可剛性固定組合矢量水聽器結(jié)構(gòu)設計與響應分析*

謝 攀 謝志強

(91388部隊93分隊 湛江 524022)

可剛性固定組合矢量水聽器結(jié)構(gòu)設計與響應分析*

謝 攀 謝志強

(91388部隊93分隊 湛江 524022)

設計一種可剛性固定的組合矢量水聽器,敘述其基本設計方法；建立中心固定式振速水聽器的等效電路模型,詳細推導其接收響應表達式,并與傳統(tǒng)框架懸掛式振速水聽器進行對比分析。結(jié)果表明,在設定的工作頻帶內(nèi),該組合矢量水聽器可實現(xiàn)聲場中聲壓與質(zhì)點振速信息的測量；其振速輸出響應與入射聲波頻率無關(guān),主要受柔性材料阻尼、壓電敏感材料物理參數(shù)影響,響應特征較傳統(tǒng)框架懸掛式振速水聽器有本質(zhì)差別。

組合矢量水聽器; 振速水聽器; 接收響應

1 引言

水下聲波同時包含標量信息和矢量信息,傳統(tǒng)聲壓水聽器只能拾取標量信息,而無法測量矢量信息。組合矢量水聽器兼有聲壓通道和振速通道,可同步共點測量聲場中標量與矢量信息[1],拓寬信號處理空間,提高低頻指向性與信號處理增益,受到水聲界的普遍重視[2～3]。本文依據(jù)壓電加速度計的振動特性,結(jié)合壓電圓管聲壓水聽器的特點[4],設計了一種可剛性固定安裝的組合矢量水聽器,并分析了它的質(zhì)點振速響應特性。

2 水聽器結(jié)構(gòu)設計與工作原理

2.1 設計依據(jù)

將壓電加速度計簡化為由集中阻尼器C、彈簧K和集中質(zhì)量m構(gòu)成的二階單自由度系統(tǒng),通過研究其頻率特性,獲得新型懸掛系統(tǒng)的設計思路。如圖1所示,傳感器感受到振動體加速度時的運動方程式為

(1)

式中,y為殼體的絕對位移,x為質(zhì)量塊的絕對位移。

圖1 加速度計簡化模型

令ωn和ζ分別表示加速度計固有頻率和阻尼比,y0表示殼體的位移幅值,ω表示殼體的振動角頻率,Ur表示該振動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)振動位移的幅值,可求得壓電加速度計的幅頻特性表達式及其對應曲線為

(2)

圖2 加速度計外殼與內(nèi)部質(zhì)量塊相對位移幅頻特性曲線(ζ=0.1)

可見當外殼振動頻率遠高于系統(tǒng)共振頻率時,系統(tǒng)慣性鎖死,內(nèi)部質(zhì)量塊相對外部激勵而言將保持原地不動。

由此可考慮用剛性支柱代替加速度計內(nèi)部質(zhì)量塊,并將水聽器通過支柱與工作平臺相連。

2.2 結(jié)構(gòu)與原理

組合矢量水聽器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。徑向極化的壓電圓管滿足中性浮力,以保證其振動與所排開水柱振動相同,用于拾取聲壓信息；柔性材料層使用柔順系數(shù)大的橡膠材料；內(nèi)殼使用剛性金屬材料；內(nèi)殼通過四塊對稱的壓電陶瓷元件固定于中心支柱之上。

圖3 組合矢量水聽器結(jié)構(gòu)示意圖

工作時,水聽器通過中心支柱安裝于工作平臺之上。在聲波激勵下,壓電圓管便產(chǎn)生與周圍水質(zhì)點同幅同相的振動,同時柔性材料層將該振動傳遞給內(nèi)殼,并耦合到壓電元件上,壓電元件內(nèi)外表面便產(chǎn)生了比例于中性浮力外殼振動的電信號。同樣,此電信號也與周圍水質(zhì)點的振動成比例。

3 接收響應理論分析

不同工作方式與電氣連接的陶瓷元件,其靈敏度的計算方法不同。對于本文中的組合矢量水聽器,其聲壓水聽器靈敏度與普通徑向極化壓電圓管聲壓水聽器相同[5～6],此處不再贅述,重點研究振速水聽器接收響應。

不考慮壓電圓管的電壓輸出,建立振速水聽器一維通道簡化模型(圖4)。其中,vs、vy和vn分別表示水質(zhì)點、壓電圓管和內(nèi)殼的振速,my、mn、ms和mi分別表示壓電圓管質(zhì)量、內(nèi)殼質(zhì)量、水聽器排開水柱質(zhì)量和共振質(zhì)量,k,R,kp和Rp分別表示柔性材料層和壓電元件的剛度和阻尼,此處Fs≈jω(ms+mi)vs表示入射聲波對水聽器的激勵[7]。壓電元件為3-3極化模式,機電轉(zhuǎn)換系數(shù):

(3)

圖4 振速水聽器一維通道簡化模型

圖5 振速水聽器一維通道等效電路圖

分析振速水聽器的響應特性,一般通過研究其等效電路模型而獲得接收響應表達式[8～9]。如圖5所示,其動力學回路方程為

(4)

令σ=ms+mi,ε=mi+my,帶入式(4)可得

(5)

其中,S1=R+k/jω+jωε,S12=-R-k/jω,S2=R+k/jω+jωμ。

由此可求得內(nèi)、外殼體與水質(zhì)點振速的比值關(guān)系為

(6)

輸出電壓為

(7)

將式(3)帶入式(7),可得振速通道對于水介質(zhì)質(zhì)點振速的電壓響應為

(8)

彈性懸掛系統(tǒng)的固有共振頻率決定振速水聽器的工作頻率下限ωl[10],此處由柔性材料層和水聽器排開水柱質(zhì)量及共振質(zhì)量決定。壓電元件作為一種彈性材料,與內(nèi)部殼體耦合產(chǎn)生高頻共振,決定水聽器的工作頻率上限ωh。兩個限制頻率,見式(9)。

(9)

由于水聽器外殼滿足中性浮力特征,所以當入射聲波頻率ω滿足水聽器工作頻率,即ωl=ω=ωh時,壓電圓管的運動能夠準確反映周圍水介質(zhì)質(zhì)點的運動信息,即有vy/vs≈1,將其帶入式(8)可得

(10)

又由式(6)可知

(11)

將S12=-R-k/jω,S2=R+k/jω+jωμ帶入式(11)展開,利用代數(shù)運算,刪減在工作頻段內(nèi)對輸出響應貢獻較小的量,進一步化簡得

(12)

帶入式(10)可得在工作頻率范圍內(nèi)振速通道電壓響應表達式為

(13)

4 接收響應對比分析

4.1 框架懸掛式振速水聽器接收響應

給出框架懸掛式振速水聽器簡化模型(圖6),建立對應的等效電路模型(圖7)。其中,vw和vm分別表示外殼和質(zhì)量塊的振速,mb和mn分別表示殼體和質(zhì)量塊質(zhì)量,kp和Rp分別表示壓電元件的剛度和阻尼。

圖6 框架懸掛式振速水聽器簡化模型

圖7 框架懸掛式振速水聽器等效電路模型

回路方程:

(14)

運用與第3節(jié)相同的計算方法可求得框架懸掛式振速水聽器電壓響應表達式為

(15)

由此可知,對于傳統(tǒng)框體懸掛式振速水聽器,壓電元件物理參數(shù)及聲波入射頻率是影響振速通道接收響應的主要因素。當壓電元件確定時,其輸出電壓將隨入射聲波頻率的升高而增大。

4.2 性能分析

比較中心固定式振速水聽器及傳統(tǒng)框架懸掛式振速水聽器對質(zhì)點振速的響應分析,可知它們在結(jié)構(gòu)及接收性能方面差異較大,具體表現(xiàn)為:

1) 結(jié)構(gòu)及所測物理量

中心固定式水聽器工作時,聲波作用于“敏感質(zhì)量塊”(即壓電圓管)上,其測量的本質(zhì)是內(nèi)殼的絕對運動；框體懸掛式水聽器則是“殼體”受力,測量的本質(zhì)是“殼體”與“敏感質(zhì)量塊”的相對運動。

2) 柔性元件

根據(jù)等效電路模型(圖5、圖7)可知,中心固定式水聽器壓電元件和柔性材料層以并聯(lián)的方式相連,這使得水聽器對質(zhì)點振速的接收響應受到柔性材料層及壓電元件參數(shù)的影響；而框體懸掛式水聽器柔性元件與壓電元件串聯(lián),這消除了兩者的耦合作用。即框體懸掛式水聽器在測量質(zhì)點振速時,受到的外部干擾更少,比中心固定式水聽器的測量結(jié)果及性能更加穩(wěn)定。

3) 接收靈敏度

根據(jù)水聽器的質(zhì)點振速響應表達式(13)和(15)可知,在工作頻帶內(nèi),中心固定式水聽器對質(zhì)點振速的接收靈敏度與頻率無關(guān)；框架懸掛式水聽器的接收靈敏度隨著入射頻率升高而升高,適合高頻工作。

5 結(jié)語

本文設計了一種可剛性固定的組合矢量水聽器,它由壓電圓管聲壓水聽器和中心固定式振速水聽器構(gòu)成,運用等效電路法詳細推導了振速水聽器的接收響應表達式,并與傳統(tǒng)框架懸掛式振速水聽器接收響應特征進行了對比分析。結(jié)果表明: 1) 該組合矢量水聽器的振速輸出響應與入射聲波頻率無關(guān),主要受柔性材料阻尼、壓電敏感材料物理參數(shù)影響,柔性材料和壓電陶瓷材料的剛度也有一定的調(diào)節(jié)作用,但效果有限； 2) 中心固定式振速水聽器的結(jié)構(gòu)設計與響應特征較傳統(tǒng)框架懸掛式振速水聽器有本質(zhì)差別； 3) 在設定的工作頻帶內(nèi),該型組合矢量水聽器能夠?qū)崿F(xiàn)聲壓信號與振速信號的測量。

該組合矢量水聽器通過振速水聽器的中心支柱固定安裝,在保證振速測量的同時,拋開了傳統(tǒng)框架懸掛系統(tǒng)的限制,使得安裝更加方便,有效減小了水聽器整體尺寸；采用壓電圓管測量聲壓,而無需額外使用聲壓水聽器,進一步簡化了組合矢量水聽器結(jié)構(gòu)及尺寸。但是該組合水聽器要求敏感元件裝配一致,對制作工藝要求較高,因此工程化應用需要進一步優(yōu)化其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

[1] 陳洪娟.矢量傳感器[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2006:8-9.

[2] 楊德森,洪連進.矢量水聽器原理及應用引論[M].北京:科學出版社,2009:1-2.

[3] 張椿,陳斌,田忠仁.三維同振式矢量水聽器設計[J].聲學與電子工程,2009,46(4):5-7.

[4] 孟洪,周利生,惠俊英.組合矢量水聽器及其成陣技術(shù)研究[J].聲學與電子工程,2003,69(1):15-20.

[5] Langevin R A.The Electro-Acoustic Sensitivity of Cylindrical Ceramic Tubes[J].JASA,1954,26(3):421-427.

[6] 周福洪.水聲換能器及基陣[M].北京:國防工業(yè)出版社,1984:106-107.

[7] 賈志富.三維同振型矢量水聽器的特性及其結(jié)構(gòu)設計[J].應用聲學,2001,20(4):15-20.

[8] McConnell J A. Analysis of a compliantly suspended acoustic velocity sensor[J]. JASA, 2003,113(3):1395-1400.

[9] Gabrielson T B. A simple neutrally buoyant sensor for direct measurement of particle velocity and intensity in water [J]. JASA, 1995,97(4):2227-2237.

[10] 賈志富.同振球型聲壓梯度水聽器的研究[J].應用聲學,1996,16(3):20-24.

Structural Design and Receiving Response Research of A Rigid Fixed Combined Vector Hydrophone

XIE Pan XIE Zhiqiang

(Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

A combined vector hydrophone is designed, which can be fixed by the equivalent circuit method, the basic design method is described, the equivalent circuit model of the center fixed velocity hydrophone is built. And the response expression of the vibration velocity hydrophone is derived. Comparative analysis is carried out with the traditional frame suspension velocity hydrophone. The results show that in the setting of the band, the combination of the vector hydrophone can measure the sound pressure and particle velocity information, the velocity output response has nothing to do with the incident wave frequency, mainly by the flexible material damping and the influence of piezoelectric sensitive material physical parameters, the response characteristics compared with the traditional frame suspension velocity hydrophone has essential difference.

combined vector hydrophone, vibration velocity hydrophone, receiving response

TB565

2016年9月8日,

2016年10月17日

謝攀,男,碩士,助理工程師,研究方向:水下靶標結(jié)構(gòu)設計。謝志強,男,碩士,工程師,研究方向:水下靶標結(jié)構(gòu)設計。

TB565

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.031