用于水聲通信的矢量水聽器研究

王哲睿,王 燕

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.工業(yè)和信息化部，海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室(哈爾濱工程大學)，黑龍江 哈爾濱 150001；3.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

水聲通信技術利用聲波在水下可以遠距離傳播的特點，通過聲信號在水下對信息進行接收與發(fā)射[1-2]。水聲通信系統(tǒng)中，在發(fā)射端需要能夠將電信號轉換為聲信號的發(fā)射換能器，在接收端需要能夠將聲信號轉換為電信號的接收換能器，接收換能器的性能好壞在一定程度上影響著水聲通信系統(tǒng)的通信質量。為了提高水聲通信系統(tǒng)獲取水下聲信號的能力，因此必須研究開發(fā)新的接收換能器。

水聲通信信號從發(fā)射到接收的過程中，水聲信道對信號的影響不可忽視。隨著頻率的升高，聲信號的能量在水中傳播衰減嚴重，導致水聲信道的傳輸頻帶受限，同時水聲信道屬于不平整雙界面信道，由于界面反射會形成多途效應，使接收端接收到的信號發(fā)生畸變而導致通信的誤碼，限制了水聲通信的發(fā)展[3-6]。目前大部分水聲通信系統(tǒng)都只使用單個傳統(tǒng)的聲壓水聽器或大尺寸的多重空間上分開的陣列聲吶系統(tǒng)去處理復雜多變的水下聲信道，而矢量水聽器能夠同步共點獲取水質點的聲壓和振速信息，擴展了信號處理的維度。利用矢量信號處理技術理論上可以獲得一定的空間增益[7-8]，進而提高接收信號的信噪比，能夠有效地改善通信系統(tǒng)性能。雖然利用聲壓陣列作為接收端也能獲得一定的空間增益，但設備復雜，尺寸較大。單矢量水聽器與之相比，不僅降低了系統(tǒng)復雜度，且便于工程實現(xiàn)[4]。本文針對頻率為8～13 kHz的水聲通信信號，設計并研制了一種同振型矢量水聽器，并完成矢量水聽器樣機的性能測試。

1 矢量水聽器的工作原理

本文設計的同振型矢量水聽器采用兩端帶球帽的圓柱形結構，如圖1所示。圖中,柱體的豎直方向為矢量水聽器的z方向，與z方向垂直的平面定義為xOy平面。

x、y通道的接收可以通過自由運動圓柱體聲波接收理論進行描述，圓柱體的運動速度Vs與該處水質點的振速V0間的關系[9]：

(1)

z通道接收可以通過球體聲波接收理論來描述，球體的運動速度V2與該處水質點的振速V1間的關系:

(2)

式中：ρ2為球體的平均密度；φ為V2與V1之間的相位差。

若聲學剛性運動體的幾何尺寸遠小于波長，即kr?1，則式(1)、(2)的幅值之比可分別簡化為

柱體:

(3)

球體:

(4)

由式(3)、(4)可以看出，當kr?1時，且剛性運動體的平均密度等于水介質密度時，其振速Vs(或V2)的幅值與聲場中同一位置水質點的振速幅值相同，聲場中剛性體中心處水質點的振速信息可通過在剛性體中嵌入可拾取振動信號的傳感器獲得。因此，這種橢球形的矢量水聽器符合同振型矢量水聽器的設計理論。

2 矢量水聽器的設計與制作

水聲通信信號的頻率一般都為高頻，本文針對頻率為8～13 kHz的通信信號獲取來設計矢量水聽器。根據式(3)、(4)可得，矢量水聽器的最大直徑2r≤38.5 mm。一般情況下，為了空間結構的對稱性，需選取6只傳感器，這導致矢量水聽器體積過大，工作頻率上限得不到提高，所以必須專門設計矢量水聽器內部的振動傳感器。

由于水質點的振動速度也可用加速度(a(t)=dV(t)/dt)來描述，因此，本文設計了一種上限工作頻率為13.5 kHz的新結構加速度傳感器作為矢量水聽器內部的拾振單元，如圖2所示。圖2(a)中加速度傳感器為三維一體結構，空間6個方向的傳感器共用1個慣性質量塊，一體化后的傳感器體積變小。該三維加速度傳感器可構成矢量水聽器x、y、z的3個正交通道，拾取水質點加速度的3個正交分量分別為ax、ay和az。

圖2中，壓電元件采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT-5)圓管，其外徑為?10 mm,內徑為?4 mm,高度為5 mm，單只壓電圓管的電容量C=190 pF。壓電陶瓷的彈性系數為

k=S·E/h

(5)

式中：h為壓電陶瓷的厚度；E為壓電陶瓷的彈性模量；S為壓電陶瓷圓管的橫截面積。

由式(5)計算可得k=15×108N/m。在實際情況中，k隨著預緊力的改變而發(fā)生變化。實際裝配加速度傳感器時應參考該彈性系數來合理控制預緊力，裝配后的三維加速度傳感器如圖2(b)所示。

采用B&K公司的3629傳感器校準測定系統(tǒng)(Transducer Calibration System Type 3629)對研制的加速度傳感器靈敏度進行測試，得到x通道靈敏度為465.1 pC/g(g=9.8 m/s2)，y通道靈敏度為408.0 pC/g，z通道靈敏度為328.0 pC/g。每個通道由4只壓電圓管并聯(lián)組成，3個通道相應的電壓靈敏度分別為612 mV/g、537 mV/g和313 mV/g。采用該三維加速度傳感器作為矢量水聽器的矢量通道，其聲壓靈敏度級為

(6)

式中：c=1 500 m/s為水中聲速；Ma為傳感器的電壓靈敏度。

由式(6)可得到矢量水聽器x、y、z通道在10 kHz處的聲壓靈敏度級分別為-171.26 dB、-172.4 dB和-177 dB(0 dB參考值1 V/μPa)。

采用尺寸為?30 mm×34 mm×20 mm的PZT-5壓電陶瓷圓環(huán)作為矢量水聽器的聲壓通道，經過水密灌封后，得到的矢量水聽器樣機如圖3所示，其直徑為?38 mm，高為46 mm，平均密度為1.28 g/cm3。

3 矢量水聽器的性能測試

將研制的矢量水聽器柔性懸掛于框架中，如圖4所示。利用比較法在消聲水池中對研制的矢量水聽器的x、y、z通道及聲壓p通道的靈敏度與指向性進行測試，測試框圖如圖5所示。選取5個頻點測量得到矢量水聽器各通道的聲壓靈敏度級如表1所示。

表1 矢量水聽器各通道的聲壓靈敏度級

在消聲水池中對矢量水聽器的x、y、z通道及聲壓p通道的指向性進行測試，測試結果如圖6所示。由圖可以看出，3個矢量通道均具有良好的余弦指向性，p通道為全指向性。

4 結束語

根據同振型矢量水聽器的工作原理，工作頻率越高，矢量水聽器的體積就越小，其設計制作的難度則越大。本文為水聲通信的高頻信號獲取設計了一種一體化結構的新型三維加速度傳感器。利用該加速度傳感器作為矢量水聽器的內部拾振單元，可使矢量水聽器在高頻段滿足小體積的要求。研制的矢量水聽器的測試結果表明，在10 kHz處,矢量水聽器的矢量通道聲壓靈敏度級可在-172 dB(0 dB參考值1 V/μPa)以上，聲壓通道靈敏度級達到-198 dB，可用于水下8～13 kHz通信信號的獲取。