水下無人航行器聲學(xué)系統(tǒng)實(shí)收實(shí)發(fā)聲隔離度分析研究

趙龍龍

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水下無人航行器聲學(xué)系統(tǒng)實(shí)收實(shí)發(fā)聲隔離度分析研究

趙龍龍

(廣東湛江91388部隊(duì)，廣東湛江524022)

對某水下無人航行器聲學(xué)系統(tǒng)在特定間距及頻段條件下實(shí)收實(shí)發(fā)聲隔離度進(jìn)行了分析研究。在分析某水下無人航行器載體基本結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，通過ANSYS有限元建模仿真軟件，對航行器聲學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)收實(shí)發(fā)的指向性和隔離度進(jìn)行了仿真計(jì)算，并在消聲水池對航行器聲學(xué)系統(tǒng)實(shí)收實(shí)發(fā)隔離度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。研究結(jié)果表明，收發(fā)間距為3 m時具有一定的收發(fā)隔離度，若對隔離度有更高要求，則需采取調(diào)整收發(fā)換能器間距或?qū)邮账犉骷友b吸聲障板等技術(shù)措施，可為水下無人航行器聲學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)實(shí)收實(shí)發(fā)提供技術(shù)支持。

水下無人航行器；水聲；實(shí)收實(shí)發(fā)；聲隔離度

0 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，水下無人航行器(Underwater Unmanned Vehicle，UUV)自身具備的能力越來越強(qiáng)，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。作為一個成熟的水下機(jī)動搭載平臺，水下無人航行器可以搭載不同設(shè)備，完成所賦予的各種水下使命任務(wù)。如美國海軍已裝備了數(shù)百條執(zhí)行各種任務(wù)的水下無人航行器，作為其水面艦艇、潛艇的“助手”實(shí)施水下作戰(zhàn)[1]。

在水下活動式聲學(xué)模擬裝置的設(shè)計(jì)使用中，水下無人航行器可搭載不同功能的水聲換能器，用于模擬水下目標(biāo)的聲學(xué)特性。由于水下環(huán)境的復(fù)雜性和航行器自噪聲的影響，在載體上通過換能器實(shí)現(xiàn)水聲信號實(shí)收實(shí)發(fā)并達(dá)到較好的聲隔離度與指向性指標(biāo)，還需要開展深入細(xì)致的研究。所謂實(shí)收實(shí)發(fā)技術(shù)[2-3]，即在聲學(xué)系統(tǒng)發(fā)射回波信號的同時接收主動探測信號，另外某些聲學(xué)系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上同時一直發(fā)射模擬噪聲。實(shí)收實(shí)發(fā)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)在發(fā)射應(yīng)答信號時，不關(guān)閉接收機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)在正常發(fā)射回波信號的同時測量來襲目標(biāo)的信號頻率。該技術(shù)一般應(yīng)用于“智能型”聲誘餌的工程實(shí)現(xiàn)。聲隔離度定義為聲學(xué)系統(tǒng)中接收換能器接收到信號的聲源級(dB)與系統(tǒng)發(fā)射信號聲源級(dB)的差值，用表示，其表達(dá)式為：=1－2，其中1為聲學(xué)系統(tǒng)接收端換能器接收到的來襲目標(biāo)主動信號聲源級，2為聲學(xué)系統(tǒng)發(fā)射的回波信號聲源級。聲隔離度主要受收發(fā)距離、發(fā)射及接收換能器的指向性、信號處理方法等因素影響。

本文在分析某水下無人航行器聲學(xué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，通過ANSYS有限元建模仿真軟件，對航行器聲學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)收實(shí)發(fā)的指向性和聲隔離度進(jìn)行了仿真計(jì)算，并在消聲水池對航行器實(shí)收實(shí)發(fā)隔離度進(jìn)行了等效模型實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果可為水下無人航行器聲學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)實(shí)收實(shí)發(fā)提供支持。

1 水下無人航行器收發(fā)結(jié)構(gòu)

某水下無人航行器外形及收發(fā)換能器安裝布置示意圖如圖1所示。

圖1 水下無人航行器換能器布置示意圖

為在水下無人航行器載體上實(shí)現(xiàn)對水聲信號的實(shí)收實(shí)發(fā)，同時考慮尾部載體推進(jìn)噪聲的影響，在頭部布置接收換能器，尾部布置發(fā)射換能器。在考慮航行器載體功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，兩者之間的間距盡量增大，載體本體具備一定的聲隔離性，但在載體上實(shí)現(xiàn)實(shí)收實(shí)發(fā)功能的聲隔離效果能否達(dá)到相關(guān)要求，還需通過仿真及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究分析。

2 聲隔離建模仿真

2.1 仿真軟件

ANSYS有限元軟件是目前比較流行的有限元分析軟件之一，它能解決工程中諸多學(xué)科的形形色色的實(shí)際問題，功能非常全面，如結(jié)構(gòu)力學(xué)、電磁場、流體力學(xué)、熱學(xué)、耦合場(多種物理場之間的相互耦合)等問題[4]。與換能器設(shè)計(jì)的有關(guān)問題主要是結(jié)構(gòu)分析、流體-結(jié)構(gòu)耦合分析、壓電耦合分析，有時候還需用到電磁場分析、熱分析等功能。用ANSYS軟件進(jìn)行聲學(xué)仿真的步驟如圖2所示。

2.2 有限元模型

分析無人水下航行器收發(fā)換能器安裝使用位置，簡化分析對象，采用ANSYS仿真軟件，在APDL (ANSYS Parametric Design Language)方式下進(jìn)行二維對稱建模[4-5]，可建立如圖3所示的聲隔離仿真模型，圖3(a)為二維圖，圖3(b)為網(wǎng)格化后的有限元分析模型。

圖2 ANSYS軟件進(jìn)行聲學(xué)仿真一般步驟

(a) 二維圖???? (b) 有限元模型

圖3中，假定接收指向性圓弧與換能器的距離為3 m，殼體距測試點(diǎn)為0.22 m，以模擬水下無人航行器的收發(fā)換能器布置條件。

2.3 仿真數(shù)據(jù)

經(jīng)ANSYS有限元仿真分析，假定信號頻段為14～38 kHz，仿真分析聲障板對接收指向性的影響如圖4所示。

由圖4可知，隨著頻率的升高，聲障板對接收換能器的指向性影響增大。通過仿真結(jié)果可以看出，在14～38 kHz范圍內(nèi)，聲學(xué)隔離度在17～24 dB左右。但仿真是在理想情況下，發(fā)射不受任何干擾，實(shí)際使用中發(fā)射換能器在航行器載體上，接收器在前方的透聲罩內(nèi)，受到透聲罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，指向性開角及起伏具有很大的不確定性。

(a)14 kHz???? (b)16 kHz

(c)18 kHz ????(d)22 kHz

(e)26 kHz????(f)30 kHz

(g)34 kHz????(h)38 kHz

圖4 不同頻點(diǎn)聲障板對接收指向性的影響

Fig.4 The effects of acoustical baffle on reception directivity at different frequency spots

3 聲隔離水池實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)布置

在進(jìn)行仿真建模分析后，利用現(xiàn)有條件在水池開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[6-7]，水池布置示意圖如圖5所示。

圖5中消聲水池尺寸為10 m(寬)×23 m(長)×8 m(深)。使用水池自動化測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器、信號源、功率放大器、濾波器、發(fā)射換能器、標(biāo)準(zhǔn)水聽器等構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5所示。

圖5 聲隔離水池實(shí)驗(yàn)布置示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

按圖5所示的實(shí)驗(yàn)布置，將聲障板通過夾具固定在水池旋轉(zhuǎn)裝置上，水聽器安裝布置與仿真條件相同，即其在距障板前端面中軸線0.22 m處，水聽器及發(fā)射換能器布放在水池中相距3 m，水深為3 m，從而模擬在航行器載體上的換能器布置。信號源經(jīng)功放和發(fā)射換能器發(fā)射頻率范圍為14～38 kHz的正弦連續(xù)信號，接收水聽器圍繞發(fā)射換能器以3 m半徑旋轉(zhuǎn)，接收信號并經(jīng)濾波器濾波放大后送入水池自動化測試系統(tǒng)。對14～38 kHz寬頻帶換能器指向性進(jìn)行測量，主要測量結(jié)果如圖6所示。

圖6中340°方向?yàn)槁曊习遢S線頭部方向，160°為障板軸線尾部朝向方向。

(a)14 kHz ????(b)16 kHz

(c)18 kHz????(d)22 kHz

(e)26 kHz????(f)30 kHz

(g)34 kHz????(h)38 kHz

圖6 接收水聽器不同頻率點(diǎn)的指向性

Fig.6 The directivities of receiving hydrophone at different frequency spots

3.3 數(shù)據(jù)分析

(1) 單獨(dú)考慮接收水聽器在障板影響下的指向性，在14～38 kHz帶寬內(nèi)，指向性隨頻率變化而變化。接收水聽器既要保證在正橫方向較寬開角，又要在14～38 kHz寬頻帶內(nèi)與發(fā)射換能器具有高隔離度是較困難的。

(2) 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，發(fā)射換能器與水聽器在14～38 kHz寬帶內(nèi)，聲學(xué)隔離度為15～19 dB左右。若發(fā)射換能器指向性在14～38 kHz寬帶內(nèi)具有8～10 dB的指向性隔離度，那么系統(tǒng)隔離度大約在23～29 dB。

(3) 接收水聽器指向性在反聲障板影響下隨頻率變化，起伏較大，部分頻率點(diǎn)起伏大于9 dB，會導(dǎo)致航行器載體模擬水下目標(biāo)強(qiáng)度的誤差較大。

4 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對

4.1 數(shù)據(jù)比對圖

對仿真及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成的仿真及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比圖如圖7所示，其中紅線為仿真數(shù)據(jù)，藍(lán)線為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)比對分析

(1) 通過仿真與實(shí)驗(yàn)聲隔離仿真數(shù)據(jù)顯示，在14～38 kHz范圍內(nèi)，聲學(xué)隔離度在17～24 dB左右。而在實(shí)際測試中，發(fā)射換能器與水聽器在14～38 kHz寬帶內(nèi)，聲學(xué)隔離度在15～19 dB左右。

(a)14 kHz????(b)16 kHz

(c)18 kHz????(d)22 kHz

(e)26 kHz ????(f)30 kHz

(g)34 kHz????(h)38 kHz

圖7 聲隔離仿真及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比圖

Fig.7 The collation map of acoustic isolation simulation and experimental data

(2) 仿真和試驗(yàn)中聲障板對接收的影響趨勢相似，但是實(shí)際中受到測試條件或其它因素影響，隔離度減弱而且指向性開角更小。單獨(dú)考慮接收水聽器在載體障板影響下的指向性，在14～38 kHz帶寬內(nèi)，接收水聽器既要在航行器正橫方向有較寬的開角，又要在14～38 kHz寬頻帶內(nèi)與發(fā)射換能器具有較高的隔離度是比較困難的。

5 結(jié)論

水下無人航行器載體聲信號實(shí)收實(shí)發(fā)實(shí)現(xiàn)了較好的聲隔離度，對航行器功能的拓展和使用具有重要的作用和意義。結(jié)合某水下無人航行器載體收發(fā)換能器的布置參數(shù)，在特定間距及頻段條件下，對航行器載體實(shí)收實(shí)發(fā)進(jìn)行了ANSYS建模仿真及水池實(shí)驗(yàn)測試。需要指出的是，文中的實(shí)驗(yàn)和有限元模型直接結(jié)果均已包含3 m的距離傳播損失影響。通過比對仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明在該尺度下具有一定的收發(fā)隔離度，若對隔離度有更高要求，則需采取調(diào)整收發(fā)換能器間距或?qū)邮账犉骷友b吸聲障板等技術(shù)措施。

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Analysis of underwater acoustic isolation effect for real-time receiving and sending of UUV acoustic system

ZHAO Long-long

(Unit913888, PLA, Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

The acoustic isolation degree between real-time receiving and sending of an underwater unmanned vehicle is analyzed in the specific separation and frequency range. Based on analyzing the structure characteristics of an underwater unmanned vehicle, underwater acoustic isolation effect for real-time receiving and sending of Underwater Unmanned Vehicle (UUV) acoustic system is simulated by the software ANSYS, and the corresponding isolation testing experiment is carried out in anechoic tank. The results showthat the spacing of 3 meters provides a certain degree of acoustic isolation, if a higher degree of isolation is required, it will be necessary to adjust the distance between receiving and transmitting transducer, or add acoustical baffle for the receiving transducer,or take other technical measures.The results of the research can provide a technical support for the design and implementation of underwater unmanned vehicle acoustic system to achieve real-time receiving and sending.

underwater unmanned vehicle; underwater acoustic; real-time receive and send; acoustic isolation

TB565

A

1000-3630(2017)-03-0228-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.03.006

2016-10-24;

2016-12-12

趙龍龍(1976－), 男, 遼寧本溪人, 碩士, 高級工程師, 研究方向?yàn)樗暪こ獭?/p>

趙龍龍, E-mail: zhao_ll20000@163.com