諧振式高靈敏度矢量水聽(tīng)器設(shè)計(jì)

李起棟， 李金平， 陳麗潔， 張 鵬， 趙異凡， 魏鴻雁

0 引 言

隨著水聲探測(cè)與反探測(cè)的發(fā)展，特別是多數(shù)潛艇采用消聲瓦之后，聲吶的工作頻率要求越來(lái)越低，這為受到聲學(xué)基陣尺寸、重量和造價(jià)嚴(yán)格限制的聲納系統(tǒng)帶來(lái)了極大的困難。為了能夠在低頻、小尺度陣形下獲得一定的空間增益，且能給出水下目標(biāo)精確的方位信息，矢量水聽(tīng)器是一種最佳的選擇[1～3]。矢量水聽(tīng)器具有寬帶、一致的偶極子指向性及低頻小尺寸等特點(diǎn)[4]；在水聲測(cè)量系統(tǒng)中，采用矢量水聽(tīng)器可提高系統(tǒng)的抗干擾能力和線(xiàn)譜檢測(cè)能力[5，6]。從能量檢測(cè)的角度講，采用矢量水聽(tīng)器可提高系統(tǒng)的抗各向同性噪聲的能力，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)多目標(biāo)的識(shí)別等，因此，矢量水聽(tīng)器的研究工作受到國(guó)內(nèi)外極大重視[7～9]。目前，矢量水聽(tīng)器亟需解決大靈敏度、甚低頻檢測(cè)、小型化等幾個(gè)問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)了一種諧振式高靈敏度矢量水聽(tīng)器，采用多器件共用結(jié)構(gòu)及諧振檢測(cè)設(shè)計(jì)，具有小型化、低頻高靈敏度測(cè)量特點(diǎn)，能夠提升水聲信號(hào)的探測(cè)能力。

1 矢量水聽(tīng)器工作機(jī)理

1.1 聲學(xué)理論

聲場(chǎng)中描述某點(diǎn)的傳播特性[10,11]可以用以下參數(shù)衡量:聲壓、振速、聲強(qiáng)等。

聲壓為

p(r,t)=p0ej(ωt-kr)

(1)

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為

v(r,t)=v0ej(ωt-kr)

(2)

聲強(qiáng)為

(3)

式中p為聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)聲壓；v為聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

聲場(chǎng)中描述某點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性又有另外一些參數(shù)衡量，如質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、加速度和位移。已知描述聲場(chǎng)傳播特性和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性的參數(shù)及之間的關(guān)系，即可更進(jìn)一步了解傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。因此，可以根據(jù)聲信號(hào)幅度特點(diǎn)、頻率范圍等特點(diǎn)選擇適宜的一次測(cè)量參數(shù)及測(cè)量傳感器，通過(guò)變換可以間接實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源的探測(cè)需求，即使聲測(cè)量效果最大化。

聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲傳播特性與質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特性間通過(guò)聲阻抗聯(lián)系。由聲學(xué)理論基礎(chǔ)可知，聲壓p和質(zhì)點(diǎn)振速v的比值稱(chēng)為介質(zhì)的聲阻抗

Z=p/v

(4)

由聲學(xué)理論基礎(chǔ)可得

Z=ρc

(5)

式中ρ為介質(zhì)的平均密度；c為聲波的傳播速度。

聲場(chǎng)中某質(zhì)點(diǎn)的位移、振速、加速度三者曲線(xiàn)變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 質(zhì)點(diǎn)的位移、振速、加速度三者之間關(guān)系

1.2 矢量水聽(tīng)器模型分析

矢量水聽(tīng)器傳感機(jī)理模型如圖2所示，可分解為3個(gè)模型:由中心質(zhì)量與彈性梁組成的二階振動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)慣性質(zhì)量敏感加速度信號(hào)，并將加速度的變化轉(zhuǎn)化為彈性梁的位移變化；位移傳遞模型，即將彈性梁的位移變化轉(zhuǎn)換為十字梁末端的位移變化；由彈性元件構(gòu)成的圓板彎曲振動(dòng)系統(tǒng)，在受外力(位移)作用時(shí)，將外力(位移)轉(zhuǎn)換為彈性元件內(nèi)部的應(yīng)力變化，如果采用壓電陶瓷元件，則可將位移變化變成電荷信號(hào)輸出。

圖2 矢量水聽(tīng)器傳感機(jī)理模型

2 矢量水聽(tīng)器設(shè)計(jì)

2.1 球體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由同振球型矢量水聽(tīng)器的工作原理可知，若聲學(xué)剛性運(yùn)動(dòng)體的幾何尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，即ka?1(k為波數(shù)，a為剛性運(yùn)動(dòng)球體半徑)，則其振速vx，與聲場(chǎng)中心處水質(zhì)點(diǎn)的振速v0幅值之間的關(guān)系為

(6)

由此可以得到矢量水聽(tīng)器的基本設(shè)計(jì)理論，在ka?1時(shí)使球體密度和水介質(zhì)密度相當(dāng)即可得到矢量水聽(tīng)器所在點(diǎn)處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)信息。要求ka?1，即矢量水聽(tīng)器線(xiàn)性尺寸a?λ/6。當(dāng)同振式矢量水聽(tīng)器工作頻率上限為2 kHz時(shí)，波長(zhǎng)為0.75 m，設(shè)計(jì)時(shí)a值應(yīng)小于125 mm。矢量水聽(tīng)器的球體采用上、下殼體過(guò)盈配合方式連接，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)重點(diǎn)考慮密封問(wèn)題。

2.2 矢量通道設(shè)計(jì)

重點(diǎn)為其內(nèi)部拾振傳感器—壓電加速度傳感器的性能設(shè)計(jì)。

(7)

式中Uoc為矢量水聽(tīng)器的輸出開(kāi)路電壓。

圖與自由場(chǎng)電壓靈敏度差值的關(guān)系曲線(xiàn)

1)諧振頻率確定

根據(jù)振動(dòng)傳感器工作原理和矢量水聽(tīng)器的工程應(yīng)用要求，通常加速度傳感器的諧振頻率應(yīng)滿(mǎn)足

f0=(3-5)fH

式中fH為矢量水聽(tīng)器的上限工作頻率。

由此可看出:加速度傳感器的諧振頻率越高，矢量水聽(tīng)器的有效工作頻率范圍越大。要使矢量水聽(tīng)器的上限工作頻率達(dá)到1 kHz，則需要作為內(nèi)部振子的壓電加速度傳感器的諧振頻率應(yīng)為3～5 kHz。

2)傳感器靈敏度確定

由同振型矢量水聽(tīng)器在自由場(chǎng)電壓靈敏度Mp與其在水中的加速度靈敏度之間的關(guān)系，可以得到矢量水聽(tīng)器要求的自由場(chǎng)聲壓靈敏度確定其加速度傳感器的加速度靈敏度之間的關(guān)系，如表1所示,且0 dB=1 V/μPa，頻率為1 kHz。

表1 矢量水聽(tīng)器靈敏度和加速度傳感器電壓靈敏度對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)同振球形矢量水聽(tīng)器分析可知，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要滿(mǎn)足以下3個(gè)條件(拾振條件):

1)矢量水聽(tīng)器的波尺寸足夠小，即ka?1，實(shí)際中一般要求a≤λ/6；

2)矢量水聽(tīng)器的平均密度近似等于介質(zhì)(水或海水)的密度，且質(zhì)量分布均勻；

3)水聽(tīng)器的幾何中心與中心重合，則該矢量水聽(tīng)器置于水下聲場(chǎng)中時(shí)呈中性浮力狀態(tài)，其振動(dòng)幅值、相位與水中質(zhì)點(diǎn)保持一致，從而有效拾取水中質(zhì)點(diǎn)振速或加速度矢量。

根據(jù)上述條件，設(shè)計(jì)矢量水聽(tīng)器的外形尺寸Ф(110±5)mm，高(100±5)mm，設(shè)計(jì)帶寬5 Hz～1 kHz。

矢量水聽(tīng)器的材料選擇，慣性質(zhì)量塊采用鎢合金材料，重量較大，提高了矢量水聽(tīng)器的靈敏度。敏感元件采用PZT—5型壓電陶瓷薄圓片，尺寸為Ф14 mm×0.4 mm。采用壓電敏感元件，利用壓電原理進(jìn)行力/電轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行前端信號(hào)處理。考慮應(yīng)用實(shí)際工況，采用中心質(zhì)量設(shè)計(jì)以保證質(zhì)心與幾何中心相合。為了得到較高的靈敏度，敏感元件采用串聯(lián)連接方式，電荷相等、電壓相加、電容值減小，相應(yīng)地傳感器時(shí)間常數(shù)減小，電壓靈敏度增大，連接方式如圖4所示。

圖4 敏感元件及電氣連接示意

矢量水聽(tīng)器的密封采用多個(gè)突臺(tái)結(jié)構(gòu)的過(guò)盈配合，其過(guò)盈配合的殼體采用軟鋁。海洋中常有渦流、旋渦等形式存在，過(guò)盈配合可防止金屬殼體之間松動(dòng)，給浮標(biāo)的安全性、可靠性帶來(lái)一定的技術(shù)保障。矢量水聽(tīng)器的引線(xiàn)采用錐形孔將內(nèi)部導(dǎo)線(xiàn)引出，錐形膠皮塞將錐形孔密封，在外界壓力下進(jìn)行自密封。矢量水聽(tīng)器密封后實(shí)物如圖5所示。

圖5 密封后矢量水聽(tīng)器

3 性能測(cè)試

矢量水聽(tīng)器設(shè)計(jì)工作頻率為10～300 Hz。對(duì)矢量水聽(tīng)器在一級(jí)計(jì)量站進(jìn)行聲性能測(cè)量。水下測(cè)試中接收靈敏度測(cè)量采用駐波場(chǎng)比較法，主要對(duì)矢量水聽(tīng)器的聲壓靈敏度測(cè)量，測(cè)量的不確定度U=1.5 dB。矢量水聽(tīng)器的接收靈敏度達(dá)到了-196 dB(100 Hz)。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的矢量水聽(tīng)器是在缺乏技術(shù)資料下，進(jìn)行的首次研制。通過(guò)測(cè)試結(jié)果證明了采用本文設(shè)計(jì)方法的可行性。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)矢量水聽(tīng)器不僅低頻靈敏度高而且可靠性高。但在制作中工藝控制存在缺陷，使x，y矢量通道同一頻率下接收靈敏度有差值。但總體趨勢(shì)符合基本聲壓靈敏度曲線(xiàn)每倍頻程6 dB的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論基本相符。在工程應(yīng)用方面，若矢量水聽(tīng)器能克服如工藝控制等缺陷問(wèn)題，則該技術(shù)將會(huì)得到水聲領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)國(guó)家的軍事裝備和經(jīng)濟(jì)建設(shè)也將會(huì)產(chǎn)生不可估量的作用。

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