諧振式高靈敏度矢量水聽器設計

李起棟， 李金平， 陳麗潔， 張 鵬， 趙異凡， 魏鴻雁

0 引 言

隨著水聲探測與反探測的發(fā)展，特別是多數(shù)潛艇采用消聲瓦之后，聲吶的工作頻率要求越來越低，這為受到聲學基陣尺寸、重量和造價嚴格限制的聲納系統(tǒng)帶來了極大的困難。為了能夠在低頻、小尺度陣形下獲得一定的空間增益，且能給出水下目標精確的方位信息，矢量水聽器是一種最佳的選擇[1～3]。矢量水聽器具有寬帶、一致的偶極子指向性及低頻小尺寸等特點[4]；在水聲測量系統(tǒng)中，采用矢量水聽器可提高系統(tǒng)的抗干擾能力和線譜檢測能力[5，6]。從能量檢測的角度講，采用矢量水聽器可提高系統(tǒng)的抗各向同性噪聲的能力，并可實現(xiàn)遠場多目標的識別等，因此，矢量水聽器的研究工作受到國內外極大重視[7～9]。目前，矢量水聽器亟需解決大靈敏度、甚低頻檢測、小型化等幾個問題。

本文設計了一種諧振式高靈敏度矢量水聽器，采用多器件共用結構及諧振檢測設計，具有小型化、低頻高靈敏度測量特點，能夠提升水聲信號的探測能力。

1 矢量水聽器工作機理

1.1 聲學理論

聲場中描述某點的傳播特性[10,11]可以用以下參數(shù)衡量:聲壓、振速、聲強等。

聲壓為

p(r,t)=p0ej(ωt-kr)

(1)

質點振動速度為

v(r,t)=v0ej(ωt-kr)

(2)

聲強為

(3)

式中p為聲場中質點聲壓；v為聲場中質點振動速度。

聲場中描述某點的運動特性又有另外一些參數(shù)衡量，如質點振動速度、加速度和位移。已知描述聲場傳播特性和質點運動特性的參數(shù)及之間的關系，即可更進一步了解傳感器的設計要點。因此，可以根據(jù)聲信號幅度特點、頻率范圍等特點選擇適宜的一次測量參數(shù)及測量傳感器，通過變換可以間接實現(xiàn)對聲源的探測需求，即使聲測量效果最大化。

聲場中某點的聲傳播特性與質點的運動狀態(tài)特性間通過聲阻抗聯(lián)系。由聲學理論基礎可知，聲壓p和質點振速v的比值稱為介質的聲阻抗

Z=p/v

(4)

由聲學理論基礎可得

Z=ρc

(5)

式中ρ為介質的平均密度；c為聲波的傳播速度。

聲場中某質點的位移、振速、加速度三者曲線變化趨勢如圖1所示。

圖1 質點的位移、振速、加速度三者之間關系

1.2 矢量水聽器模型分析

矢量水聽器傳感機理模型如圖2所示，可分解為3個模型:由中心質量與彈性梁組成的二階振動系統(tǒng)，通過慣性質量敏感加速度信號，并將加速度的變化轉化為彈性梁的位移變化；位移傳遞模型，即將彈性梁的位移變化轉換為十字梁末端的位移變化；由彈性元件構成的圓板彎曲振動系統(tǒng)，在受外力(位移)作用時，將外力(位移)轉換為彈性元件內部的應力變化，如果采用壓電陶瓷元件，則可將位移變化變成電荷信號輸出。

圖2 矢量水聽器傳感機理模型

2 矢量水聽器設計

2.1 球體結構設計

由同振球型矢量水聽器的工作原理可知，若聲學剛性運動體的幾何尺寸遠小于波長，即ka?1(k為波數(shù)，a為剛性運動球體半徑)，則其振速vx，與聲場中心處水質點的振速v0幅值之間的關系為

(6)

由此可以得到矢量水聽器的基本設計理論，在ka?1時使球體密度和水介質密度相當即可得到矢量水聽器所在點處的質點振動信息。要求ka?1，即矢量水聽器線性尺寸a?λ/6。當同振式矢量水聽器工作頻率上限為2 kHz時，波長為0.75 m，設計時a值應小于125 mm。矢量水聽器的球體采用上、下殼體過盈配合方式連接，設計結構時重點考慮密封問題。

2.2 矢量通道設計

重點為其內部拾振傳感器—壓電加速度傳感器的性能設計。

(7)

式中Uoc為矢量水聽器的輸出開路電壓。

圖與自由場電壓靈敏度差值的關系曲線

1)諧振頻率確定

根據(jù)振動傳感器工作原理和矢量水聽器的工程應用要求，通常加速度傳感器的諧振頻率應滿足

f0=(3-5)fH

式中fH為矢量水聽器的上限工作頻率。

由此可看出:加速度傳感器的諧振頻率越高，矢量水聽器的有效工作頻率范圍越大。要使矢量水聽器的上限工作頻率達到1 kHz，則需要作為內部振子的壓電加速度傳感器的諧振頻率應為3～5 kHz。

2)傳感器靈敏度確定

由同振型矢量水聽器在自由場電壓靈敏度Mp與其在水中的加速度靈敏度之間的關系，可以得到矢量水聽器要求的自由場聲壓靈敏度確定其加速度傳感器的加速度靈敏度之間的關系，如表1所示,且0 dB=1 V/μPa，頻率為1 kHz。

表1 矢量水聽器靈敏度和加速度傳感器電壓靈敏度對應關系

根據(jù)同振球形矢量水聽器分析可知，在結構設計上要滿足以下3個條件(拾振條件):

1)矢量水聽器的波尺寸足夠小，即ka?1，實際中一般要求a≤λ/6；

2)矢量水聽器的平均密度近似等于介質(水或海水)的密度，且質量分布均勻；

3)水聽器的幾何中心與中心重合，則該矢量水聽器置于水下聲場中時呈中性浮力狀態(tài)，其振動幅值、相位與水中質點保持一致，從而有效拾取水中質點振速或加速度矢量。

根據(jù)上述條件，設計矢量水聽器的外形尺寸Ф(110±5)mm，高(100±5)mm，設計帶寬5 Hz～1 kHz。

矢量水聽器的材料選擇，慣性質量塊采用鎢合金材料，重量較大，提高了矢量水聽器的靈敏度。敏感元件采用PZT—5型壓電陶瓷薄圓片，尺寸為Ф14 mm×0.4 mm。采用壓電敏感元件，利用壓電原理進行力/電轉換，再進行前端信號處理。考慮應用實際工況，采用中心質量設計以保證質心與幾何中心相合。為了得到較高的靈敏度，敏感元件采用串聯(lián)連接方式，電荷相等、電壓相加、電容值減小，相應地傳感器時間常數(shù)減小，電壓靈敏度增大，連接方式如圖4所示。

圖4 敏感元件及電氣連接示意

矢量水聽器的密封采用多個突臺結構的過盈配合，其過盈配合的殼體采用軟鋁。海洋中常有渦流、旋渦等形式存在，過盈配合可防止金屬殼體之間松動，給浮標的安全性、可靠性帶來一定的技術保障。矢量水聽器的引線采用錐形孔將內部導線引出，錐形膠皮塞將錐形孔密封，在外界壓力下進行自密封。矢量水聽器密封后實物如圖5所示。

圖5 密封后矢量水聽器

3 性能測試

矢量水聽器設計工作頻率為10～300 Hz。對矢量水聽器在一級計量站進行聲性能測量。水下測試中接收靈敏度測量采用駐波場比較法，主要對矢量水聽器的聲壓靈敏度測量，測量的不確定度U=1.5 dB。矢量水聽器的接收靈敏度達到了-196 dB(100 Hz)。

4 結束語

設計的矢量水聽器是在缺乏技術資料下，進行的首次研制。通過測試結果證明了采用本文設計方法的可行性。該結構設計矢量水聽器不僅低頻靈敏度高而且可靠性高。但在制作中工藝控制存在缺陷，使x，y矢量通道同一頻率下接收靈敏度有差值。但總體趨勢符合基本聲壓靈敏度曲線每倍頻程6 dB的變化規(guī)律，實驗測試結果與理論基本相符。在工程應用方面，若矢量水聽器能克服如工藝控制等缺陷問題，則該技術將會得到水聲領域的廣泛應用，對國家的軍事裝備和經(jīng)濟建設也將會產(chǎn)生不可估量的作用。

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