一種魚雷聲自導(dǎo)仿真信號(hào)耦合對(duì)接裝置設(shè)計(jì)?

（中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)92分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

目前，控制半實(shí)物仿真［1］已經(jīng)較為成熟，魚雷自導(dǎo)仿真一直是魚雷仿真中的技術(shù)難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)目前已實(shí)現(xiàn)的是直接水聲物理場(chǎng)與電子注入式仿真，機(jī)械對(duì)接耦合式仿真方法雖然進(jìn)行了研究并應(yīng)用于魚雷測(cè)試，但制導(dǎo)大回路［2］的半實(shí)物仿真效果還不太理想。如何實(shí)時(shí)生成水聲環(huán)境與目標(biāo)特性信號(hào)并驅(qū)動(dòng)對(duì)接陣實(shí)現(xiàn)仿真直接影響半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)研制的成敗。

本文的對(duì)接裝置設(shè)計(jì)在保證了發(fā)射電壓響應(yīng)在頻帶內(nèi)盡量高、帶內(nèi)響應(yīng)平坦、輻射頭面應(yīng)盡量小的前提下，還采用諧高頻換能器［3］降低了對(duì)接基陣陣元通道間耦合；結(jié)構(gòu)上采用推車實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的移動(dòng)，提高機(jī)動(dòng)性；采用通用化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大和各驅(qū)動(dòng)放大電路板互換，便于故障定位和產(chǎn)品維修。

本文研究的聲自導(dǎo)耦合對(duì)接裝置能夠?qū)崿F(xiàn)與魚雷的聲對(duì)接，能夠以聲信號(hào)的形式向自導(dǎo)系統(tǒng)提供所需要的檢測(cè)信號(hào)，匹配驅(qū)動(dòng)電路能實(shí)現(xiàn)對(duì)接裝置換能器匹配驅(qū)動(dòng)，對(duì)接裝置具有標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、易組合的特點(diǎn)，及工作穩(wěn)定可靠、使用操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)功能及組成

2.1 功能

聲自導(dǎo)耦合對(duì)接裝置是根據(jù)魚雷聲自導(dǎo)聲學(xué)基陣的分布規(guī)律，將仿真的聲自導(dǎo)目標(biāo)與環(huán)境聲信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)一步放大至與實(shí)際信號(hào)接近，驅(qū)動(dòng)魚雷聲自導(dǎo)耦合對(duì)接陣，一一耦合作用于魚雷聲自導(dǎo)聲學(xué)基陣陣元，實(shí)現(xiàn)魚雷聲自導(dǎo)目標(biāo)與環(huán)境信號(hào)的輸入。具體流程如圖1所示。

圖1 對(duì)接裝置工作流程圖

魚雷根據(jù)彈道指令進(jìn)入搜索狀態(tài)后，目標(biāo)/背景信號(hào)生成系統(tǒng)［4］根據(jù)解算出的雷目位置和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以及初始設(shè)定海洋地貌和底質(zhì)、魚雷的聲脈沖發(fā)射參數(shù)，計(jì)算出海洋背景信號(hào)［5］（海面混響、海底混響、體積混響、魚雷自噪聲）及目標(biāo)回波的信號(hào)頻率、強(qiáng)度、回波延時(shí)等，并生成相應(yīng)的數(shù)字時(shí)域信號(hào)，通過自導(dǎo)仿真接口計(jì)算機(jī)進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換后，經(jīng)程控衰減器進(jìn)行多通道同步模擬輸出，按照聲學(xué)裝置各陣元的幾何位置關(guān)系產(chǎn)生各信號(hào)的相位延時(shí)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理放大后將生成的合成等效信號(hào)通過聲自導(dǎo)耦合對(duì)接裝置耦合到魚雷自導(dǎo)頭，模擬魚雷實(shí)航中在復(fù)雜環(huán)境下接收到的水聲信號(hào)，從而在陸上條件下實(shí)現(xiàn)魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)海上工作過程的半實(shí)物仿真。

2.2 組成

聲自導(dǎo)耦合對(duì)接裝置由推車、加載裝置，雷頭對(duì)準(zhǔn)裝置、聲學(xué)對(duì)接陣、驅(qū)動(dòng)裝置等組成，系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖2 對(duì)接裝置組成圖

推車用于安裝加載裝置、聲學(xué)對(duì)接陣、雷頭對(duì)準(zhǔn)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置等部件，底部有腳輪，前部有把手，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的移動(dòng)，提高系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性；加載裝置用于聲學(xué)對(duì)接陣與雷頭對(duì)準(zhǔn)裝置的力加載，端部有可與扭矩扳手配合的六角形接頭，滿足每次加載扭矩的穩(wěn)定施加；雷頭對(duì)準(zhǔn)裝置用于安裝仿真產(chǎn)品，底部有對(duì)準(zhǔn)裝置，安裝雷頭的基座安裝在軌道槽中，可進(jìn)行平移，以滿足對(duì)準(zhǔn)要求；驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部包括設(shè)備供電電源、驅(qū)動(dòng)放大電路、交流風(fēng)扇等。

3 對(duì)接陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 加載裝置

加載裝置由圍框、光軸、直線軸承、螺紋軸、螺母、扭矩扳手加載端、聲學(xué)對(duì)接陣聯(lián)接端構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 加載裝置結(jié)構(gòu)示意圖

其中螺紋軸和螺母產(chǎn)生對(duì)接時(shí)的加載扭矩，螺紋軸端有與扭矩扳手聯(lián)接的加載端，加載端設(shè)計(jì)為正六邊形，滿足扭矩扳手的扭矩施加及測(cè)量；光軸在螺紋軸下側(cè)安裝，一端通過安裝板與螺紋軸配合的螺母剛性聯(lián)接，另一端安裝聲學(xué)對(duì)接陣聯(lián)接端，使其隨螺母進(jìn)行穩(wěn)定平移，對(duì)對(duì)接陣進(jìn)行耦合施力；圍框作為加載支撐使加載系統(tǒng)剛性固聯(lián)，并與運(yùn)載小車聯(lián)接，最后用扭矩扳手可在扭矩扳手加載端進(jìn)行加載。

3.2 雷頭對(duì)準(zhǔn)裝置

雷頭對(duì)準(zhǔn)裝置用于安裝仿真產(chǎn)品，底部有支撐裝置，支撐裝置可進(jìn)行平移，在左右及前后兩個(gè)方向的調(diào)整自由度，滿足對(duì)準(zhǔn)要求。由前支撐裝置、后支撐裝置，定位加載裝置、仿真產(chǎn)品等構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 雷頭對(duì)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

支撐裝置為滾輪結(jié)構(gòu)，安裝在導(dǎo)軌中，調(diào)節(jié)兩個(gè)后支撐之間間距可進(jìn)行產(chǎn)品的高低調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)各支撐的安裝位置可進(jìn)行前后位置的調(diào)節(jié)。前、后支撐的互相調(diào)節(jié)能夠使仿真產(chǎn)品安裝好后進(jìn)行垂直方向和高度方向的調(diào)整，以對(duì)準(zhǔn)基準(zhǔn)裝置保證雷頭與聲學(xué)基陣進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。

定位加載裝置與仿真產(chǎn)品外殼表面有圓弧面配合，與仿真產(chǎn)品的外端圓柱面的外圓柱面進(jìn)行配合，加工精度為7級(jí)精度，公差帶為0.057mm，仿真產(chǎn)品外圓加工公差帶為0.14mm，加載裝置中定位光軸采用6級(jí)精度光軸，其公差帶為0.035mm，定位加載裝置與對(duì)接陣外圓柱面在安裝時(shí)有同軸度要求，兩端同軸度設(shè)計(jì)為0.15mm，合成對(duì)接精度為0.28mm，保證了極低的對(duì)接耦合偏差。

3.3 對(duì)接基陣設(shè)計(jì)

聲自導(dǎo)對(duì)接基陣［6］主要完成聲信號(hào)的能量形式轉(zhuǎn)換，將含目標(biāo)信息、混響、干擾、魚雷航行噪聲以及環(huán)境噪聲等在內(nèi)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)形式，通過匹配材料耦合作用于魚雷聲自導(dǎo)聲學(xué)基陣陣元。

1）換能器設(shè)計(jì)

對(duì)接陣換能器性能應(yīng)與魚雷基陣換能器性能相匹配，實(shí)現(xiàn)頻帶內(nèi)電聲信號(hào)轉(zhuǎn)換功能。對(duì)接過程中，收發(fā)換能器采用正對(duì)面接觸，聲波傳輸介質(zhì)依次為發(fā)射換能器輻射面、透聲匹配材料、接收換能器輻射面?；诖寺暯橘|(zhì)，為降低對(duì)接基陣陣元通道間相互耦合度，對(duì)接陣換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)在頻帶內(nèi)應(yīng)盡量高、帶內(nèi)響應(yīng)需平坦、輻射頭面應(yīng)盡量小。對(duì)接陣換能器采用高頻復(fù)合棒換能器［7］形式，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 換能器示意圖

換能器由前輻射頭、壓電陶瓷片、預(yù)應(yīng)力螺桿和后質(zhì)量塊組成。前輻射頭材料為硬鋁，預(yù)應(yīng)力螺桿和后質(zhì)量塊采用45#鋼，壓電陶瓷片為PZT-4型圓環(huán)片狀陶瓷。

2）基陣設(shè)計(jì)

對(duì)接基陣陣型應(yīng)與魚雷聲學(xué)基陣一致。對(duì)接基陣包括對(duì)接換能器、泡沫骨架、鋁質(zhì)外殼和硫化橡膠，如圖6所示。

對(duì)接換能器置于泡沫骨架中，后端通過螺紋結(jié)構(gòu)、軟木墊片、環(huán)氧墊片固定在基陣承壓板上，換能器側(cè)面用軟木橡膠包裹，以降低換能器與泡沫骨架間的耦合?；嚽懊姘宀捎密涃|(zhì)橡膠材料作為透聲匹配材料。泡沫骨架通過定位插銷固定于鋁質(zhì)外殼中，尾部開導(dǎo)線槽，換能器導(dǎo)線穿過泡沫骨架后集中于槽中，并用硅膠進(jìn)行固定。

圖6 對(duì)接基陣結(jié)構(gòu)示意圖

陣元通過篩選陶瓷、結(jié)構(gòu)件，執(zhí)行相同工藝制作，成品經(jīng)過嚴(yán)格篩選，頻帶內(nèi)幅度能夠有較好的一致性，一般不大于±1.5dB。陣元在同一平面上保持高度一致，并保證陣元輻射表面在同一平面內(nèi)，同時(shí)與后端電信號(hào)相匹配，實(shí)現(xiàn)較好的頻帶內(nèi)相位一致性。

3.4 驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)匹配裝置用于對(duì)自導(dǎo)仿真接口計(jì)算機(jī)輸出的多通道模擬信號(hào)進(jìn)行放大，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的自導(dǎo)仿真基陣陣元，驅(qū)動(dòng)匹配裝置的各個(gè)通道增益可調(diào)節(jié)，可對(duì)通道間的幅度不一致進(jìn)行校正。

對(duì)接裝置驅(qū)動(dòng)放大是基于程控衰減器輸入的單端模擬信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)魚雷聲自導(dǎo)耦合對(duì)接陣，實(shí)現(xiàn)魚雷聲自導(dǎo)目標(biāo)與環(huán)境信號(hào)的輸入。

機(jī)箱內(nèi)共7塊尺寸為15mm×25mm的驅(qū)動(dòng)放大電路板，每塊驅(qū)動(dòng)放大電路板有8路驅(qū)動(dòng)放大電路。核心芯片能連續(xù)輸出電流可達(dá)3A，峰值可達(dá)5A；有過熱關(guān)閉功能，電流極限可調(diào)?？晌⒄{(diào)電路中電阻阻值來調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)頻帶內(nèi)幅度一致性，頻帶內(nèi)響應(yīng)起伏可通過調(diào)節(jié)程控衰減器來調(diào)節(jié)。

4 仿真分析

4.1 有限元法

有限元法是近年來國(guó)際上普遍采用的一種換能器分析與設(shè)計(jì)方法［8～10］，該方法以變分原理和剖分插值原理為基礎(chǔ)，將發(fā)射換能器結(jié)構(gòu)按想象劃分成一系列單元，構(gòu)造單元插值函數(shù)將單元內(nèi)部點(diǎn)的狀態(tài)用單元節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的插值函數(shù)來近似描述，于是將發(fā)射換能器的結(jié)構(gòu)分析問題轉(zhuǎn)化成求解單元節(jié)點(diǎn)的代數(shù)方程組問題。

4.2 換能器發(fā)送電壓頻響仿真

選取一組結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要參數(shù)如下：輻射頭采用變截面結(jié)構(gòu)，底層外徑φT=10mm，前端接觸面結(jié)構(gòu)為φT=5mm。壓電陶瓷圓片數(shù)量為4，內(nèi)徑φ1=5mm，外徑φ2=10mm。后質(zhì)量塊材料直徑φB=10mm。換能器總長(zhǎng)度為23mm［11］。

換能器經(jīng)仿真計(jì)算，諧振頻率不小于70kHz。以15kHz～30kHz頻段為例，在該頻段內(nèi)的發(fā)送電壓頻響曲線如圖7所示。

圖7 發(fā)送電壓頻響曲線圖

該頻帶距離換能器諧振頻率較遠(yuǎn)，各頻率輸出響應(yīng)級(jí)最大與最小值之差即為單通道頻帶內(nèi)響應(yīng)起伏，可見，帶內(nèi)響應(yīng)起伏約為3.6dB，在頻帶內(nèi)響應(yīng)較為平坦。

4.3 基陣陣元仿真

成陣后基陣陣元間相對(duì)獨(dú)立，陣元底部與底版連接處設(shè)計(jì)減振軟木；陣元與泡沫骨架之間有適當(dāng)距離的縫隙，陣元之間具有較好的隔振能力，可以有效降低對(duì)接基陣陣元之間的振動(dòng)耦合。當(dāng)對(duì)接基陣工作時(shí)，聲學(xué)對(duì)接基陣用作聲波發(fā)射，僅考慮單陣元工作情況，待測(cè)基陣用作接收基陣。利用有限元軟件ANSYS對(duì)上述工作過程進(jìn)行仿真。如圖8所示。對(duì)接基陣陣元為發(fā)射換能器，接收基陣陣元為兩個(gè)縱陣換能器，換能器間距與實(shí)際陣元間距相同，收發(fā)陣元之間為透聲匹配材料。

圖8 有限元軟件仿真示意圖

在發(fā)射換能器上下表面按照頻帶施加掃頻正弦交變電壓，激勵(lì)換能器產(chǎn)生聲波；聲波經(jīng)過聲介質(zhì)傳輸后作于與接收基陣陣元表面，陣元接收聲波產(chǎn)生電荷。分別提取相鄰兩個(gè)換能器的輸出電荷，計(jì)算可得到兩個(gè)換能器接收聲波的耦合度參數(shù)，如圖9所示。

圖9 相鄰陣元接收隔離度曲線圖

由上圖可以看出，在不同頻率間相鄰陣元隔離度平均有10dB左右，互耦合性不強(qiáng)，能夠保證半實(shí)物仿真試驗(yàn)的順利實(shí)施。但一般情況下，陣元越密集，接收隔離度越差，陣元間越容易互相影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本對(duì)接裝置設(shè)計(jì)處理通道數(shù)多，硬件規(guī)模大，基陣設(shè)計(jì)難度大。采用高頻換能器發(fā)射低頻信號(hào)有效降低了通道間耦合，發(fā)射和接收信號(hào)分別位于機(jī)箱前面板和后面板，有效實(shí)現(xiàn)了收發(fā)信號(hào)線隔離，降低了噪聲影響。