一體化標(biāo)量水聽(tīng)器的設(shè)計(jì)

沈慶樓

(海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

聲納是海上作戰(zhàn)個(gè)體(各種艦、艇)的五官，所有的戰(zhàn)場(chǎng)偵察(軟武器)都要以聲納為媒體，尤其是水下偵察，更是缺之不可［1］。在民用領(lǐng)域，聲納系統(tǒng)同樣發(fā)揮著重要作用，例如:水下通信、魚(yú)群探測(cè)、海底勘探等。水聽(tīng)器(水下各種發(fā)射、接收測(cè)量傳感器總稱，包括標(biāo)量傳感器和矢量傳感器)作為聲納系統(tǒng)的重要部件之一，是水聲學(xué)的一個(gè)重要研究方向，新型水聽(tīng)器的研究是我國(guó)海軍聲納技術(shù)革新的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容。

由于水聽(tīng)器受尺寸限制，電路處理部分一般采用的是分體設(shè)計(jì)，引出電纜隨著外界的振動(dòng)摩擦產(chǎn)生靜電電荷，由于壓電矢量水聽(tīng)器屬于容性元件，阻抗很高，電荷不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)消失，將被直接送入前置放大器，產(chǎn)生線間干擾。另一方面，由于電纜線存在一定的壓降，將使傳感器與后續(xù)的電路之間的接地點(diǎn)之間存在一定的電位差，產(chǎn)生測(cè)量噪聲。而一體化水聽(tīng)器將前置電路處理部分進(jìn)行集成處理，與敏感部分安裝在一起，整體封裝在水聽(tīng)器內(nèi)部，使水聽(tīng)器的輸出進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，大大降低了水聽(tīng)器的噪聲。本文提出的一體化標(biāo)量水聽(tīng)器，在很大程度上改善了聲壓靈敏度頻率響應(yīng)，具有低頻、小體積、高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)［2］。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 一體化標(biāo)量水聽(tīng)器模型

傳感器是利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)來(lái)檢測(cè)聲波信號(hào)。在壓電材料上作用一外力，引起它發(fā)生形變，此時(shí)材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，而且電場(chǎng)與形變呈線性關(guān)系，這種效應(yīng)稱正向壓電效應(yīng)［3］。而現(xiàn)在水聲類傳感器用得最多的壓電材料就是壓電陶瓷，可以接收聲信號(hào)的壓電模型有很多種，如壓電圓環(huán)，壓電圓盤，壓電薄片，壓電圓管等。經(jīng)過(guò)資料查詢與理論分析，本一體化標(biāo)量水聽(tīng)器采用壓電圓管作為聲接收芯體。

壓電圓管的徑向振動(dòng)常在水聲類傳感器的低頻段使用，元件如圖1所示。

圖1 壓電圓管Fig 1 Piezoelectric round tube

通過(guò)理論推導(dǎo)可以得出，開(kāi)路接收電壓靈敏度

其中，ρ=a/b［4］，g33，g31為壓電陶瓷壓電系數(shù)，V 為壓電陶瓷開(kāi)路電壓，p0為外界聲壓，a為壓電圓管內(nèi)徑，b為壓電圓管外徑。

由于水聽(tīng)器的信號(hào)為電荷信號(hào)，因此，本文提出的一體化標(biāo)量水聽(tīng)器的電路部分采用高阻放大電路。由于水聽(tīng)器體積較小，故電路部分重點(diǎn)考慮在保證其抗干擾能力的前提下，盡量減少其元件數(shù)量與體積，實(shí)現(xiàn)小體積水聽(tīng)器。水聽(tīng)器的聲學(xué)接收部分采用聲學(xué)材料灌封，從而達(dá)到其水下使用中對(duì)水密性的要求。本水聽(tīng)器采用一體化設(shè)計(jì)，一體化標(biāo)量水聽(tīng)器基本原理框圖如圖2所示。

圖2 一體化標(biāo)量水聽(tīng)器基本原理框圖Fig 2 Principle diagram of the integrated scalar hydrophone

1.2 一體化標(biāo)量水聽(tīng)器的設(shè)計(jì)

1)敏感元件的設(shè)計(jì)

壓電式傳感器分為諧振式和非諧振式諧振式，傳感器工作于諧振頻段，靈敏度高，但帶寬受到限制，一般用于發(fā)射型換能器，也可用于窄帶接收;非諧振式傳感器工作于平坦頻段，靈敏度較小，但有很平坦的響應(yīng)，故一般可用于寬頻帶接收。基于理論分析，考慮采用非諧振式原理設(shè)計(jì)壓電圓管振子，利用其徑向振動(dòng)模式，通過(guò)對(duì)不同尺寸元件的徑向振動(dòng)模式和徑向振動(dòng)模式諧振頻率的計(jì)算比較，選取敏感元件尺寸［5］。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本一體化標(biāo)量水聽(tīng)器采用聲學(xué)材料灌封來(lái)解決水密性問(wèn)題。同時(shí)為了保證結(jié)構(gòu)殼體和電路板等附加結(jié)構(gòu)不影響振子的振動(dòng)模態(tài)，敏感元件與結(jié)構(gòu)殼體之間采用螺栓固定連接方式。水聽(tīng)器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水聽(tīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig 3 Structure diagram of the hydrophone

3)電路設(shè)計(jì)

電路原理框圖如4所示。

圖4 電路原理框圖Fig 4 Principle block diagram of the circuit

前端采用具有高輸入阻抗的場(chǎng)效應(yīng)晶體管將微弱電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為可處理的電壓信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配?？紤]小型化要求，選用低噪聲器件MAX412ESA保證上限工作頻率。同時(shí)，設(shè)計(jì)了濾波與隔離電路來(lái)保證信號(hào)正常傳輸。另外，通過(guò)特種設(shè)計(jì)保證了線路頻響和探頭的可靠性。

2 工藝設(shè)計(jì)

工藝流程圖見(jiàn)圖5。

圖5 工藝流程圖Fig 5 Process flow diagram

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 電路頻響測(cè)試結(jié)果

在電路開(kāi)路端，輸入正弦信號(hào)，幅度為20 mV，增益100倍，水聽(tīng)器電路的測(cè)試結(jié)果如詳見(jiàn)表1與表2。

從測(cè)試結(jié)果可看出:在20 Hz～10 kHz頻段，低頻有一定的衰減，水聽(tīng)器靈敏度在頻帶內(nèi)的不平坦度要求不大于3 dB，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 電路頻響測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab 1 Frequency response test data tables of the circuit board

3.2 探頭頻響測(cè)試

對(duì)一體化標(biāo)量水聽(tīng)器進(jìn)行敏感探頭頻響測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 阻抗分析測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果Fig 6 Test results of the impedance analyzing tester

由圖6可看出:一體化標(biāo)量水聽(tīng)器探頭部分的諧振頻率在40 kHz，由理論分析，本文提出的一體化標(biāo)量水聽(tīng)器的頻響上限可以到10 kHz左右。

3.3 水聽(tīng)器性能測(cè)試結(jié)果

本文提出的一體化標(biāo)量水聽(tīng)器在國(guó)家一級(jí)水聲計(jì)量站715所進(jìn)行了樣品測(cè)試，水聽(tīng)器的靈敏度在-158 dB以上，頻響大于10 kHz，不平坦度小于3 dB，測(cè)試結(jié)果良好，電路增益40 dB，與設(shè)計(jì)參數(shù)匹配吻合。1號(hào)樣品和2號(hào)樣品的接收靈敏度曲線如圖7，圖8所示。

圖7 1號(hào)樣品的接收靈敏度曲線Fig 7 Receiving sensitivity curve of sample 1

圖8 2號(hào)樣品的接收靈敏度曲線Fig 8 Receiving sensitivity curve of sample 2

4 結(jié)論

本文提出的本一體化標(biāo)量水聽(tīng)器通過(guò)取2個(gè)變量的最佳平衡點(diǎn)、在電路部分增大增益、改善工藝環(huán)節(jié)等方法實(shí)現(xiàn)了小體積、大靈敏度，通過(guò)多次測(cè)試，驗(yàn)證了方法的有效性。本文提出的一體化標(biāo)量水聽(tīng)器采用了優(yōu)化結(jié)構(gòu)和低頻電路設(shè)計(jì)，使傳感器具備了低頻測(cè)試能力，解決了水聲類傳感器的低頻測(cè)試問(wèn)題。

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［3］Wong K T，Chi Hoiming.Beam patterns of an underwater acoustic vector hydrophone located away from any reflecting boundary［J］.IEEE Journal of Engineering，2002，27(3):628-637.

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