可剛性固定組合矢量水聽器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與響應(yīng)分析*

謝 攀 謝志強(qiáng)

(91388部隊(duì)93分隊(duì) 湛江 524022)

可剛性固定組合矢量水聽器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與響應(yīng)分析*

謝 攀 謝志強(qiáng)

(91388部隊(duì)93分隊(duì) 湛江 524022)

設(shè)計(jì)一種可剛性固定的組合矢量水聽器,敘述其基本設(shè)計(jì)方法；建立中心固定式振速水聽器的等效電路模型,詳細(xì)推導(dǎo)其接收響應(yīng)表達(dá)式,并與傳統(tǒng)框架懸掛式振速水聽器進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明,在設(shè)定的工作頻帶內(nèi),該組合矢量水聽器可實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)中聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速信息的測(cè)量；其振速輸出響應(yīng)與入射聲波頻率無關(guān),主要受柔性材料阻尼、壓電敏感材料物理參數(shù)影響,響應(yīng)特征較傳統(tǒng)框架懸掛式振速水聽器有本質(zhì)差別。

組合矢量水聽器; 振速水聽器; 接收響應(yīng)

1 引言

水下聲波同時(shí)包含標(biāo)量信息和矢量信息,傳統(tǒng)聲壓水聽器只能拾取標(biāo)量信息,而無法測(cè)量矢量信息。組合矢量水聽器兼有聲壓通道和振速通道,可同步共點(diǎn)測(cè)量聲場(chǎng)中標(biāo)量與矢量信息[1],拓寬信號(hào)處理空間,提高低頻指向性與信號(hào)處理增益,受到水聲界的普遍重視[2～3]。本文依據(jù)壓電加速度計(jì)的振動(dòng)特性,結(jié)合壓電圓管聲壓水聽器的特點(diǎn)[4],設(shè)計(jì)了一種可剛性固定安裝的組合矢量水聽器,并分析了它的質(zhì)點(diǎn)振速響應(yīng)特性。

2 水聽器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

將壓電加速度計(jì)簡化為由集中阻尼器C、彈簧K和集中質(zhì)量m構(gòu)成的二階單自由度系統(tǒng),通過研究其頻率特性,獲得新型懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。如圖1所示,傳感器感受到振動(dòng)體加速度時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程式為

(1)

式中,y為殼體的絕對(duì)位移,x為質(zhì)量塊的絕對(duì)位移。

圖1 加速度計(jì)簡化模型

令ωn和ζ分別表示加速度計(jì)固有頻率和阻尼比,y0表示殼體的位移幅值,ω表示殼體的振動(dòng)角頻率,Ur表示該振動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)位移的幅值,可求得壓電加速度計(jì)的幅頻特性表達(dá)式及其對(duì)應(yīng)曲線為

(2)

圖2 加速度計(jì)外殼與內(nèi)部質(zhì)量塊相對(duì)位移幅頻特性曲線(ζ=0.1)

可見當(dāng)外殼振動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于系統(tǒng)共振頻率時(shí),系統(tǒng)慣性鎖死,內(nèi)部質(zhì)量塊相對(duì)外部激勵(lì)而言將保持原地不動(dòng)。

由此可考慮用剛性支柱代替加速度計(jì)內(nèi)部質(zhì)量塊,并將水聽器通過支柱與工作平臺(tái)相連。

2.2 結(jié)構(gòu)與原理

組合矢量水聽器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。徑向極化的壓電圓管滿足中性浮力,以保證其振動(dòng)與所排開水柱振動(dòng)相同,用于拾取聲壓信息；柔性材料層使用柔順系數(shù)大的橡膠材料；內(nèi)殼使用剛性金屬材料；內(nèi)殼通過四塊對(duì)稱的壓電陶瓷元件固定于中心支柱之上。

圖3 組合矢量水聽器結(jié)構(gòu)示意圖

工作時(shí),水聽器通過中心支柱安裝于工作平臺(tái)之上。在聲波激勵(lì)下,壓電圓管便產(chǎn)生與周圍水質(zhì)點(diǎn)同幅同相的振動(dòng),同時(shí)柔性材料層將該振動(dòng)傳遞給內(nèi)殼,并耦合到壓電元件上,壓電元件內(nèi)外表面便產(chǎn)生了比例于中性浮力外殼振動(dòng)的電信號(hào)。同樣,此電信號(hào)也與周圍水質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)成比例。

3 接收響應(yīng)理論分析

不同工作方式與電氣連接的陶瓷元件,其靈敏度的計(jì)算方法不同。對(duì)于本文中的組合矢量水聽器,其聲壓水聽器靈敏度與普通徑向極化壓電圓管聲壓水聽器相同[5～6],此處不再贅述,重點(diǎn)研究振速水聽器接收響應(yīng)。

不考慮壓電圓管的電壓輸出,建立振速水聽器一維通道簡化模型(圖4)。其中,vs、vy和vn分別表示水質(zhì)點(diǎn)、壓電圓管和內(nèi)殼的振速,my、mn、ms和mi分別表示壓電圓管質(zhì)量、內(nèi)殼質(zhì)量、水聽器排開水柱質(zhì)量和共振質(zhì)量,k,R,kp和Rp分別表示柔性材料層和壓電元件的剛度和阻尼,此處Fs≈jω(ms+mi)vs表示入射聲波對(duì)水聽器的激勵(lì)[7]。壓電元件為3-3極化模式,機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù):

(3)

圖4 振速水聽器一維通道簡化模型

圖5 振速水聽器一維通道等效電路圖

分析振速水聽器的響應(yīng)特性,一般通過研究其等效電路模型而獲得接收響應(yīng)表達(dá)式[8～9]。如圖5所示,其動(dòng)力學(xué)回路方程為

(4)

令σ=ms+mi,ε=mi+my,帶入式(4)可得

(5)

其中,S1=R+k/jω+jωε,S12=-R-k/jω,S2=R+k/jω+jωμ。

由此可求得內(nèi)、外殼體與水質(zhì)點(diǎn)振速的比值關(guān)系為

(6)

輸出電壓為

(7)

將式(3)帶入式(7),可得振速通道對(duì)于水介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速的電壓響應(yīng)為

(8)

彈性懸掛系統(tǒng)的固有共振頻率決定振速水聽器的工作頻率下限ωl[10],此處由柔性材料層和水聽器排開水柱質(zhì)量及共振質(zhì)量決定。壓電元件作為一種彈性材料,與內(nèi)部殼體耦合產(chǎn)生高頻共振,決定水聽器的工作頻率上限ωh。兩個(gè)限制頻率,見式(9)。

(9)

由于水聽器外殼滿足中性浮力特征,所以當(dāng)入射聲波頻率ω滿足水聽器工作頻率,即ωl=ω=ωh時(shí),壓電圓管的運(yùn)動(dòng)能夠準(zhǔn)確反映周圍水介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息,即有vy/vs≈1,將其帶入式(8)可得

(10)

又由式(6)可知

(11)

將S12=-R-k/jω,S2=R+k/jω+jωμ帶入式(11)展開,利用代數(shù)運(yùn)算,刪減在工作頻段內(nèi)對(duì)輸出響應(yīng)貢獻(xiàn)較小的量,進(jìn)一步化簡得

(12)

帶入式(10)可得在工作頻率范圍內(nèi)振速通道電壓響應(yīng)表達(dá)式為

(13)

4 接收響應(yīng)對(duì)比分析

4.1 框架懸掛式振速水聽器接收響應(yīng)

給出框架懸掛式振速水聽器簡化模型(圖6),建立對(duì)應(yīng)的等效電路模型(圖7)。其中,vw和vm分別表示外殼和質(zhì)量塊的振速,mb和mn分別表示殼體和質(zhì)量塊質(zhì)量,kp和Rp分別表示壓電元件的剛度和阻尼。

圖6 框架懸掛式振速水聽器簡化模型

圖7 框架懸掛式振速水聽器等效電路模型

回路方程:

(14)

運(yùn)用與第3節(jié)相同的計(jì)算方法可求得框架懸掛式振速水聽器電壓響應(yīng)表達(dá)式為

(15)

由此可知,對(duì)于傳統(tǒng)框體懸掛式振速水聽器,壓電元件物理參數(shù)及聲波入射頻率是影響振速通道接收響應(yīng)的主要因素。當(dāng)壓電元件確定時(shí),其輸出電壓將隨入射聲波頻率的升高而增大。

4.2 性能分析

比較中心固定式振速水聽器及傳統(tǒng)框架懸掛式振速水聽器對(duì)質(zhì)點(diǎn)振速的響應(yīng)分析,可知它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)及接收性能方面差異較大,具體表現(xiàn)為:

1) 結(jié)構(gòu)及所測(cè)物理量

中心固定式水聽器工作時(shí),聲波作用于“敏感質(zhì)量塊”(即壓電圓管)上,其測(cè)量的本質(zhì)是內(nèi)殼的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)；框體懸掛式水聽器則是“殼體”受力,測(cè)量的本質(zhì)是“殼體”與“敏感質(zhì)量塊”的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2) 柔性元件

根據(jù)等效電路模型(圖5、圖7)可知,中心固定式水聽器壓電元件和柔性材料層以并聯(lián)的方式相連,這使得水聽器對(duì)質(zhì)點(diǎn)振速的接收響應(yīng)受到柔性材料層及壓電元件參數(shù)的影響；而框體懸掛式水聽器柔性元件與壓電元件串聯(lián),這消除了兩者的耦合作用。即框體懸掛式水聽器在測(cè)量質(zhì)點(diǎn)振速時(shí),受到的外部干擾更少,比中心固定式水聽器的測(cè)量結(jié)果及性能更加穩(wěn)定。

3) 接收靈敏度

根據(jù)水聽器的質(zhì)點(diǎn)振速響應(yīng)表達(dá)式(13)和(15)可知,在工作頻帶內(nèi),中心固定式水聽器對(duì)質(zhì)點(diǎn)振速的接收靈敏度與頻率無關(guān)；框架懸掛式水聽器的接收靈敏度隨著入射頻率升高而升高,適合高頻工作。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種可剛性固定的組合矢量水聽器,它由壓電圓管聲壓水聽器和中心固定式振速水聽器構(gòu)成,運(yùn)用等效電路法詳細(xì)推導(dǎo)了振速水聽器的接收響應(yīng)表達(dá)式,并與傳統(tǒng)框架懸掛式振速水聽器接收響應(yīng)特征進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明: 1) 該組合矢量水聽器的振速輸出響應(yīng)與入射聲波頻率無關(guān),主要受柔性材料阻尼、壓電敏感材料物理參數(shù)影響,柔性材料和壓電陶瓷材料的剛度也有一定的調(diào)節(jié)作用,但效果有限； 2) 中心固定式振速水聽器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與響應(yīng)特征較傳統(tǒng)框架懸掛式振速水聽器有本質(zhì)差別； 3) 在設(shè)定的工作頻帶內(nèi),該型組合矢量水聽器能夠?qū)崿F(xiàn)聲壓信號(hào)與振速信號(hào)的測(cè)量。

該組合矢量水聽器通過振速水聽器的中心支柱固定安裝,在保證振速測(cè)量的同時(shí),拋開了傳統(tǒng)框架懸掛系統(tǒng)的限制,使得安裝更加方便,有效減小了水聽器整體尺寸；采用壓電圓管測(cè)量聲壓,而無需額外使用聲壓水聽器,進(jìn)一步簡化了組合矢量水聽器結(jié)構(gòu)及尺寸。但是該組合水聽器要求敏感元件裝配一致,對(duì)制作工藝要求較高,因此工程化應(yīng)用需要進(jìn)一步優(yōu)化其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

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Structural Design and Receiving Response Research of A Rigid Fixed Combined Vector Hydrophone

XIE Pan XIE Zhiqiang

(Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

A combined vector hydrophone is designed, which can be fixed by the equivalent circuit method, the basic design method is described, the equivalent circuit model of the center fixed velocity hydrophone is built. And the response expression of the vibration velocity hydrophone is derived. Comparative analysis is carried out with the traditional frame suspension velocity hydrophone. The results show that in the setting of the band, the combination of the vector hydrophone can measure the sound pressure and particle velocity information, the velocity output response has nothing to do with the incident wave frequency, mainly by the flexible material damping and the influence of piezoelectric sensitive material physical parameters, the response characteristics compared with the traditional frame suspension velocity hydrophone has essential difference.

combined vector hydrophone, vibration velocity hydrophone, receiving response

TB565

2016年9月8日,

2016年10月17日

謝攀,男,碩士,助理工程師,研究方向:水下靶標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。謝志強(qiáng),男,碩士,工程師,研究方向:水下靶標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

TB565

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.031