矢量水聽器性能參數測試及分析

韓梅，孫相杰，孫芹東，笪良龍

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矢量水聽器性能參數測試及分析

韓梅，孫相杰，孫芹東，笪良龍

(海軍潛艇學院，山東青島 266071)

隨著聲吶探測系統性能和穩定性的不斷提高，矢量水聽器因能同時共點測量聲波的聲壓和振速信息，已開始應用于聲吶探測系統。為保障海上實驗，設計制作了膠囊形三維壓電同振式矢量水聽器。依據比較法測量原理，分別在駐波聲管和消聲水池中，對矢量水聽器的和通道的低頻段和高頻段進行了靈敏度和指向性測試。測試結果表明，該型矢量水聽器靈敏度較高、指向性較好，能夠滿足海上實驗的需求。

矢量水聽器；靈敏度；指向性；比較法測量

0 引言

隨著對水聲科學研究的不斷深入，在探測過程中對聲吶系統的性能要求也越來越高，這就促進了矢量水聽器這種新型水聽器的研制及應用。矢量水聽器可以同時共點地測量水下聲場、得到多種聲場信息和獲得低頻聲場信號，因此被廣泛地應用于科研實踐等場合[1,2]。三維壓電同振式矢量水聽器具有靈敏度高、指向性對稱性好、分辨率高等優點，其應用更為廣泛。為了保障實驗應用研究，對設計制作的三維壓電同振式矢量水聽器進行了電聲性能參數測試。

1 矢量水聽器及其電聲性能參數

1.1 靈敏度

矢量水聽器的靈敏度一般用自由場聲壓靈敏度、聲壓梯度靈敏度和矢量靈敏度來表征[3]。

矢量水聽器響應聲壓這一聲場信息時，其靈敏度即為聲壓靈敏度，它表示矢量水聽器輸出開路電壓和未放入矢量水聽器之前矢量水聽器聲中心位置處的自由場聲壓之比。

對矢量水聽器而言，在平面波場中矢量通道的聲壓靈敏度和矢量靈敏度之間存在如下的關系式：

1.2 指向性

2 電聲性能參數測試

主要對矢量水聽器在20~5000 Hz工作頻帶內進行了電聲性能參數的測試，測試過程在某科技工業水聲一級計量站完成。其中，20~2000 Hz頻段的測試在駐波聲管中完成，2000~5000 Hz頻段的測試則在消聲水池中完成。

2.1 測試原理

測試過程中，采用比較法對矢量水聽器進行靈敏度的測試。在低頻段，由于流體靜力學壓力振動的影響，有補償聲壓作用在標準矢量水聽器上，測得的矢量水聽器的靈敏度需要引入修正因子[4]。經過修正后，矢量水聽器的聲壓靈敏度級表達式為：

2.2 測試系統

駐波聲管測試系統和消聲水池測試系統的系統框圖和實物圖分別如圖3~6所示。

信號源經發射器發射聲波信號，待測水聽器和標準水聽器接收到聲波信號以后通過測試放大器和數據采集器在計算機上進行數據處理得到矢量水聽器在低頻段和高頻段的靈敏度和指向性。

2.3 測試結果

根據測量原理，分別在駐波聲管和消聲水池中對待測水聽器的聲壓通道和三個矢量通道進行了靈敏度和指向性的測試。圖7是矢量水聽器在工作頻帶內的靈敏度曲線圖，圖8、9是在某科技工業水聲一級計量站進行指向性測試得到的測試報告掃描結果圖。

根據測量得到的各個通道的靈敏度曲線可以看出，聲壓通道開路電壓靈敏度值為-192.7 dB，實測值和理論值基本吻合；在各頻點上矢量各通道所測得的靈敏度值和理論值基本吻合且符合每倍頻程增加6 dB的規律。在低頻段靈敏度曲線的理論值和實測值吻合較好，高頻段略有起伏但靈敏度起伏在2 dB以內，滿足測量要求。

指向性測試結果顯示，矢量通道的指向性并沒有在相應的軸向上，而是有一定的角度偏差，這主要是由于矢量水聽器測試時的初始入水方向和聲源發射聲波方向存在一定的角度偏差，但是不影響測試結果和對測試結果的分析。在100 Hz頻點上測量結果顯示矢量水聽器在各個通道上的指向性較好，聲壓通道具有與頻率無關的指向性；矢量各通道指向性具有明顯的余弦指向性，指向性起伏，且對稱性較好。在3150 Hz頻點上測量結果顯示矢量水聽器在各個通道上同樣具有較好的指向性，各個通道的指向性都滿足設計要求。相比于低頻段，高頻段測試是在消聲水池中完成，聲場環境相比于駐波聲管要稍差一些，因此所測量得到的矢量水聽器的指向性結果相對要差一些。測量結果顯示，在個別通道略微出現了“一頭大，一頭小”的現象且存在一定的不對稱性，這可能是由于在制作水聽器的過程中質量配比不均勻或在懸掛水聽器的過程中并沒有使水聽器處于完全自由運動狀態造成的。

3 結論

根據對表征矢量水聽器性能優劣的指向性和靈敏度的測量結果可以看出，設計制作的三維壓電同振式矢量水聽器在工作頻帶內具有較好的靈敏度和指向性，因此設計制作的矢量水聽器性能良好，滿足實驗應用的需求。

[1] 武甜甜. 三維壓電矢量水聽器小型化的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2009.

WU Tiantian. Study on the miniatrurization of tri-axial piezoelectric vector hydrophone[D]. Harbin: Harbin Engineering University,2009.

[2] 周宏坤. 組合式聲接收器的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2009.

ZHOU Hongkun. Study of combined acoustic receivers[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012.

[3] 陳洪娟.矢量傳感器[M].哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社,2006: 92-95.

CHEN Hongjuan. Vector sensor[M]. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2006: 92-95.

[4] 范繼祥. 矢量水聽器校準裝置研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2007.

FAN Jixiang. Study of vector hydrophone calibration equipment[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2007.

Parameter measurement and analysis of vector hydrophones

HAN Mei, SUN Xiang-jie, SUN Qin-dong, DA Liang-long

(Navy Submarine Academy, Qingdao266071,Shandong,China)

With the development of sonar detect system’s capacity and stability, vector hydrophone can co-locating and simultaneously measures pressure and particle velocity of acoustic field, it has been used in sonar detect system. In order to guarantee sea experiments, the tri-axial piezoelectric co-oscillation capsule vector hydrophone are designed and manufactured. According to comparison measurement principle, the sensitivities and directivities at theandgallery of the vector hydrophone in low and high frequency bands are measured in acoustic pipe and pool. The results of measurement indicate that the vector hydrophone’s sensitivity and directivity meet the requirement of sea experiment.

vector hydrophone; sensitivity; directivity; comparison measurement

TB533

A

1000-3630(2015)-03-0287-04

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.020

2014-04-21;

2014-07-17

韓梅(1967－), 女, 山東淄博人, 教授, 研究方向為水聲環境效應。

孫相杰, E-mail: 604166473@qq.com