面向水下滑翔機平臺的耐壓復合同振式矢量水聽器

孫芹東， 張小川， 韓梅， 王文龍

(1.海軍潛艇學院， 山東 青島 266199； 2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室， 山東 青島 266237)

0 引言

矢量水聽器兼有聲壓通道和矢量通道，可同時測量聲場中聲壓標量和三維質點加速度矢量信息，單個矢量水聽器即可實現對目標的無模糊測向，在海洋環境噪聲測量與水中目標探測領域有著廣闊的應用前景[1-2]。矢量水聽器在水下滑翔機平臺集成應用方面，美國斯克利普斯海洋研究所與華盛頓大學應用物理實驗室聯合設計的ZRay翼型水下滑翔機，集成有矢量水聽器和低、中、高頻聲壓傳感器，其設計初衷是用來跟蹤和自動識別海洋哺乳動物[3]，但由于其聲學性能優異，可用來探測水中安靜型目標，已用于美軍近海水下持續監視網(PLUSNet)系統建設[4]；美國海軍研究辦公室資助的ANT Littoral Glider，搭載了Reson公司的TC-4033型水聽器和Wilcoxon的矢量水聽器，適合在近海工作，目前已完成多臺套建設。

海軍潛艇學院與天津大學合作，于2015年著手在“海燕-Ⅱ”水下滑翔機平臺集成矢量水聽器及其信號處理系統，研制可用于水中移動目標聲學探測的水下聲學滑翔機[5-8]。為充分發揮水下聲學滑翔機低噪聲、長航程、長時序優勢，以及利用海洋水聲環境效應提高對弱信號目標探測距離，需研發大深度矢量水聽器。在大深度矢量水聽器設計方面，美國和俄羅斯科研工作者采用聲壓和矢量通道分離技術方案，設計6 000 m級[9]、3 600 m級[10]矢量水聽器，并開展海上試驗；國內采用金屬耐壓殼體設計1 000 m級[11]、2 000 m級[12]矢量水聽器，但尚處于實驗室階段且不包含聲壓通道。針對水下聲學滑翔機樣機研制需求，設計制作工作深度和“海燕-Ⅱ”水下滑翔機平臺相匹配的1 500 m級、小尺寸、膠囊體形耐壓復合同振式矢量水聽器，并在南海某海域開展海上試驗。

1 矢量通道設計

矢量通道敏感元件為三軸向壓電加速度計，制作完成后可與聲場中水介質質點作等幅同相振動，以獲取聲場三維質點加速度矢量信息，并以x、y、z三軸分量的形式輸出。所用壓電加速度計的工作頻段為20～5 000 Hz，可根據矢量水聽器整體外形尺寸以及選擇的信號處理頻段合理確定矢量水聽器工作頻段。

1.1 矢量水聽器聲學原理

由同振式矢量水聽器工作原理可知，對于滿足聲學剛性的同振球形或柱形聲接收器，如果其最大線性尺寸遠小于其上限工作頻率對應的聲波波長，且其平均密度與所在聲場水介質密度近似相等，則對于同振球形或柱形聲接收器有(1)式[13]成立：

(1)

由(1)式可知，滿足一定條件的同振球形或柱形聲接收器，可與未放入聲場中時其等效聲中心所在處水質點振速值幅值相等、相位一致。本文矢量水聽器外形為圓柱體兩端帶半橢球帽的膠囊體形，其聲接收特性可近似由球形或柱形聲接收器來表征[14]，因此，在圓柱體兩端帶半橢球帽的膠囊體內部放置三軸向壓電加速度計，且保證制作完成后外形尺寸、密度滿足上述條件，即可制作同振式矢量水聽器。

矢量水聽器矢量通道敏感元件選用三軸向壓電加速度計，其加速度靈敏度Ma=2.8 V/g，制作完成后其聲壓靈敏度為

(2)

式中：Mp為聲壓靈敏度級；ω為角頻率；c為海水聲速。由(2)式計算可得，其聲壓靈敏度級為-179.6 dB(1 kHz頻點處，0 dB參考值1 V/μPa)。

在科爾沁沙地，有牧民將剛采回的沙蔥，簡單洗一下就裝入罐子里，撒上一點鹽，浸之，不消半個時辰就是美味的小菜。

1.2 矢量通道耐壓設計

耐壓結構的失效形式主要包括強度失效、穩定性失效、剛度失效和腐蝕失效4種，矢量通道采用薄壁鋁合金殼體承受工作深度的高靜水壓力，而采用金屬殼體承受外部壓力的耐壓結構其主要失效形式為穩定性失效[15]。當薄壁鋁合金殼體耐壓結構所承載的外部靜水壓力增大到材料屈服極限時，耐壓結構穩定性將發生破壞，使薄壁鋁合金殼體形狀發生改變，喪失正常工作能力。耐壓結構失穩前，薄壁鋁合金殼體內只存在壓縮應力，失穩后由于突然產生形變，在薄壁鋁合金殼體內產生以彎曲應力為主的附加應力。對于圓柱形薄殼耐壓結構，在高靜水壓力條件下其環向與軸向承受均勻外壓，對于球形薄殼耐壓結構，在高靜水壓力條件下承受均勻徑向外壓[12]。本文設計制作的矢量水聽器外形為圓柱體兩端帶半橢球帽的膠囊體形，不能采用柱體和球體薄殼結構耐壓公式進行理論計算，將利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對膠囊體形薄壁鋁合金殼體耐壓結構內部應力進行仿真分析。

綜合考慮材料密度、外形尺寸，建立矢量水聽器實體模型，鋁合金殼體參數列表如表1所示。利用ANSYS Workbench軟件，根據表1薄壁鋁合金殼體參數對薄壁鋁合金殼體失穩的臨界壓力進行仿真分析，以驗證薄壁鋁合金殼體的結構強度和穩定性能否滿足耐壓要求。在薄壁鋁合金殼體外表面設置15 MPa的壓力載荷，對其進行結構靜力分析，由仿真結果(見圖1)可知，薄壁鋁合金殼體在外部靜水壓力作用下，會出現局部應力集中現象，其最大應力值為436.83 MPa，沒有超過材料的屈服強度505 MPa，故其受15 MPa外壓時，不會發生強度失效，滿足應用需求。

圖1 金屬耐壓殼體應力云圖Fig.1 Stress nephogram of metal pressure-resisting shell

表1 薄壁鋁合金殼體參數Tab.1 Measured parameters of thin-wall aluminium alloy shell

2 聲壓通道設計

聲壓通道敏感元件為p-51材質徑向極化壓電陶瓷圓管，該類型壓電陶瓷圓管結構簡單、靈敏度高、水平面上無指向性、工作性能穩定，適合用于聲壓接收換能元件，參數如表2所示。表2中g31、g33是壓電常數分量，表示恒應力條件下電位移分量每增加一個單位所引起的應變分量增加量，下標中第1個數字指的是電場方向，第2個數字指的是應力或應變的方向，g31指施加在3方向的電場在1方向產生的應力或應變，g33指施加在3方向的電場在3方向產生的應力或應變。

表2 壓電陶瓷圓管實測參數Tab.2 Measured parameters of piezoceramic circular tube

2.1 聲壓通道聲學設計

壓電陶瓷圓管作為聲壓通道敏感元件，在聲波作用下，其外表面均勻受聲壓p作用，而內表面、上下端面均不受聲壓作用，其邊界條件為空氣背襯、端部隔離。它的振動特性處于彈性控制狀態，將壓電陶瓷圓環近似看成各向同性，根據彈性靜力學知識，可以得到聲壓通道開路電壓接收靈敏度[16]為

(3)

式中：V為壓電陶瓷圓管在聲壓p0作用下內外表面產生的電壓；u為壓電陶瓷圓管內外半徑之比，u=Ri/Ro. 將表2中聲壓通道敏感元件詳細參數代入(3)式中，可得到聲壓通道開路電壓接收靈敏度級隨材料參數變化曲線，如圖2所示。

圖2 聲壓通道靈敏度級仿真曲線Fig.2 Simulated curves of sound pressure channel sensitivity level

從圖2仿真計算結果可知，根據所選用壓電陶瓷實測參數，矢量水聽器聲壓通道靈敏度級為-192.9 dB(0 dB參考值1 V/μPa)。根據不同外徑和厚度參數下靈敏度數值變化曲線還可以得出如下規律：聲壓靈敏度級隨著壓電陶瓷圓管外半徑的增大而增大、隨著管壁厚度的增大而減小，可為聲壓通道的設計提供理論參考。

聲壓通道要求工作頻帶內其靈敏度值起伏要小，其工作上限頻率應遠低于其本征頻率，這就要求壓電陶瓷圓管本身的諧振頻率要遠離水聽器的工作頻段。壓電陶瓷圓管同時存在徑向本征頻率和軸向本征頻率，這兩個諧振頻率僅與其材料和物理尺寸有關，與其極化方式無關，且其軸向本征頻率遠高于徑向本征頻率。因此，只需要聲壓通道工作上限頻率遠低于徑向本征頻率即可滿足要求，壓電陶瓷圓管徑向本征頻率可由(4)式計算得到：

(4)

2.2 聲壓通道耐壓設計

根據旋轉薄殼體的無力矩理論，在外界靜水壓pw的作用下，薄壁圓柱形殼體會產生沿壁厚均勻分布的軸向壓應力σz和環向壓應力σθ，理論分析表明，薄壁圓柱形殼體環向壓應力σθ可表示為

(5)

其數值為軸向壓應力σz的2倍，因此，設計時其環向壓應力σθ不應超過材料的屈服強度。

聲壓通道敏感元件p-51材質徑向極化壓電壓電陶瓷圓管的屈服強度為137.9 MPa. 將壓電圓環相關數據代入(5)式，可得其強度失效臨界壓力pw≤16.9 MPa，能夠滿足設計深度15 MPa耐壓要求，且稍有余量。對壓電陶瓷圓管進行三維建模，利用ANSYS Workbench軟件對壓電陶瓷圓管失穩的臨界壓力進行仿真分析，以驗證壓電陶瓷圓管的結構強度和穩定性能否滿足耐壓要求。

在壓電圓環外表面設置15 MPa的壓力載荷，對其進行結構靜力分析，仿真結果如圖3所示。壓電陶瓷短圓管的應力分布沿內半徑到外半徑逐漸減小，其內壁的應力最大，為131.12 MPa，沒有超過材料的屈服強度，故其受15 MPa外壓時，不會發生強度失效。

圖3 壓電陶瓷圓管耐壓應力云圖Fig.3 Pressure stress nephogram of piezoceramic circular tube

3 整體結構設計與制作

矢量水聽器在結構上包含聲壓通道和3個正交的加速度通道，其整體結構示意圖如圖4所示。聲壓通道徑向極化壓電陶瓷圓管承受環向壓應力，矢量通道采用薄壁鋁合金金屬外殼承受外部靜水壓，聲壓通道和矢量通道等效聲中心相重合。矢量通道三軸壓電加速度計敏感元件位于鋁合金薄壁金屬外殼內部，鋁合金薄壁金屬外殼分為上、下半橢球兩部分，三軸壓電加速度計通過安裝支架嵌在下半橢球部分。薄壁金屬外殼外均勻包覆聚氨酯材料，滿足矢量水聽器水密以及聲壓通道壓電陶瓷圓管透聲要求。水聲信息通過微型HUMMER多芯水密接插件進行傳輸，聲壓通道接收聲場信息通過薄壁鋁合金上的過線孔傳輸到HUMMER多芯水密接插件。矢量水聽器外均布懸掛鉤，使用時通過8根彈性系數一致的彈性元件懸掛在剛性框架上。

圖4 矢量水聽器結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of vector hydrophone structure

制作完成后，矢量水聽器外形尺寸為φ66 mm×78 mm，其中柱體部分高度為20 mm，整體重量為450 g，其樣機如圖5所示。

圖5 矢量水聽器樣機Fig.5 Prototype vector hydrophone

4 矢量水聽器參數測試

4.1 耐壓測試

為檢驗矢量水聽器的耐壓能力，在青島海洋科學與技術試點國家實驗室的35 MPa水壓壓力釜內對設計制作的矢量水聽器樣品進行高靜水壓力循環測試。測試時，模擬水下滑翔機海上剖面滑翔下潛和上浮工作過程，設定最大壓力為15 MPa. 如圖6所示，測試時，先勻速加壓到15 MPa，然后勻速減壓到常壓狀態，每個循環用時4 h，共進行了10個模擬剖面的壓力測試，整個測試過程中壓力釜內沒有產生明顯壓降，且壓力測試前后矢量水聽器重量基本一致，沒有出現漏水現象，外觀無損傷，證明該矢量水聽器可工作在1 500 m水深。

圖6 矢量水聽器模擬剖面壓力測試Fig.6 Simulation section pressure test of vector hydrophone

4.2 靈敏度參數測試

矢量水聽器各通道靈敏度采用比較法進行測試，其中100～1 000 Hz頻段在駐波管測試、1 250～3 000 Hz頻段在消聲水池測試，靈敏度在測量時以聲壓量為參考，參考基準為1 μPa. 測試時，將矢量水聽器和標準水聽器同時置于待測聲場中，使矢量水聽器的待測通道軸向指向發射換能器，改變發射頻率，同時記錄矢量水聽器和標準水聽器的輸出電壓，通過比較法得到矢量水聽器待測通道靈敏度[17]。如圖7所示，矢量通道等效聲壓靈敏度級按每倍頻程6 dB的方式增加，等效聲壓靈敏度級為-179.4 dB(1 000 Hz，0 dB參考值1 V/μPa)，聲壓通道等效聲壓靈敏度基本為平坦曲線，靈敏度級為-192.5 dB(0 dB參考值1 V/μPa)。矢量通道和聲壓通道等效聲壓靈敏度值測試結果與理論值吻合較好。

圖7 矢量水聽器等效聲壓靈敏度測試曲線Fig.7 Measured sensitivity curves of vector hydrophone

4.3 指向性參數測試

矢量水聽器指向性在駐波管進行測試，理論上矢量水聽器3個矢量通道均應具有與頻率無關的余弦指向性，而聲壓通道應該無指向性。實際測量時，將矢量水聽器懸掛于駐波管中的旋轉框架內，使矢量水聽器的待測通道軸向平行于駐波管中軸線并指向發射換能器，保持發射換能器輸出功率和頻率一定，用回轉裝置將矢量水聽器旋轉一周并記錄下不同旋轉角度值對應的矢量水聽器輸出電壓值，最后作歸一化處理并用對數形式表示，即可得到該頻點處待測通道的指向性曲線。試驗測試了聲壓、x軸方向加速度、y軸方向加速度和z軸方向加速度在800 Hz、400 Hz、500 Hz和630 Hz頻點處的指向性，測試結果如圖8所示。

圖8 矢量水聽器指向性Fig.8 Directivity patterns of vector hydrophone

由矢量水聽器各通道不同頻點處指向性測試結果可知，聲壓通道無指向性，在800 Hz頻點處最大值不均勻性為0.7 dB；加速度通道均具有余弦指向性，分辨力均大于36.8 dB，加速度x軸方向通道在400 Hz頻點處最大值不均勻性為0.3 dB，加速度y軸方向通道在500 Hz頻點處最大值不均勻性為1.3 dB，加速度z軸方向通道在630 Hz頻點處最大值不均勻性為1.2 dB，3個加速度通道主軸方向靈敏度最大值對稱性較好，與主軸垂直方向靈敏度最小值對稱性方面z軸方向通道相比于另外兩通道略差，可能是測試時懸掛不對稱導致。

5 海上試驗

為驗證設計與制作的耐壓復合同振式矢量水聽器工作性能，2019年，在南海某海域，應用水下滑翔機平臺集成矢量水聽器進行水聲信號獲取有效性試驗驗證，試驗海區水深大于1 500 m，海況良好。試驗時，水下滑翔機采用剖面滑翔方式采集海洋環境噪聲信號，下潛了兩個剖面，第1個剖面設置最大下潛深度為800 m，剖面時長約為3 h；第2個剖面設置最大下潛深度1 200 m，剖面時長約為4 h.

圖9給出了水下滑翔機下潛深度隨時間的變化關系，圖10給出了兩個剖面不同頻點(20 Hz、60 Hz、100 Hz、200 Hz、1 kHz、3 kHz)采集的海洋環境噪聲級隨深度變化關系。由結果可知：海洋環境噪聲譜級隨頻率增加而減小，符合海洋環境噪聲變化規律；各頻率噪聲譜級隨深度變化規律基本一致，即隨深度增加而略有下降；在962～1 121 m深度范圍內出現的譜級峰是由于滑翔機附近有水面船只經過引起的，由于航船影響噪聲譜級在1 kHz處升高了近17 dB，而其對20 Hz和60 Hz低頻段的影響卻相對較小。試驗結果表明矢量水聽器在水下滑翔機平臺應用時可在100～3 000 Hz范圍內有效采集水下聲場信息，設計的矢量水聽器可靠工作深度不小于1 200 m，滿足水下聲學滑翔機樣機研制應用需求。

圖9 滑翔機下潛深度隨時間變化曲線Fig.9 Subemerged depth of glider as a function of time

圖10 不同頻點噪聲級隨深度變化關系Fig.10 Relationship between noise level and depth at different frequency points

6 結論

本文針對水下聲學滑翔機樣機研制對小尺寸、耐壓復合同振式矢量水聽器的迫切需求，設計面向水下滑翔機平臺的耐壓復合同振式矢量水聽器，對其進行耐壓能力、電聲參數測試，以及利用水下滑翔機集成矢量水聽器開展水聲信號獲取有效性海上試驗驗證。得出以下主要結論：

1) 矢量水聽器采用矢量通道和聲壓通道一體化設計方案，各通道靈敏度和指向性參數與理論值吻合較好。

2) 矢量水聽器最大可靠工作深度不小于1 200 m，可在100～3 000 Hz范圍內有效采集聲場信息，并給出了矢量水聽器在20 Hz、60 Hz、100 Hz、200 Hz、1 kHz、3 kHz頻點采集的海洋環境噪聲級隨著深度變化的關系，滿足水下聲學滑翔機樣機研制應用需求。