进程的不断扩大和深化，以及相关电子技术的不断进步，水声技术的应用场景以及从业人员也在快速的增加。由此而来，在高等人才培养、高校及科研院所的科学研究、军工或者船舶领域的专业技术培训以及海洋科普等领域产生了大量的水声科教需求。水声相关技术复杂性、抽象性以及系统性的特点要求科教过程直观、可实践以及可分解。因此，一个面向水声技术原理展示和实操训练的科教演示平台具有重要的经济、教育价值。
3.目前国内水声科教演示或实验平台主要有两类。一类是大型的测量或科研用水池。这种水池设施大型，实验条件优良。但是购置和维护费用高昂；且设备管理、运行和维护复杂。另一类是小型的换能器性能测试测量用水池，如《海洋测深声纳检测平台》(cn202886701 u)、《一种用于实验教学的水下声源系统》(cn106747435a)、《一种适用于有限空间的低频消声水池》(cn109994096a)。该类水池主要用于声呐系统或者组件的性能测试，相关用户交互不适用科教或者科普演示；且系统主要由多设备组装而成，功能单一且不易扩展。
4.以上现状造成现有水声技术相关的科普、教学、技术培训以及科研工作受限：如实操机会少；演示系统不够生动直观；教学与科研的想法也由于经费和场地原因未能有效开展实现。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种科教水声演示平台，可以有效解决上述问题。
6.本发明是这样实现的：
7.一种科教水声演示平台，包括：
8.水池本体；
9.第一移动机构，其有两组，分别设置在所述水池本体的相对两侧壁上；
10.第二移动机构，其有两组，均设置在两组所述第一移动机构之间；
11.目标物衔接件，设置在其中一组所述第二移动机构上，用于衔接目标物；
12.换能器，设置在另一组所述第二移动机构上，用于电信号和声信号的转换；
13.控制机构，用于控制所述第一移动机构以及所述第二移动机构移动；且用于控制所述换能器工作，以将电信号转换为声信号发出；并控制所述换能器接收所述目标物的反射声信号或其他水下声信号，且由所述换能器将其转换为反射电信号；且所述控制机构进一步用于解析反射电信号；
14.显示单元，用于将解析后的反射电信号显示于显示器上，其中，所述解析后的反射
电信号包括波形、频谱以及距离。
15.作为进一步改进的，所述控制机构进一步用于控制所述第一移动机构和/或第二移动机构按照预定路线,以不同或相同速度移动。
16.作为进一步改进的，所述目标物为各种仿生鱼类，且所述控制机构进一步用于控制所述第一移动机构以及设置有所述目标物衔接件的第二移动机构按照预定路线,以不同种类的鱼类的极限速度移动。
17.作为进一步改进的，所述目标物为各种水上或水下船只，且所述控制机构进一步用于控制所述第一移动机构和/或设置有所述目标物衔接件的第二移动机构按照预定路线,以不同种类的水上或水下船只的极限速度移动。
18.作为进一步改进的，所述第一移动机构和第二移动机构上均设有刻度值。
19.作为进一步改进的，该科教水声演示平台还包括机箱，所述控制机构设置在所述机箱内，所述控制机构包括计算机和信号输送机构，所述信号输送机构包括：
20.数据采集卡，其设置在所述机箱内，用于实现所述计算机的数字信号与电信号的相互转化；
21.功率放大模块，其用于提升所述数据采集卡输出的所述电信号的能量，并通过收发转换模块加载至所述换能器；其中，所述收发转换模块用于控制发射端和接收端电路的转换；以及
22.滤波放大模块，其用于接收端中对所述收发转换模块接收到的模拟电信号进行前端的放大与滤波处理，并输送至所述数据采集卡。
23.作为进一步改进的，所述换能器为活塞式收发合置换能器。
24.作为进一步改进的，所述水池本体包括支撑框架以及设置在所述支撑框架内的蓄水池，所述支撑框架底部设有多个滚轮。
25.作为进一步改进的，所述蓄水池由透明材质制成。
26.作为进一步改进的，所述蓄水池内侧设有吸声尖劈。
27.本发明的有益效果是：本发明通过控制机构控制设置在水池本体上的两组第一移动机构以及在两组第一移动机构上设置两组第二移动机构，从而改变换能器与目标物的相对位置，且控制换能器工作；并将解析后的反射电信号显示在显示器中，该设备结构简单，所需成本低；提高了学生的实操机会，且便于操作演示。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
29.图1是本发明实施例提供的科教水声演示平台的结构示意图；
30.图2是本发明实施例提供的科教水声演示平台的主动声呐原理示意图；
31.图3是本发明实施例提供的科教水声演示平台的被动声呐原理示意图。
32.附图标记：
33.10
‑
水池本体；20
‑
第一移动机构；30
‑
第二移动机构；40
‑
目标物衔接件；41
‑
目标
物；50
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换能器；60
‑
控制机构；70
‑
信号输送机构；80
‑
机箱；71
‑
数据采集卡；72
‑
功率放大模块；73
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收发转换模块；74
‑
滤波放大模块；11
‑
支撑框架；12
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蓄水池；13
‑
滚轮；90
‑
尖劈；100
‑
水面。
具体实施方式
34.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
35.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.参照图1
‑
3所示，一种科教水声演示平台，包括：
37.水池本体10；
38.第一移动机构20，其有两组，分别设置在所述水池本体10的相对两侧壁上；
39.第二移动机构30，其有两组，均设置在两组所述第一移动机构20之间；
40.目标物衔接件40，设置在其中一组所述第二移动机构30上，用于衔接目标物41；
41.换能器50，设置在另一组所述第二移动机构30上，用于电信号和声信号的转换；
42.控制机构60，用于控制所述第一移动机构以及所述第二移动机构移动；且用于控制所述换能器50工作，以将电信号转换为声信号发出；并控制所述换能器50接收所述目标物的反射声信号或其他水下声信号，且由所述换能器50将目标物的反射声信号或其他水下声信号转换为反射电信号；且所述控制机构60进一步用于解析反射电信号；
43.显示单元，用于将解析后的反射电信号显示于显示器上，其中，所述解析后的反射电信号包括波形、频谱以及距离。
44.具体实施时，如图1
‑
3所示，根据需求设置不同的参数，参数包括工作模式，信号发出参数设置，信号接收参数设置，测量数据保存等；在水池本体10注入水，水面100没过所示尖劈90。当系统处于主动声呐工作模式时，所述控制机构60根据所设置的信号发出参数的信息通过所述信号输送机构70发送电信号，且电信号加载至换能器50中，并驱动所述换能器50向水中辐射声波。水下声波在传播过程中与目标物衔接件40上的目标物41发生相互作用，产生携带目标物信息的后向散射波；之后再被所述换能器50接收；所述换能器50将声信号转换为电信号后经所述信号输送机构70传输回所述控制机构60，所述控制机构60对其进行数据存储，并将解析后的反射电信号在所述显示单元的显示器上显示，其中，所述解析后的反射电信号包括波形、频谱以及距离。当系统处于被动声呐工作模式时，水下声源在传播过程中声信号被所述换能器50接收并转换为电信号。后经所述信号输送机构70传送至所述
控制机构60上，所述控制机构60对其进行数据存储，并将解析后的反射电信号在所述显示单元的显示器上显示。所述目标物衔接件40其在所述第一移动机构20和第二移动机构30的带动下在所述水池本体10中沿目标物41所在水平面的各个方向运动；所述换能器50其在所述第一移动机构20和第二移动机构30的带动下在所述水池本体10中沿所述换能器50所在水平面的各个方向运动。
45.通过所述控制机构60控制两个所述第一移动机构20工作，可实现所述换能器50与所述目标物41在所述第一移动机构20移动方向上的距离变化。通过所述控制机构60控制两个所述第二移动机构30工作，可实现所述换能器50和目标物41在所述第二移动机构30移动方向上的距离变化。在本实施例中，还可分别在两组所述第二移动机构30上设置第三移动机构，所述第三移动机构与所述第一移动机构20和第二移动机构30所在平面垂直，所述换能器50和目标物分别设置在两组第三移动机构上，通过所述控制机构60控制两个所述第三移动机构工作，可实现所述换能器50和目标物在所述第三移动机构移动方向上的距离变化。另外，还可通过手动调节来改变所述换能器50和目标物之间的距离变化；可通过更换所述目标物，模拟探测不同目标时，其声波反射信号的变化情况。
46.本发明通过控制机构控制设置在水池本体上的两组第一移动机构以及在两组第一移动机构上设置两组第二移动机构，从而改变换能器与目标物的相对位置，且控制换能器工作；并将解析后的反射电信号显示在显示器中，该设备结构简单，所需运行及维护成本低；提高了学生的实操机会，且便于操作演示。
47.进一步地，所述控制机构60进一步用于控制所述第一移动机构20和/或第二移动机构30按照预定路线,以不同或相同速度移动。在本实施例中，通过所述控制机构控制所述第一移动机构20和/或第二移动机构30，进而控制所述换能器50和目标物的相对位置，能够更加生动直观的演示多种不同类型的目标物，提高数据的准确性。
48.进一步地，所述目标物为各种仿生鱼类，且所述控制机构60进一步用于控制所述第一移动机构20和/或设置有所述目标物衔接件40的第二移动机构30按照预定路线,以不同种类的鱼类的极限速度移动。在本实施例中，根据不同种类的鱼类行进方式，通过所述控制机构60设定所述第一移动机构20和第二移动机构30的行进参数，从而控制不同种类的鱼以极限速度按照行进参数形成的预定路线行进，进而提高模拟鱼类行进的真实性，使演示更加直观。
49.进一步地，所述目标物为各种水上或水下船只，且所述控制机构60进一步用于控制所述第一移动机构20和/或设置有所述目标物衔接件40的第二移动机构30按照预定路线,以不同种类的水上或水下船只的极限速度移动。在本实施例中，根据各种水上或水下船只的行进方式，通过所述控制机构60设定所述第一移动机构20和第二移动机构30的行进参数，从而控制不同种类的水上或水下船只以极限速度按照行进参数形成的预定路线行进，进而提高模拟船只行进的真实性，使演示更加直观。
50.另外，所述目标物亦可为静止状态的物体，如不锈钢片、石英石片、有机玻璃片、以及静止的不同鱼类、静止船只等均可用于模拟演示。
51.进一步地，所述第一移动机构20和第二移动机构30上均设有刻度值。在本实施例中，所述第一移动机构20包括设置在所述侧壁顶部的水平安装座、设置在所述水平安装座上的水平滑轨、以及设置在水平滑轨上的水平滑块；所述第二移动机构30包括两端分别设
置在两所述水平滑块上的竖直安装座、设置在所述竖直安装座上的竖直滑轨、以及设置在所述竖直滑轨上的竖直滑块；并在所述水平安装座和竖直安装座上均设置刻度值，便于直观的看出所述换能器50与目标物之间发生的相对位移，提高数据的可靠性和准确性。
52.进一步地，该科教水声演示平台还包括机箱80，所述控制机构60设置在所述机箱80内，所述控制机构60包括计算机和信号输送机构70，所述信号输送机构70包括：
53.数据采集卡71，其设置在所述机箱80内，用于实现所述计算机的数字信号与电信号的相互转化；
54.功率放大模块72，其用于提升所述数据采集卡71输出的所述电信号的能量，并通过收发转换模块73加载至所述换能器50；其中，所述收发转换模块73用于控制发射端和接收端电路的转换；以及
55.滤波放大模块74，其用于接收端中对所述收发转换模块73接收到的模拟电信号进行前端的放大与滤波处理，并输送至所述数据采集卡71。
56.具体实施时，所述数据采集卡71用于实现所述计算机的数字信号与模拟电压信号的相互转化；其可至少设有一个模拟输入通道、一个模拟输出通道和一个同步触发通道，所述数据采集卡71的采样精度为16b it，采样率可达1000ks/s。所述功率放大模块72用于提升所述数据采集卡输出的所述电信号的能量，并通过收发转换模块73加载至所述换能器50，所述功率放大模块72最高工作功率可达100w，且放大倍数可调，工作频率范围覆盖100khz至500khz；其中，所述收发转换模块73用于控制发射端和接收端电路的转换，其可通过输入高、低电平实现系统发射和接收模式的快速切换。滤波放大模块74用于接收端中对所述收发转换模块73接收到的模拟电信号进行前端的放大与滤波处理，以抑制噪声干扰，并输送至所述数据采集卡71上；所述滤波放大模块74的信号放大倍数可调，滤波的中心频率为200khz，通带频率范围100hz～500khz。
57.进一步地，所述换能器50为活塞式收发合置换能器。在本实施例中，所述换能器50采用活塞式收发合置换能器，其功能是实现模拟电信号和声信号的转换。当所述换能器50作为发射声源时，其功能是将放大后的模拟电信号转换成声信号，并辐射于水环境中；其工作时的中心频率为250khz，工作频率范围是200～300khz，且具有高指向性，指向性角为16
°
～20
°
，可有效减少所述水池本体10及水面的界面声混响干扰，更有利于水声探测试验的演示效果。该活塞式收发合置换能器也用于将水下接收到的声信号转换成模拟电信号，并输送到所述滤波放大模块74，其工作频率范围为100hz～250khz。
58.进一步地，所述水池本体10包括支撑框架11以及设置在所述支撑框架11内的蓄水池12，所述支撑框架11底部设有多个滚轮13。在本实施例中，所述支撑框架11由铝合金管材制成，用于支撑所述蓄水池12；铝合金管材为正方形，边长为30mm，厚度为1mm，整个支撑框架框架尺寸为1200*800mm；其底面四个角均设有所述滚轮13，便于该演示平台的移动，提高其灵活性。
59.进一步地，所述蓄水池12由透明材质制成。在本实施例中，透明材质制成的蓄水池12用于盛放水体以模拟水声环境，所述蓄水池12的尺寸为1200*800*800mm，厚度为30mm，其所占地面积小，且便于学生观察演示过程，使水声演示更为直观。
60.进一步地，所述蓄水池12内侧设有吸声尖劈90。在本实施例中，所述蓄水池12内侧等间距设有多个所述尖劈90，且所述尖劈90由橡胶材质制成，其尖劈90上下厚度为35mm、斜
边为150mm
×
150mm的等腰三角形，实现高频消声，从而降低声信号的反射。
61.以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。