一種新型同振式矢量水聽器的結構設計與性能研究

謝 攀，徐 襲

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

一種新型同振式矢量水聽器的結構設計與性能研究

謝 攀，徐 襲

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

本文通過分析壓電加速度計的幅頻特性，設計一種中心位置固定安裝的懸掛系統，給出對應的新型同振式矢量水聽器的設計方案，并對其性能進行仿真分析。結果表明，中心固定式矢量水聽器結構緊湊、安裝方便，適合水下小尺寸平臺的安裝使用，在工作頻帶內可準確測量聲場中聲壓與質點振速信息。

矢量水聽器；懸掛系統；仿真分析

0 引 言

矢量水聽器是一種能夠探測水聲振速、加速度等矢量信號的傳感器[1]，其低頻指向性好，空間增益高，較傳統聲壓水聽器及其基陣體積更小[2-3]。根據工作原理的不同，矢量水聽器可分為壓差式和同振式[4]，其中，同振式矢量水聽器可直接測量聲場中的質點振速，本身不產生明顯的聲場畸變，且性能參數穩定，已被廣泛用于聲吶浮標系統、拖曳陣低噪聲測量等領域[5]。

工作時，同振式矢量水聽器一般通過彈性元件懸掛安裝于大質量框架之上[6]（見圖1）。外圍框架懸掛系統能效隔離工作平臺振動對水聽器的影響并保證其時間平均位置[7, 8]，但也使其難以應用于深水炸彈、魚水雷等空間有限的小尺寸工作平臺。

本文通過分析壓電加速度計幅頻特性，獲得一種中心位置固定的懸掛方案，研究具有該新型懸掛系統矢量水聽器的基本結構設計，并對其性能進行仿真分析，為下一步工程應用提供一定理論依據。

1 新型懸掛系統設計

將壓電加速度計簡化為由集中阻尼器C、彈簧K和集中質量m構成的二階單自由度系統，通過研究其頻率特性，獲得新型懸掛系統的設計思路。如圖2所示，傳感器感受到振動體加速度時的運動方程式為：

式中，y為殼體的絕對位移，x為質量塊的絕對位移。

令ωn和ζ分別為加速度計固有頻率和阻尼比，y0為殼體的位移幅值，ω為殼體的振動角頻率，Ur為該振動系統穩態振動位移的幅值，可求得壓電加速度計的幅頻特性表達式及其對應曲線為：

可見彈性元件的結構在不同頻率的外部激勵下會出現3種運動狀態：當激勵頻率遠低于結構固有共振頻率時，整個系統剛度可控，外殼和內部質量塊一前一后地協同動作；隨著頻率增加，在系統共振頻率附近，內部質量塊的運動嚴重偏離，出現數倍于激勵值的位移；頻率遠高于系統共振頻率時，系統慣性鎖死，內部質量塊相對外部激勵而言將保持原地不動。

根據此結論可設計一種新型懸掛方案，即用剛性支柱代替加速度計內部質量塊，并將水聽器通過支柱與工作平臺相連。

2 新型矢量水聽器設計方案

具有中心固定結構的矢量水聽器如圖4所示。水聽器外殼需滿足中性浮力，可采用壓電陶瓷材料，用以測量聲壓信息；柔性材料層使用柔順系數大的橡膠材料；內殼采用密度較小的剛性金屬；內殼通過4塊對稱的壓電陶瓷元件固定于中心支柱之上。

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，外殼便產生與聲質點同幅同相的振動，同時柔性材料層將該振動傳遞給內殼，并耦合到壓電元件上，壓電元件內外表面便產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點的振動成比例。

3 性能仿真與分析

系統動力學回路方程為

由此可求得振速通道壓電元件電壓輸出eoc與質點振速vs的關系式為

式中， 分別為壓電元件的壓電系數、彈性系數（恒流狀態）及厚度。

對于該水聽器，其外殼、內殼與柔性材料層組成的振動系統，具有與前述加速度計模型相同的共振特性，其共振頻率決定著水聽器工作頻率的下限ωl，此處由柔性材料層剛度、水聽器所排開水柱質量及其共振質量共同決定。壓電元件作為一種彈性材料，與內殼耦合產生共振，決定了水聽器的工作頻率上限ωh。2個頻率限制條件如下所示：

在滿足中性浮力的基礎上，給定一組結構參數（見表1），對壓電元件的開路電壓在全部工作頻段內進行仿真計算，得到自由場聲壓靈敏度和相位特性曲線，如圖6所示。由圖可知，2個頻率限制條件決定水聽器穩定工作的頻段范圍；電壓響應相位角輸出與質點振速保持180°的偏置，體現了該種結構設計的慣性特征。

將給定的結構參數和材料參數代入（4）式計算水聽器振速靈敏度為

用分貝表示時，振速通道靈敏度為：

表 1 分析水聽器理論模型所用參數列表（mm）Tab. 1 The list of parameters used in the analysis of the theoretical model of hydrophone

仿真計算結果表明，該新型矢量水聽器在工作頻段內（此處約1～30 kHz），振速通道等效電壓響應約為–209 dB，幅度波動小于0.2 dB，其相位角約為180°，角度波動小于0.3°，可滿足水下聲場振速信息的測量要求。

4 結 語

本文通過研究壓電加速度計幅頻特性，獲得了一種新型懸掛系統設計方案，給出了采用該新型懸掛方案的矢量水聽器的結構設計，并對其性能進行了仿真研究。結果表明：1）中心固定式矢量水聽器的結構設計能夠實現聲場中聲壓與質點振速信息的直接測量；2）中心固定內置式懸掛系統，可有效縮小水聽器外部體積，適合水下小尺寸平臺的安裝使用；3）在工作頻段內（此處約1～30 kHz），水聽器振速通道等效電壓響應約為–209 dB，幅度波動小于0.2 dB，其相位角約為180°，角度波動小于0.3°；

中心固定式矢量水聽器結構緊湊、安裝方便，可有效擴展矢量水聽器的應用空間并提高其性能與使用的方便性，對于增強水下平臺的聲探測能力有重要意義。但是由于懸掛系統的特殊性，使得水聽器工作頻率下限較高，不利于水下目標的遠程測量。一方面可進一步研究改善水聽器結構設計，另一種可行改善方法是構建空間陣列式的矢量陣，通過設定接收單元的接收距離，實現遠程水下目標的低頻探測[10]。

[ 1 ]孫貴青, 李啟虎. 聲矢量傳感器研究進展[J]. 聲學學報, 2004,29(6): 481–490.SUN Gui-qing, LI Qi-hu. Progress of study on acoustic vector sensor [J]. Chinese Journal of Acoustics, 2004, 29 (6):481–490.

[ 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.ZHANG Chun, CHEN Bin, TIAN Zhong-ren. Design of three dimensional co-vibration vector hydrophone [J]. Acoustic and Electronic Engineering, 2009, 46(4): 5–7.

[ 4 ]孫貴青. 矢量水聽器檢測技術研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2001.SUN Gui-qing. Research on technology of detection vector hydrophone[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2001.

[ 5 ]陳洪娟, 楊士莪, 王智元, 等. 同振式矢量傳感器設計方法的研究[J]. 聲學技術, 2005, 24(2): 80–83.CHEN Hong-juan, YANG Shi-e, WANG Zhi-yuan, et al.Research on the design method of the co-vibration vector sensor [J]. Chinese Journal of Acoustics, 2005, 24 (2): 80–83.

[ 6 ]張俊. 潛標平臺下的矢量水聽器懸掛系統聲學性能影響研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 201.ZHANG Jun. Study on the influence of acoustic performance of submerged buoy system under the platform of the vector hydrophone suspension[D]. Harbin: Harbin Engineering University , 201.

[ 7 ]賈志富. 三維同振型矢量水聽器的特性及其結構設計[J]. 應用聲學, 2001, 20(4): 15–20.JIA Zhi-fu. Characteristics and structural design of threedimensional co-vibrati0n vector hydrophone [J]. Application of Acoustic. 2001, 20 (4): 15–20.

[ 8 ]時勝國, 楊徳森. 彈性元件對同振型振速水聽器的影響[J].應用聲學, 2004, 23(5): 21–26.SHI Sheng-guo, YANG De-sen. Elastic element influence on the vibration velocity hydrophone [J]. Applied Acoustics,2004, 23(5): 21–26.

[ 9 ]MCCONNELL J A. Practical experiences with inertial type underwater acoustic intensity probes[J]. JASA, 2002, 27(8):19–21.

[10]石杰, 相敬林, 陳韶華. 間距可調的小尺寸空間十字陣對水下低頻聲源的被動定向[J]. 探測與控制學報, 2006, 28(5):12–15.SHI Jie, XIANG Jing-lin, CHEN Shao-hua. The passive orientation of the small size space cross array with adjustable pitch to underwater acoustic source [J]. Journal of Detection and Control, 2006, 28 (5): 12–15.

Structure design and performance research of a new co-vibration vector hydrophone

XIE Pan, XU Xi
(No.91388 Unit of PLA, Zhanjiang 524022, China)

A new suspension system with central fixed is designed by studying the amplitude frequency characteristics of the piezoelectric accelerometer. The design scheme of the co- vibration vector hydrophone with the new suspension system is presented, and its performance is simulated. The results show that the central fixed vector hydrophone has compact structure and convenient installation, which is suitable for the installation of the underwater small size platform. It can accurately measure the sound pressure and particle velocity information in the working band.

vector hydrophone；suspension system；simulated analysis

TB565.1

A

1672 – 7649(2017)09 – 0148 – 03

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.029

2016 – 10 – 11；

2016 – 11 – 28

謝攀(1989 – )，男，碩士，助理工程師，研究方向為水下靶標結構設計。