DFB光纖激光水聽器舷側聲障模塊設計與實驗驗證

周 璇, 宋文章,2, 黃俊斌*, 顧宏燦, 趙宏琳, 陳思彤

DFB光纖激光水聽器舷側聲障模塊設計與實驗驗證

周 璇1, 宋文章1,2, 黃俊斌1*, 顧宏燦1, 趙宏琳1, 陳思彤1

(1. 海軍工程大學 兵器工程學院, 湖北 武漢, 430033; 2. 中國人民解放軍91388部隊, 廣東 湛江, 524002)

文中結合某水下平臺舷側的實際需求, 基于分布反饋式(DFB)光纖激光水聽器技術, 設計小尺度舷側模塊。仿真中采用分層介質中的彈性波模型建立聲障板模型, 并對聲障板合理選材, 制備了4陣元DFB光纖激光水聽器舷側模塊, 并測試了舷側模塊的靈敏度。實驗結果表明, 舷側模塊中水聽器相對靈敏度提高, 響應相對平坦, 初步驗證了設計方案的可行性。

水下平臺; 分布反饋式; 光纖激光水聽器; 彈性波; 聲障板; 相對靈敏度

0 引言

隨著對海洋開發利用的不斷深入, 無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)的作用日益凸顯, 并成為各國重點在研水下裝備[1]。但由于UUV體積小, 改裝空間有限, 因此對其探測聲吶的適裝性提出了更高的要求。

目前, 分布反饋式(distributed feedback, DFB)光纖激光水聽器由于探頭尺寸可以小至毫米量級, 便于復用成陣, 因此在水下小平臺上應用前景廣闊[2-3]。水聽器陣列作為聲吶系統的水下分機, 在安裝過程中一般采用聲障板固定, 既可適當改善水聽器頻響特性, 又能夠隔離內部機械噪聲的干擾[4-5]。基于聲障板的水聽器頻響特性研究一直是行業研究的熱點。曹宇等[6]基于遺傳算法設計了在變角度和變頻率條件下, 聲障板保持最小反射系數的優化算法; 劉寶等[7]采用單層勢和雙層勢求解并比較了有障板和無障板的聲輻射特性; 王敏慧等[8]利用有限元法研究了聲障板對圓柱換能器軸向波束的抑制特性; Bertilone等[9]提出一種基于無限剛性柱面散射理論, 計算聲障板下高頻段陣列增益模型; Wear等[10]測量了基于反射的光纖水聽器在多個頻率下的指向性, 并與剛性障板、剛性活塞、柔性障板及無障板的理論模型進行比較, 得出在不同模型下水聽器靈敏度單元的有效半徑。

文中結合UUV的實際需求, 通過理論仿真, 對聲障板合理選材, 設計并制備了4陣元DFB光纖激光水聽器舷側模塊, 并進行了實驗驗證, 取得了較為理想的效果。

1 水聽器聲障板參數優化設計

聲障板模型采用分層介質中的彈性波模型建立, 考慮水聲探測在遠場條件下進行, 聲障板厚度較薄, 故分析聲障板模型時將水聽器作為點源, 并忽略反射波的相位變化。在任意多層結構障板上聲波的傳播規律如圖1所示。

圖1 水聽器在任意多層障板上的反射示意圖

圖中, 水聽器固定在+1層, 距層上表面高度為。當平面波以某角度入射時, 水聽器同時受到入射聲波和反射聲波的疊加作用。聲波在固體介質中傳播時, 在每一層均產生分別沿方向和方向傳播的縱波和橫波, 沿方向傳播的縱波和橫波可分別表示為[4]

在固體介質中第層方向和方向的位移分別為

應力為

將式(1)和式(2)代入式(3)～(6)中, 在障板第層上下表面可分別表示為

將式(7)和式(8)中上下表面力和位移的關系式連立, 得

考慮任意兩層之間界面連續, 任意多層障板中應力與位移關系式迭代為

在第1層和第+1層半無限大的水介質中無剪切力, 將式(11)中模型簡化為

第1層和第+1層為水介質, 則

在固液相交邊界, 豎直方向聲壓和振速連續, 連續性方程為

結合式(13), 建立障板中力和位移與水中聲壓、振速的連續性迭代關系

由式(14)～(17)推導出水中聲壓和振速為

由上述公式及聲壓、振速、應力和位移的連續性關系, 得

對式(14)、式(16)和式(25)聯立化簡, 得到障板下水聽器聲壓表達式

水聽器在自由場下只考慮入射聲, 不考慮反射聲, 中心聲壓為

文中使用相對靈敏度[4-5]來衡量障板為水聽器帶來的增益, 定義為: 障板結構中, 水聽器實際接收聲壓與自由場下水聽器接收聲壓之比, 可表示為

考慮聲波垂直入射的情況, 分析水聽器相對靈敏度與聲障板特性參數間的關系。圖2給出了不同材料下, 水聽器相對靈敏度與入射聲波頻率和障板厚度的關系, 其中障板的物性參數如表1所示。可見在3～10 kHz的頻帶內, 障板厚度越厚, 水聽器響應越平坦: 對比鋼、銅、鋁3種常見障板材料, 當聲障板厚度達到10 mm時, 鋼和銅2種材料相對靈敏度起伏在3 dB之內, 而鋁材料的相對靈敏度起伏明顯較大, 說明聲障密度是影響相對靈敏度的主要因素。密度越大, 相對靈敏度越容易平坦, 而鋁的密度明顯小于鋼和銅。結合舷側模塊的應用, 初步選定鋼材作為聲障材料。

當水聽器在聲障板前安裝固定時, 水聽器與聲障板距離和厚度等共同影響了聲反射特性的效果。圖3所示為選定障板材料下, 水聽器相對靈敏度與障板距離和厚度的關系。由圖可知, 相對靈敏度曲線中, 最大值約為5 dB, 未能達到理論值6 dB, 表明此時的相對位置未能達到波的完全疊加; 達到最大值后相對靈敏度緩慢下降, 下降到0以后, 為負增益, 即在反射聲作用下, 疊加后聲信號減弱; 當水聽器距離聲障板0.025 m時, 相對靈敏度最小值約出現在16 kHz處; 當水聽器距離聲障板0.05 m處時, 相對靈敏度最小值約出現在8 kHz處。由此可見, 隨著水聽器距離聲障板距離減小, 相對靈敏度極小值頻率點提高; 相比水聽器距聲障板距離, 障板厚度對相對靈敏度影響更小, 且隨著厚度增加, 靈敏度極小值頻率點略有降低。為保證在3～10 kHz的頻段內, 相對靈敏度較高且響應平坦, 宜選擇適當厚度的聲障板, 且水聽器應盡可能貼近障板表面。

圖2 不同材料下水聽器相對靈敏度與聲波頻率和障板厚度的關系

表1 材料物性參數

圖3 水聽器相對靈敏度與障板距離和厚度的關系

2 二次封裝下的DFB光纖激光水聽器

舷側模塊在實際制備時, 需在障板前密封透聲聚氨酯, 形成一體化結構。如圖4所示, 在復合層中, DFB光纖激光水聽器位于聚氨酯層(粘彈性層)和障板層的交界處, 復合結構物性參數如表2所示。

圖4 聚氨酯封裝下的DFB光纖激光水聽器模塊

表2 復合結構物性參數

圖5為復合層中不同聲波頻率入射時, 水聽器相對靈敏度隨粘彈性層厚度及聲障板厚度的變化規律。與圖2對比可知, 在聚氨酯封裝下, 靈敏度增益峰值降低約1 dB, 這是由于聲能量在聚氨酯層中少量的反射損失所導致的。在聚氨酯層厚度不變的情況下, 聲障板厚度對水聽器相對靈敏度起伏影響較大, 并呈周期性變化; 隨著聲波頻率增加, 波長變小, 水聽器相對靈敏度變化周期減小, 且相對靈敏度為負的區域隨入射聲波頻率的變化而變化。所以在實際的設計中, 要選擇合適的聲障厚度提高相對靈敏度, 避免靈敏度的降低。

圖5 不同聲波頻率下水聽器相對靈敏度與障板及粘彈性層厚度之間的關系

在聲障板厚度不變的情況下, 水聽器相對靈敏度隨聚氨酯層厚度變化很小, 可以認為在粘彈性層中, 聲波透射起主要作用, 反射較少, 對水聽器相對靈敏度的影響可忽略不計。

3 實驗設計與驗證

綜合以上水聽器相對靈敏度的影響因素, 結合實際選定聲障材料及厚度, 最終制備了4陣元DFB光纖激光水聽器舷側模塊, 如圖6所示。

在消聲水池利用自由場比較法, 測試舷側模塊灌注前后的水聽器靈敏度, 測試系統如圖7所示。在消聲水池中, 信號發生器經功率放大器, 由發射換能器發射脈沖信號, 待測水聽器或舷側模塊靠近標準水聽器, 固定在旋轉升降臺上, 數據采集與分析系統分別獲得標準水聽器的參考信號及經光路解調系統的DFB光纖激光水聽器接收的待測信號, 進而得出待測水聽器靈敏度[2]。

圖6 DFB光纖激光水聽器舷側模塊實物圖

圖7 DFB光纖激光水聽器靈敏度測試系統

舷側模塊中, 編號分別為22105、22703的DFB光纖激光水聽器在舷側模塊制備前后的靈敏度對比如圖8和圖9所示。圖中, 在3～10 kHz的頻段內, 舷側模塊制備后, 編號為22105和22703的DFB光纖激光水聽器的靈敏度分別為(–129.2±1.4) dB和(–133.1±0.9) dB, 較模塊制備前的靈敏度有所提高, 表明在舷側模塊中, 陣元相對靈敏度提高, 頻率響應相對平坦, 聲障結構設計合理。

4 結束語

文中針對某水下平臺舷側的實際應用, 基于DFB光纖激光水聽器技術, 對小尺度舷側模塊的聲障板進行了設計與實驗驗證。通過理論分析聲障層、聚氨酯層對水聽器靈敏度的影響, 對聲障板合理選材, 設計厚度, 并完成了DFB光纖激光水聽器舷側陣4陣元模塊的試制。隨后, 在消聲水池中進行了水聽器模塊靈敏度測試。

圖8 DFB光纖激光水聽器22105靈敏度對比曲線

圖9 DFB光纖激光水聽器22703靈敏度對比曲線

根據實驗結果, 在3～10 kHz的頻段內, 舷側模塊中, 水聽器陣元的相對靈敏度提高, 頻率響應相對平坦, 初步驗證了設計方案的可行性。

在聲障理論模型建立中, 考慮DFB光纖激光水聽器模塊在消聲水池中實際的測試條件, 將聲障模型的第1層材料建模為水介質, 使文中實驗與理論仿真條件更為吻合; 如考慮模塊的實際安裝情況, 聲障板第1層可建模為空氣介質, 此時在聲障模型的第1層和第2層的交界處, 仍無剪切力, 公式推導形式不變, 對理論仿真分析的結果影響很小, 不影響仿真參數的規律性分析; 同時, 理論模型中僅考慮了聲障厚度與相對靈敏度的對應關系, 受聲障邊緣效應的影響, 聲障實際寬度對水聽器指向性有一定影響, 后續需結合工程實際進行進一步的理論與實驗分析。相比壓電水聽器, DFB光纖激光水聽器的陣元之間不一致性較大、頻帶內靈敏度起伏較大, 后續可通過改進水聽器本身的性能加以提升。

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Design and Experimental Verification of Sidewall Sound Barrier Module of DFB Fiber Laser Hydrophone

ZHOU Xuan1, SONG Wen-zhang1,2, HUANG Jun-bin1*, GU Hong-can1, ZHAO Hong-lin1, CHEN Si-tong1

(1. College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Unit 91388th, The People’s Liberation Army of China, Zhanjiang 524002, China)

A small-scale side module was designed based on distributed-feedback(DFB) fiber laser hydrophone technology. An acoustical baffle model was designed using an elastic wave model in a layer media. After a reasonable selection of materials for the acoustic baffle, a four-array DFB fiber laser hydrophone side module was fabricated. The sensitivities and directivities of the side modules were tested. The experimental results demonstrated that the relative sensitivity of the hydrophone module was enhanced and the response was flat. The feasibility of the scheme was preliminarily verified.

underwater platform; distributed-feedback; fiber laser hydrophone; elastic wave; acoustic baffle; relative sensitivity

周璇, 宋文章, 黃俊斌, 等. DFB光纖激光水聽器舷側聲障模塊設計與實驗驗證[J]. 水下無人系統學報, 2022, 30 (2): 254-259.

TJ630.34; U666.7

A

2096-3920(2022)02-0254-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.017

2021-03-31;

2021-07-06.

周 璇(1995-), 碩士, 主要研究方向為光纖傳感技術.

黃俊斌(1965-), 男, 教授, 博士, 主要研究方向為光纖傳感技術.

(責任編輯: 楊力軍)