中頻三軸向矢量水聽器的研究

洪連進(jìn)，楊德森，時(shí)勝國(guó)，邢世文

(哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

矢量水聽器由于具有偶極子指向性及低頻段小尺寸等優(yōu)點(diǎn)而受到普遍的關(guān)注。在水聲測(cè)量系統(tǒng)中，矢量水聽器的應(yīng)用使系統(tǒng)的抗干擾能力和線譜檢測(cè)能力獲得提高。另外，采用單只矢量水聽器通過聯(lián)合信號(hào)處理，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位的聲壓、振速組合估計(jì)。為了充分發(fā)揮矢量水聽器在水聲工程中的應(yīng)用，可以將矢量水聽器組成陣列來進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，解決一些常規(guī)方法所不能解決的問題。在矢量水聽器的工程應(yīng)用中，同振型矢量水聽器以其靈敏度高、靈敏度頻響在工作頻率范圍內(nèi)起伏小、指向性對(duì)稱性好、分辨力高，尤其是柱形矢量水聽器體積小、懸掛方便的優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用在聲吶浮標(biāo)系統(tǒng)及拖曳陣系統(tǒng)當(dāng)中［1－2］，因此對(duì)同振型小體積矢量水聽器的研究顯得尤為重要。目前我國(guó)的柱形矢量水聽器大多只具有兩個(gè)矢量通道，具有三個(gè)矢量通道的矢量水聽器一般為球形，而要想采用球形結(jié)構(gòu)的矢量水聽器構(gòu)建三維矢量水聽器線陣，存在彈性懸掛不方便、很難保證每個(gè)陣元在線陣中安裝姿態(tài)一致的困難。為了解決這一問題，同時(shí)結(jié)合實(shí)際的工程需要，本文將研究外形為兩端帶半球帽的圓柱形結(jié)構(gòu)的三軸向矢量水聽器。

1 矢量水聽器外殼形狀對(duì)振速測(cè)量的影響

為方便成陣使用，本文的三軸向矢量水聽器外形采用兩端帶球帽的圓柱形結(jié)構(gòu)［見圖1(c)，圖1中柱長(zhǎng)方向定義為矢量水聽器的z方向，與z方向垂直的平面定義為xoy平面。對(duì)于圖1(c)形狀的三軸向矢量水聽器來說，x、y通道可以用自由運(yùn)動(dòng)圓柱體聲波接收理論來描述，圓柱體的運(yùn)動(dòng)速度vs與該處水質(zhì)點(diǎn)的振速v0之間有如下關(guān)系:

式中:J(ka)為貝塞爾函數(shù);H1(2)(ka)為漢克爾函數(shù);x0=ka。

z通道可以用球體聲波接收理論來描述，球體的運(yùn)動(dòng)速度vs與該處水質(zhì)點(diǎn)的振速v0之間有如下關(guān)系:

式中:ρs為剛性球體(柱體)的平均密度，ρ0為水介質(zhì)密度;Ф為球體的運(yùn)動(dòng)速度vs與該處水質(zhì)點(diǎn)的振速v0之間的相位差。

圖1 三種形狀矢量水聽器外殼示意圖Fig.1 The outside shell of three vector hydrophones

若聲學(xué)剛性運(yùn)動(dòng)體的幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，即ka?1，則其振速vs的幅值與聲場(chǎng)中該處水質(zhì)點(diǎn)的振速v0幅值之間的關(guān)系簡(jiǎn)化為［3－6］:

由式(3)和式(4)可知:當(dāng)ka?1，且剛性運(yùn)動(dòng)體的平均密度等于水介質(zhì)密度時(shí)，其振速vs的幅值與聲場(chǎng)中同一位置水質(zhì)點(diǎn)的振速幅值相同，只要?jiǎng)傂泽w內(nèi)部有可以拾取該振動(dòng)信號(hào)的傳感器即可獲得聲場(chǎng)中剛性體中心處水質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

對(duì)于z通道，本文采用ANSYS有限元軟件，對(duì)聲場(chǎng)中接收器模型在聲波作用下的響應(yīng)進(jìn)行仿真［3］。首先分別仿真球體［圖1(a)］和柱體［圖1(b)］在聲波作用下的振動(dòng)速度與該點(diǎn)處水質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的比值，并與理論值［式(1)和式(2)］進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)此方法仿真的可行性。在此基礎(chǔ)上，采用同樣的方法進(jìn)一步仿真在聲波作用下帶球帽的圓柱體［圖1(c)］的振速與水質(zhì)點(diǎn)的振速比，并將仿真結(jié)果與球體和柱體仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以此來驗(yàn)證采用兩端帶球帽的圓柱形結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)三軸向矢量水聽器的可行性。圖1中a為球(柱)體半徑，L為柱體長(zhǎng)度，聲波作用方向如圖中箭頭所示。

應(yīng)用ANSYS軟件分析之前，首先要將接收器的實(shí)際問題經(jīng)過簡(jiǎn)化和近似抽象成幾何模型。在仿真中需要建立聲場(chǎng)，可采用被激勵(lì)的圓板作為發(fā)射器，建模中要考慮流體域的尺寸，需滿足波動(dòng)條件和遠(yuǎn)場(chǎng)條件［7］，然后在ANSYS的前處理中建立換能器和流體的幾何模型。輸入材料參數(shù)、劃分網(wǎng)格，形成接收器和發(fā)射器的有限元模型。建模的原則是使問題直接、清晰和便于求解，必要時(shí)可將結(jié)構(gòu)拆分與合并。網(wǎng)格劃分的原則是既要保證求解精度，又要盡量提高計(jì)算速度。在接收器和發(fā)射器的有限元模型建立后，加入載荷與邊界條件，進(jìn)行求解。求解結(jié)束后，在后處理過程中提取所需數(shù)值結(jié)果與圖形結(jié)果。

對(duì)于球體，屬二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此可將三維的聲場(chǎng)問題利用二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式來描述;對(duì)于柱體，由于聲波作用在柱面上，這里將柱體視為無限長(zhǎng)圓柱，因此可將三維的聲場(chǎng)問題利用二維對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式來描述。這樣可以大幅度減少計(jì)算量，且不失分析的正確性。圖2和圖3分別給出了聲場(chǎng)中不同材料(參數(shù)設(shè)置見表1)的球體、柱體與水質(zhì)點(diǎn)的振速比隨頻率變化的ANSYS仿真曲線和根據(jù)式(1)、式(2)的理論計(jì)算曲線。

圖2 不同材料球體與水質(zhì)點(diǎn)的振速比隨頻率變化的仿真曲線Fig.2 The change curves of velocity ratio of different material sphere and water particle with different frequency

圖3 不同材料柱體與水質(zhì)點(diǎn)的振速比隨頻率變化的仿真曲線Fig.3 The change curves of velocity ratio of different material cylinder and water particle with different frequency

表1 Ansys仿真模型中的材料參數(shù)設(shè)置Tab.1 Material parameters of Ansys simulation model

從圖2和圖3可以看出:頻率20 kHz以下，球體與水質(zhì)點(diǎn)的振速比仿真曲線與理論曲線吻合較好;柱體與水質(zhì)點(diǎn)的振速比仿真曲線基本沿理論曲線波動(dòng)，振速幅值比和相位差沿理論曲線波動(dòng)均小于2 dB。

圖4給出了不同L/a時(shí)帶球帽柱體與水質(zhì)點(diǎn)的振速比隨頻率變化的仿真曲線。模型內(nèi)部為剛性泡沫，外部為合成樹脂，平均密度ρs=ρ0。從圖4中可以看出，振速的幅值比和相位差隨L/a的變大而降低。

圖4 不同L/a帶球帽柱體與水質(zhì)點(diǎn)的振速比隨頻率變化的仿真曲線Fig.4 The change curves of velocity ratio of different L/a cylinder with calotte and water particle with different frequency

圖5 聲波作用下三種模型和水質(zhì)點(diǎn)的振速比Fig.5 Velocity ratio of three models and water particle induced by sound waves

以合成樹脂和剛性泡沫為材料特性進(jìn)行建模，取a=22 mm，L=44 mm(見圖1)，三種形狀接收器平均密度ρs=ρ0，三種接收器模型與該處水質(zhì)點(diǎn)的振速比如圖5所示。從圖5中可以看出:隨著頻率的升高，帶球帽圓柱體的振速幅值降低，而與該處水質(zhì)點(diǎn)的相位差變化較大，在10 kHz以下，比低4 dB，而相位差在3°以內(nèi)。

基于以上分析可知:采用兩端帶球帽的圓柱形結(jié)構(gòu)作為三軸向矢量水聽器的外形、內(nèi)部采用硬性泡沫為填充材料、外部采用合成樹脂為密封材料是完全可行的。在10 kHz頻率以下矢量水聽器的z通道與x、y通道相比差別很小，可以滿足工程要求。

2 三軸向組合式矢量水聽器的研制與測(cè)試

本文選擇壓電加速度傳感器作為矢量水聽器的內(nèi)部拾振傳感器，它是矢量水聽器最主要的部分，其質(zhì)量和體積直接影響矢量水聽器的平均密度和體積。訂制的壓電加速度傳感器的靈敏度為2000 mV/g，工作頻帶0.35 Hz—8000 Hz，體積為 Ф18 ×17(mm)。矢量水聽器的聲壓通道采用Ф30×34×20(mm)的PZT－5壓電陶瓷圓環(huán)。為了將聲壓水聽器和矢量水聽器在結(jié)構(gòu)上復(fù)合為一體，內(nèi)部采用低密度復(fù)合材料填充，以便降低矢量水聽器的平均密度，外部采用密封材料(聚胺酯)進(jìn)行密封，以保證其聲壓水聽器良好的透聲性能，研制的三軸向復(fù)合式矢量水聽器體積為 Ф44×88(mm)。圖6給出了研制的12只三軸向復(fù)合式矢量水聽器照片。

圖6 研制的三軸向復(fù)合式矢量水聽器Fig.6 Three dimensional combined vector hydrophone

矢量水聽器的基本性能參數(shù)包括:各通道的指向性、通道的靈敏度以及x、y、z通道與聲壓通道之間的相位差特性等［8］。矢量水聽器在其波尺寸很小的情況下，其x、y、z通道的指向性函數(shù)可以用cosθ來表示，即具有余弦指向性。矢量水聽器的通道靈敏度可以在聲場(chǎng)中測(cè)量，也就是矢量水聽器響應(yīng)聲壓時(shí)的聲壓靈敏度MOL，可表示為:

式中:Uoc為矢量水聽器的通道輸出開路電壓［V/Pa］;p為未放入矢量水聽器之前在矢量水聽器中心位置處的自由場(chǎng)聲壓［Pa］。

采用比較法對(duì)研制的三軸向復(fù)合式矢量水聽器的通道靈敏度M0L、指向性及矢量通道與聲壓通道之間的相位差φpx、φpy、φpz進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖如圖7所示。

圖7 矢量水聽器測(cè)量系統(tǒng)框圖Fig.7 The measurement system of vector hybrophone

矢量水聽器通道指向性測(cè)量時(shí)，在發(fā)射器發(fā)射信號(hào)保持不變條件下，通過旋轉(zhuǎn)裝置使被測(cè)矢量水聽器旋轉(zhuǎn)360°，并同時(shí)記錄通道在不同角度時(shí)的輸出電壓信號(hào)。一般將測(cè)量數(shù)據(jù)做歸一化處理用對(duì)數(shù)形式來表示，測(cè)得的矢量水聽器x、y、z通道的指向性圖如圖8所示。在指向性的測(cè)量中，采用相位計(jì)同時(shí)記錄矢量水聽器聲壓通道的輸出電信號(hào)與x、y、z通道輸出電信號(hào)之間的相位差，得到的測(cè)量結(jié)果如圖9所示。對(duì)于矢量水聽器通道靈敏度的測(cè)量，通常取主軸方向進(jìn)行測(cè)量，即分別將各通道軸對(duì)準(zhǔn)發(fā)射器，當(dāng)發(fā)射器輸出幅度保持不變時(shí)，改變發(fā)射器發(fā)射頻率，同時(shí)記錄矢量水聽器的通道輸出電壓和標(biāo)準(zhǔn)水聽器的輸出電壓，通過比較法計(jì)算出該通道的靈敏度，一般以1 V/μPa為基準(zhǔn)用對(duì)數(shù)形式來表示，圖10給出了矢量水聽器通道靈敏度的測(cè)試結(jié)果。

由圖8～圖10可看出，研制的矢量水聽器的矢量通道的靈敏度為－184 dB(測(cè)量頻率1 kHz，0 dB參考值1 V/μPa)，具有良好的余弦指向性;聲壓通道靈敏度級(jí)可達(dá)－198 dB(0 dB參考值1 V/μPa)，聲壓通道與矢量通道之間的相位差基本保持在90°左右，這與理論是相符合的。

圖9 矢量通道與聲壓通道之間的相位差Fig.9 The phase difference between vector channel and pressure channel

圖10 復(fù)合式矢量水聽器通道靈敏度Fig.10 The sensitivity of combined vector hydrophone

3 結(jié)論

本文以同振球形和柱形矢量水聽器的基本原理為基礎(chǔ)，分析了兩端帶球帽的柱形結(jié)構(gòu)的三軸向復(fù)合式矢量水聽器振動(dòng)速度與介質(zhì)中該點(diǎn)處的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系，通過仿真計(jì)算驗(yàn)證了此種結(jié)構(gòu)用于矢量水聽器設(shè)計(jì)的可行性。在仿真的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)、研制了12只體積為Ф44×88(mm)的兩端帶球帽的柱形結(jié)構(gòu)的三軸向復(fù)合式矢量水聽器，性能測(cè)試結(jié)果表明:矢量通道的聲壓靈敏度級(jí)為－184 dB(測(cè)量頻率1 kHz，0 dB參考值1 V/μPa)，具有余弦指向性;聲壓通道靈敏度級(jí)可達(dá)－198 dB(0 dB參考值1 V/μPa)，聲壓通道與矢量通道之間的相位差基本與理論相符合。兩端帶球帽的柱形結(jié)構(gòu)的三軸向復(fù)合式矢量水聽器特別適合于構(gòu)成線陣使用。

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