一体的潜水员面罩和超声频水下话音通讯装置

摘要

一种新颖的、完全一体化的潜水员面罩和超声频水下话音通讯装置，它具有外形低矮的、一体组合的传感器-发射-接收-电源容器，这是在面罩顶上设有一对相邻布置并横向联结成一体的第一和第二密闭容器来达成的；面罩的两侧一体地装有朝里开口的耳机装置；话筒装置装在面罩内部一侧的下方；电气接线贴着面罩的表面布设。潜水员潜入水中后可灵活地选用话音控制或按钮通话的使用方式；它还装有抵消杂音的具有特征的话筒装置以减少气泡和振动引起的杂音。

说明书

本发明涉及一种水下通讯系统和装置，更具体地的说是供潜水员使用的用超声频率发射和接收的水下话音通讯装置。

多年来，对于在水下工作的潜水员之间、潜水员与别的水下地点之间或潜水员与水面上人员之间的通讯的技术试图解决多方面的问题。这些年来已经提出了很多改进方案和进行了大量开发工作，以简化潜水员携带的通讯装置、抑制正常话音信号以外的由于呼吸引起的以及其他的杂声、改进超声频率（无线电频率）信号的发射和接收系统和元器件，以及在某些情况下，把传感器、话筒和耳机与潜水员的面罩设备及其附属装置组合起来。这些努力体现在诸如下列的美国专利之中：3，003，136、3，076，174、3，150，345、3，164，800、3，172，076、3，174，129、3，181，115～6、3，230，500、3，231，852、3，267，414、3，359，535以及3，451，039，这些专利的内容涉及位于潜水员面罩以外的、供配装于潜水员身体各部位的甚或是手持的、装有电气及电子部件、连接线及/或传感器等的分开的壳体;专利号3，790，891和4，154，981涉及降低话音以外的呼吸噪声以及其他噪声;专利号3，789，353涉及由声音启动的水下信号发射;专利号3，218，607、3，347，230、3，469，231、4，041，441、4，527，657、4，839，871以及4，885，796涉及与面罩分开的或附着于面罩的听筒、传感器及/或电子装置（也包括加拿大温哥华的奥卡脱隆公司的电流装置），以及专利号4，123，622涉及的置于面罩内的这类装置;专利号2，798，902、4，418，404和4，432，079涉及改进的有单侧边频带抑制的载波超声频发射和接收系统;另外，专利号3，231，852、3，263，207、3，337，841、4，039，999、4，276，624、4，604，737和4，949，072则涉及其他通用的水下电话通讯系统。

所有上述专利以及其他方案都代表着简化设备及/或改进性能、提高使用者的舒适感和使用设备的方便性等方面的努力。在本发明之前出现的一个具有前景的做法是前面已提到过的将装有传感器和其他元件的头戴式耳机装到面罩内。

尽管进行了这些努力，还是存在着很多不足之处和问题，它们之中包括那些分开的、需要由潜水员装到面罩上去的那种头戴式收发话机或头戴式耳机，以及需要在现场更换电池或进行维修等操作带来的固有的不利条件。这些专利涉及的改进一般都是针对原先并不配有内装式收发话机的面罩;其次，它们需要潜水员先将面罩戴上，然后再分别装上头戴式收发话机的通讯系统。由于它们的复杂性和装配起来需化费时间，它们是很不理想的;虽然潜水员对之讲话的话筒是装在面罩内的，但将面罩与分开装设的收发话机通讯系统联结起来的电缆接头是很易受损的。特别是在工业上或军事方面使用时，潜水员处于紧张的精神状态下并需要以快动作来完成任务，分开装设的部件的概念（带有话筒的面罩作为一个部件，外置的通讯系统及连接线作为另一个部件）被证明是很不理想的。

上面提到的专利中作出的另外一些努力，例如，潜水员在他的身体上带一个外置的容器，及/或另外再带一个分开的传感器，它们都需要用电缆同面罩连接起来，因此也有上述的类似问题;此外，它们还有后面将要提到的一个缺点，即其超声频传输场会受到身体遮蔽的有害影响。

作为本发明的基本内容，是它可以成功地将超声频的通讯系统及其他部件全部地组合到面罩的结构中去，其方式是使得可以利用现有技术的各种通讯系统中的已将头戴式耳机结合进去的那种全复盖式面罩。这种一体化的面罩-通讯系统的概念还包含一些相当新颖和关键的封装电子装置和电源装置的设想，它不但可以方便地更换电池和电子插件板，而且还具有最小的突出于面罩的外形尺寸。这一点是重要的，因为在潜水作业时突出的物体不仅使潜水员感到不自在，而且它们易与海水中的生物搅合成与其他物件碰撞。小的外形尺寸还可使它们将超声频发射和接收波场由于遮蔽而引起的盲点区的潜在影响减至最小。

本发明的一体化的面罩-通讯系统的概念的一些次要的，但也是重要的特征，包括（1）它消除了通讯系统电子部件和传感器系统以及面罩内的耳机和话筒系统之间的电缆及其他连接件受损或脱开的任何可能性;（2）通过对潜水作业中固有的呼吸、供气软管调节器和其他振动和杂音的不利影响的更有效抑制而使话音传输的质量得到改善。后一种效果是通过在一体化的面罩-通讯系统中采用一种新颖的话筒系统取得的，它使得话音的传输受到进入话筒的气泡声、呼吸声以及其他外界杂声的干扰减至最小。这种可以有效地被面罩结构吸收的振动并同潜水员的话音区分开来的特征看来也可应用于其他型式的也希望消除这类杂声干扰的通讯系统。

本发明的一体化的面罩-通讯系统的另外一个特征是其结构的通用性，它不仅可应用于现有的面罩，更可应用于今后专门设计的配备有腔室的以使通讯系统完全结合到内部去的一体化的面罩。此外，还发现面罩的较高的浮力可以由于一体化的通讯系统的重量而得到一些抵消，从而可以免除向面罩附加平衡块以消除由于面罩浮力的作用而经常会使潜水员的头抬起的倾向。

因此本发明的首要目的就是要提供一种新颖的和改进的一体的面罩和水下话音通讯系统，它可以在很大程度上消除很多的，如果不是全部的上述现有技术的不足之处。

另外一个目的是要提供一种新颖的装置，它可以使潜水员在使用和维护该系统时所化费的力气减至最小，它可以消除所有的外露的电缆和接口，从而保证不会受到外物的缠绕，也不会干扰超声频波场。

还有一个目的是提供一种新颖的结构使能通用于各种面罩，包括老面罩的改造，并且在需要的场合可以抑制话音以外的杂声的干扰，后一功能还可应用于其他用途。

简而言之，本发明包括一种一体的潜水员面罩和超声频水下话音通讯装置，与面罩相结合的这种装置具有装在面罩顶上的一对相邻布置并横向联结成一体的第一和第二密闭容器，第一密闭容器内装入超声频的发射-接收电子装置，容器的前端有一个超声频的传感器，第二密闭容器内装入一套电池电源;面罩的两侧一体地装有朝里开口的耳机装置;话筒装置装在面罩内部一侧的下方;电气接线贴着面罩的表面布设，以将话筒和耳机与装在第一密闭容器内的发射机和接收机的电子部件连接起来，并将第一密闭容器内的发射-接收电子部件与第二密闭容器内的电池电源装置连接起来。

本发明的最佳实施例将在下面结合附图详细加以说明。

图1是本发明的一体的面罩-超声频通讯装置的一个实施例的透视图;

图2是面罩上的一种联结装置细节的侧向剖视图;

图3是图1中的装置的前视图;

图4是图3中一体化的话筒的放大详图;

图5是放得更大的话筒剖视详图，它示了了话筒及其杂声抑制系统的结构;

图6是通讯系统的线路方块图;

在对图示的本发明的装置的实施例进行详细说明之前，先阐述一下设计本系统的主要指导思想将有助于理解采用此种结构的理由，所述的指导思想是要提供一种形成一体的、单一的、随手可用的装置，它不需使用者在到达工作地点后将其组装起来或按多种步骤将其使用，这样的方式在商用的环境下是十分不方便的，而在军事行动中则可能是致命的。因此，研制出一种与面罩结合成一体的通讯系统，使它在任何时候不需组装或其他辅助动作就可使用，将大大提高此种系统的有用程度。将通讯系统成为一体地结合到面罩中去的第二个主要优点，是可以免除任何游离的外设电缆或连接系统，这类装置在海水中是易受损伤并随时可能失效的。将通讯系统成为一体地结合到面罩中去的另一个重要的方面是它在紧急状态下的安全性。在上面列出的一些专利所代表的装置中，其电子装置和面罩是分开的，它们是固定在加重带上或其附近的，当需要紧急弃掉加重带时，电子装置将被连带地拉掉，甚至可能将面罩从潜水员的脸部撕下，导致一种致命的状况。将电子装置与面罩结合成一体，则此种情况决不会发生。

另外一个重要的方面是在实际使用中的维护问题，它可以很方便地和快速地更换部件，换新电池等，并且所涉及的设备所占用的空间是最小的。

在其他一些系统中，包括上面列出的一些专利所代表的系统，其“按钮通话”（PTT）键是直接设在电子装置上的，或是由一根遥控电缆挂在电子装置上的。而在本发明中，按钮通话键是一体地装在面罩上的，这样，潜水员可以很肯定地找到触动该键的位置，因为它是永久性地装在面罩本身的固定位置上的。

本发明的另一个独特的特点是它的转换开关，它可以从必须按住“按钮通话”键才能往外发话的按钮通话方式转换到只靠人的话音就能启动通话机构的方式（VOX）。在水下具有能从一种方式转换到另一种方式的能力在某些情况下是很重要的，包括潜水员进入某一噪声特别高的地段，从而使得话音控制不能正常开启或关闭通话机构的情况。另外，话筒的设计使得它能够有效地自动排除潜水员体内和面罩范围内以及空气调节器本身的杂声以保证话音的清晰度，这也是本发明的一个重要的改进。

现参阅图1。通讯系统中使用的电子装置设计成可以一体地组合到当前常用的装有耳机和话筒的全复盖式面罩中去，例如美国加州圣塔·巴巴拉市国际潜水装备公司所生产的那种面罩。如同后面将更清楚地表明的，本发明也适合于一体地装入空气型在罩，并可使用于将来制造的具有专门供装入本装置的模塑或具有其他腔室的面罩。

图1所示的面罩M装有供目视观察用的透明窗口W，在顶部有两个并排但分开的、低矮的圆筒形密闭容器1A和2A与面罩一体地组合在一起。位于面罩M左侧顶面的筒形容器1A装有通讯需用的所有电子装置，包括装于前端的传感器T，它用来发射和接收超声频信号。该传感器可用例如压电陶瓷材料做成如图中所示的那种圆筒形状。另一个平行布置的、位于图1中面罩M右侧顶面的相邻的同型圆筒形密闭容器2A内装有用作电源的电池。

筒形容器1A和2A通过一个托架3A用焊接或螺钉固定到面罩M的上部框架4A上，其方式可随面罩的具体设计而不同。图2所示的是用螺栓螺母将托架固定在塑料框架上。框架上开了孔，螺栓B和C穿过后把托架作三点状的固定。

前面提到的按钮通话开关SW示于图1和图3的左下角，也是一体地装在面罩本身上的。当开关处于其中间位置时，通讯系统自动地处于接收状态，它可接收外来的信号。要往外发射信号时，把开关SW按下，从而开通发射的通道。发射完毕后，潜水员放开SW，开关中的弹簧（未示于图中）将开关复原到原先在中间的接收位置。

如潜水员希望用话音来启动发射器，他就将开关按钮SW拉出。此时发射只受话音的控制，后面将结合图6再作详细的说明。如要停止发射，潜水员必须停止讲话，此时发射器就关闭。当发射器关闭之时，开关就自动地切换到接收的位置，此时如有信号进来，潜水员就可即时收到。它不需潜水员进行任何操作。只要将开关放到话音控制的位置，就不再需要动作来按下开关。开关保持在其拉出的位置上，通讯系统就根据潜水员的话音在接收和发射状态之间来回变换。对此后面还将作说明。

耳机实际上是埋置在在面罩M的一个叫做“面封”的部位5内的，该面封与面颊接触而不使水漏入面罩内，在前面提到过的那种面罩上，面封并不从前到后地围住整个头部，而仅限于面颊的前部。这类面罩一般叫做全复盖式面罩，因为它罩住了脸面的整个前部。在图中所示的具体面罩上，它具有两个模塑的凹穴，面罩的每一侧面各有一个，凹穴内装有一对左右耳机6，耳机的发声孔朝里，因而耳机是组合到面罩内的。在改造现有的面罩时，所有的连接线也都嵌入或贴住在面罩表面上。面罩的外部没有任何悬挂着或摇晃着的物件。从传感器-发射器-接收器以及与之有关的电子装置（后面结合图6将作说明）引出的绝缘导线由容器1A的后端穿出（见图1），沿着托架的下部进入电池容器2A（图中的虚线W1′所示）。绝缘导线W2和W3也从容器1A后端穿出，沿着托架3A的下面向前向下，贴在面罩侧面接到装有“按钮通话”开关SW的孔座处，然后分别引到耳机6和面罩左下方的孔座C内的话筒M′处，孔座C位于调节器R及其调节装置RA的左边。从图4可以更清楚地看出，孔座C是一个塑料的壳体，它里面装有话筒M′，该壳体用螺钉旋紧并固定在面罩的CN部位。

现有来说明话筒M′及其有关的用来消除面罩内由振动和外来杂声引起的影响的系统。话筒的主体M′（见图4和图5）含有一组平行的压电陶瓷元件系统10-11-12，在该系统中元件11面向面罩内部，位于调节器R的附近，用来接收潜水员的话音，元件12面向面罩壁，用作振动的补偿元件。在装有本发明的装置的实物中，这些元件在装入时的极性使得它们在承受同方向的振动时发出的信号却正好相反，可以互相抵消掉。这些元件11和12连同复盖在其各自两表面上的保护膜（例如聚氨基甲酸乙酯，图5中的13）一起模塑成型。这可以有效地将元件与水隔绝，这一点对于水下通讯系统来说是一个十分关键的特点。不论是由于潮气凝结或漏水，这种话筒始终是受到高度的潮气侵袭的。如果不是完全不漏水地密封起来，它们的使用寿命是十分短的。一个用聚氨基甲酸乙酯做的支承环14也是模塑在话筒本体上的，它用来隔离和吸收一部分振动。压力消除孔15用来使话筒内的空腔16的压力与面罩内其他部位的压力均衡。如果不开这样一个压力消除孔，当潜水员潜入深入时，越来越大的压力会使压电元件损坏。压力消除孔还可起到控制话筒的频率特性的作用。

在使用中，这一结构可以巧妙地将话音同气泡和通气以及呼吸引起的面罩振动所发出的振动噪声区分开来。首先，支承环14实际上将元件12（它是用作振动补偿元件的）同潜水员的话音隔离开，因为支承环14同孔座C实际上是接触的，因此它封闭噪声并限制话音进入话筒的背面。同时因它与孔座C相接触，而孔座C又与面罩本身接触，振动从产生噪声的面罩框架处开始传递，通过C而到达支承环14，然后进入话筒。传入的振动使接收话音的元件11和接收外界振动的元件12受到同样的振动，也就是说，元件11和12几乎受到同等强度的激振，但由于它们是以极性相反的方式连结的，振动的影响抵消掉了。位于话筒前方的元件11是面向潜水员的嘴的，因此直接受到话音的作用，它的信号通过导线L₂传出，见图5。位于话筒后方的元件12被支承环14和孔座C将之与话音隔离。但是在面罩本体内产生的振动则通过与之接触的孔座C和支承环14传递到了话筒，并如前已述及的，同时激振着元件11和12。但由于振动的信号在导线L₁内相加而它们的极性又是相反的，因此这些信号抵消掉了。这样，通过导线L₂传出的信号不被抵消，而传递到话筒的振动信号则被抵消。这种作用在两方面增加了话音的清晰度。首先，呼吸在面罩内造成的严重振动的影响消除了。其次，在说话时，面罩的内腔会在框架内产生物理性的共振。本装置可以减轻共振的传入，使话筒的频率特性中形成不太高的峰值，从而使得话音听起来更自然些而不像一般的发生失真的现象。

图6中所示的是用方框图方式表示的线路连结，以便用来说明可供潜水员选择的用开关来控制发射和接收，还是用话音来进行自动控制。

在发射方式下，本系统的工作是如此的：从话筒M′来的信号（图中左边）由话筒前置放大器（M′-PRE1）进行前置放大。前已提及，潜水员可以通过开关（SW）选择话音控制（VOX）或按钮通话（PTT）的方式。如果是话音控制（VOX）方式，则检测器（VOX2）检测到的信号使系统切换到发射的状态（开关位置Tr）。主管收-发切换的继电器（REL）使得图6中用虚线联起来的同轴开关触点（R-Tr位置）同步启闭。在话音控制（VOX）方式下，话筒前置放大器（M′-PRE1）将信号输入耳机放大器（RX-AMP），后者又将其传送给耳机6。这样，潜水员可以在耳机内听到他自己的声音以证实他说的话正在被发射出去。同时话筒前置放大器又将信号传送给混合器（M1），该混合器将话筒信号同第一振荡器（OSC1）来的信号进行混合，该信号是一种超声频载波，例如32.5KHz，话筒信号也使收-发继电器（REL）切到开关的（Tr）触点。从混合器（M1）出来的信号继续行进到第二混合器（MIX2），在该混合器内它被差频振荡到例如455KHz，然后通过一个滤波器（FILTER）。滤波器调整到将上限边频带滤掉而只让下限边频带通过。从滤波器出来的信号进入另一个混合器（MIX3），在该混合器内信号也被注入从另一振荡器（OSC2）来的频率，这样就把信号转换回其发射频率或载波频率。当继电器的触点位于（Tr）时，该单边频带的信号被送入发射放大器（TXAMP），然后再通过位于其后的收发继电器的（Tr）触点送到传感器（T），超声频的信号从该传感器被发射向外。这是发射信号的基本过程，话音信号最好是调幅的。

接收时，继电器（REL）的触点（R-Tr）位于接收的位置（R），这是继电器触点的正常位置，只要不是在发射过程中，它就总是处于此位置（见图6）。此时传感器（T）接收到的超声频信号经由继电器触点（R）进入一个调整好的传感器前置放大器（TRANSD-PA），信号经过放大和滤波后，进入前面提到过的第二混合器（MIX-2），在该混合器内它被差频振荡到滤波器（FILTER）的频率，然后导入混合器（MIX3）。在该混合器内信号的频率被降低到原来的频率，只有下限边频带是被接受的，然后它从混合器（MIX3）出来，进入解调器（DEMOD）。在解调器内，信号的频率被转换成声频，通过收发继电器的（R）触点进入耳机放大器（RXAMP），以便在耳机6内能听到声音。

为了使潜水员在进入水面以下时和浮出水面时做到能够自动开启和停止通讯系统，使用了一个附装在电池线路内的湿度检测开关（MS）。这种检测器可使用类似于美国专利4，096，466中所述的那种，或用其他合适的型号，为了便于更换电池或备件，容器的端部装有密闭性的螺纹盖，如图1中用虚线示出者。虽然本说明书以改装现有的面罩为例将本发明的装置组装进去，但也可以如前已提及的将面罩模塑成可以将部件和接线一体地组合到面罩中去的型式，此时连接线可以沿着面罩内表面布设，或嵌入面罩的内表面。

用附图中所示的一体地组装在面罩内的具有标准三向按钮通话开关的装置取得了高度成功的水下通话效果，由于开关的位置是固定的，它不需潜水员在工作中去搜寻该切换开关，而当潜入水下后，他可以在不用手操作的话音控制（VOX）和按钮通话（PTT）的方式之间进行选择。面罩上组装了所需的对超声频波场不起干扰的、低矮的流线型容器，面罩上没有可能被缠绕住的突出体。面罩内也装有前面说明过的那种全防水型的话筒，它可以不受潜水深度的影响;该话筒也具有前述的杂声消除系统，它大大地减轻了气泡和振动的干扰杂声。电源在潜水员进入水中后就自动开启，而当他离开水体后不久就自动关掉，因此可节约电池的消耗。使用了可充电的镉-镍电池，系统在单边频带下运行，其载波频率为32.5KHz，通话在半径为3000英尺（918米）、深度为250英尺（76.5米）的范围内是成功的。

对于熟悉本行业的专业人员来说，他们可以作出进一步的变型，但这些都认为是属于本发明权利要求书中所限定的精神和范围内的。