一體化標(biāo)量水聽器的設(shè)計

沈慶樓

(海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

聲納是海上作戰(zhàn)個體(各種艦、艇)的五官，所有的戰(zhàn)場偵察(軟武器)都要以聲納為媒體，尤其是水下偵察，更是缺之不可［1］。在民用領(lǐng)域，聲納系統(tǒng)同樣發(fā)揮著重要作用，例如:水下通信、魚群探測、海底勘探等。水聽器(水下各種發(fā)射、接收測量傳感器總稱，包括標(biāo)量傳感器和矢量傳感器)作為聲納系統(tǒng)的重要部件之一，是水聲學(xué)的一個重要研究方向，新型水聽器的研究是我國海軍聲納技術(shù)革新的一個關(guān)鍵內(nèi)容。

由于水聽器受尺寸限制，電路處理部分一般采用的是分體設(shè)計，引出電纜隨著外界的振動摩擦產(chǎn)生靜電電荷，由于壓電矢量水聽器屬于容性元件，阻抗很高，電荷不會在短時間內(nèi)消失，將被直接送入前置放大器，產(chǎn)生線間干擾。另一方面，由于電纜線存在一定的壓降，將使傳感器與后續(xù)的電路之間的接地點之間存在一定的電位差，產(chǎn)生測量噪聲。而一體化水聽器將前置電路處理部分進行集成處理，與敏感部分安裝在一起，整體封裝在水聽器內(nèi)部，使水聽器的輸出進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，大大降低了水聽器的噪聲。本文提出的一體化標(biāo)量水聽器，在很大程度上改善了聲壓靈敏度頻率響應(yīng)，具有低頻、小體積、高靈敏度、抗干擾能力強的特點［2］。

1 總體設(shè)計方案

1.1 一體化標(biāo)量水聽器模型

傳感器是利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)來檢測聲波信號。在壓電材料上作用一外力，引起它發(fā)生形變，此時材料內(nèi)部會產(chǎn)生一個電場，而且電場與形變呈線性關(guān)系，這種效應(yīng)稱正向壓電效應(yīng)［3］。而現(xiàn)在水聲類傳感器用得最多的壓電材料就是壓電陶瓷，可以接收聲信號的壓電模型有很多種，如壓電圓環(huán)，壓電圓盤，壓電薄片，壓電圓管等。經(jīng)過資料查詢與理論分析，本一體化標(biāo)量水聽器采用壓電圓管作為聲接收芯體。

壓電圓管的徑向振動常在水聲類傳感器的低頻段使用，元件如圖1所示。

圖1 壓電圓管Fig 1 Piezoelectric round tube

通過理論推導(dǎo)可以得出，開路接收電壓靈敏度

其中，ρ=a/b［4］，g33，g31為壓電陶瓷壓電系數(shù)，V 為壓電陶瓷開路電壓，p0為外界聲壓，a為壓電圓管內(nèi)徑，b為壓電圓管外徑。

由于水聽器的信號為電荷信號，因此，本文提出的一體化標(biāo)量水聽器的電路部分采用高阻放大電路。由于水聽器體積較小，故電路部分重點考慮在保證其抗干擾能力的前提下，盡量減少其元件數(shù)量與體積，實現(xiàn)小體積水聽器。水聽器的聲學(xué)接收部分采用聲學(xué)材料灌封，從而達到其水下使用中對水密性的要求。本水聽器采用一體化設(shè)計，一體化標(biāo)量水聽器基本原理框圖如圖2所示。

圖2 一體化標(biāo)量水聽器基本原理框圖Fig 2 Principle diagram of the integrated scalar hydrophone

1.2 一體化標(biāo)量水聽器的設(shè)計

1)敏感元件的設(shè)計

壓電式傳感器分為諧振式和非諧振式諧振式，傳感器工作于諧振頻段，靈敏度高，但帶寬受到限制，一般用于發(fā)射型換能器，也可用于窄帶接收;非諧振式傳感器工作于平坦頻段，靈敏度較小，但有很平坦的響應(yīng)，故一般可用于寬頻帶接收。基于理論分析，考慮采用非諧振式原理設(shè)計壓電圓管振子，利用其徑向振動模式，通過對不同尺寸元件的徑向振動模式和徑向振動模式諧振頻率的計算比較，選取敏感元件尺寸［5］。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本一體化標(biāo)量水聽器采用聲學(xué)材料灌封來解決水密性問題。同時為了保證結(jié)構(gòu)殼體和電路板等附加結(jié)構(gòu)不影響振子的振動模態(tài)，敏感元件與結(jié)構(gòu)殼體之間采用螺栓固定連接方式。水聽器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水聽器的結(jié)構(gòu)簡圖Fig 3 Structure diagram of the hydrophone

3)電路設(shè)計

電路原理框圖如4所示。

圖4 電路原理框圖Fig 4 Principle block diagram of the circuit

前端采用具有高輸入阻抗的場效應(yīng)晶體管將微弱電荷信號轉(zhuǎn)換為可處理的電壓信號，同時實現(xiàn)阻抗匹配。考慮小型化要求，選用低噪聲器件MAX412ESA保證上限工作頻率。同時，設(shè)計了濾波與隔離電路來保證信號正常傳輸。另外，通過特種設(shè)計保證了線路頻響和探頭的可靠性。

2 工藝設(shè)計

工藝流程圖見圖5。

圖5 工藝流程圖Fig 5 Process flow diagram

3 實驗

3.1 電路頻響測試結(jié)果

在電路開路端，輸入正弦信號，幅度為20 mV，增益100倍，水聽器電路的測試結(jié)果如詳見表1與表2。

從測試結(jié)果可看出:在20 Hz～10 kHz頻段，低頻有一定的衰減，水聽器靈敏度在頻帶內(nèi)的不平坦度要求不大于3 dB，符合設(shè)計要求。

表1 電路頻響測試數(shù)據(jù)表Tab 1 Frequency response test data tables of the circuit board

3.2 探頭頻響測試

對一體化標(biāo)量水聽器進行敏感探頭頻響測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 阻抗分析測試儀測試結(jié)果Fig 6 Test results of the impedance analyzing tester

由圖6可看出:一體化標(biāo)量水聽器探頭部分的諧振頻率在40 kHz，由理論分析，本文提出的一體化標(biāo)量水聽器的頻響上限可以到10 kHz左右。

3.3 水聽器性能測試結(jié)果

本文提出的一體化標(biāo)量水聽器在國家一級水聲計量站715所進行了樣品測試，水聽器的靈敏度在-158 dB以上，頻響大于10 kHz，不平坦度小于3 dB，測試結(jié)果良好，電路增益40 dB，與設(shè)計參數(shù)匹配吻合。1號樣品和2號樣品的接收靈敏度曲線如圖7，圖8所示。

圖7 1號樣品的接收靈敏度曲線Fig 7 Receiving sensitivity curve of sample 1

圖8 2號樣品的接收靈敏度曲線Fig 8 Receiving sensitivity curve of sample 2

4 結(jié)論

本文提出的本一體化標(biāo)量水聽器通過取2個變量的最佳平衡點、在電路部分增大增益、改善工藝環(huán)節(jié)等方法實現(xiàn)了小體積、大靈敏度，通過多次測試，驗證了方法的有效性。本文提出的一體化標(biāo)量水聽器采用了優(yōu)化結(jié)構(gòu)和低頻電路設(shè)計，使傳感器具備了低頻測試能力，解決了水聲類傳感器的低頻測試問題。

［1］孫貴青，李啟虎.聲矢量傳感器研究進展［J］.聲學(xué)學(xué)報，2004(11):481-489.

［2］張 鵬.集成型二維矢量水聽器研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2011:1-2.

［3］Wong K T，Chi Hoiming.Beam patterns of an underwater acoustic vector hydrophone located away from any reflecting boundary［J］.IEEE Journal of Engineering，2002，27(3):628-637.

［4］欒桂冬.壓電換能器和換能器陣(上冊)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，1990:158-169.

［5］袁希光.傳感器手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1986:596-597.