水聲駐波聲管在矢量水聽器校準技術(shù)中的應用

陳洪娟，費 騰

（1.哈爾濱工程大學，水聲技術(shù)重點實驗室，哈爾濱 150001；2.海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室（哈爾濱工程大學），工業(yè)和信息化部，哈爾濱 150001；3.哈爾濱工程大學，水聲工程學院，哈爾濱 150001；4.杭州應用聲學研究所，杭州 311400）

1 引 言

2022 年4 月，習近平總書記在三亞考察時，強調(diào)“要推動海洋科技實現(xiàn)高水平自立自強，加強原創(chuàng)性、引領(lǐng)性科技攻關(guān)”。 因此，在回顧了國內(nèi)矢量水聽器技術(shù)從1998 年開始引進到再創(chuàng)新和引領(lǐng)發(fā)展近25 年來的發(fā)展歷程基礎(chǔ)上，對于矢量水聽器校準技術(shù)應用中存在的問題以及獲得的研究成果進行了總結(jié)和分析，同時考慮到矢量水聽器技術(shù)未來的發(fā)展需求，提出了影響矢量水聽器校準精度的幾個因素。

目前，矢量水聽器及其陣列在水聲低頻聲吶遠程探測方面的工程應用已經(jīng)十分廣泛［1］，并且在水聲測試與計量領(lǐng)域中對于矢量水聽器及其陣列的聲學性能進行評價的需求也十分迫切。 因此，無論是對矢量水聽器的校準或檢定，還是對水聲矢量技術(shù)裝備質(zhì)量優(yōu)劣的評價，甚至是對水下矢量聲學的發(fā)展，都將追溯到對矢量水聽器校準技術(shù)的研究，因為矢量水聽器擔負著有關(guān)水下質(zhì)點振速物理量值的獲取與量值傳遞的重任。

2 矢量水聽器校準技術(shù)發(fā)展與成果

2.1 矢量水聽器校準技術(shù)發(fā)展歷程

2.1.1 國內(nèi)外早期發(fā)展狀況

矢量水聽器（主要指同振型矢量水聽器，以下同），通常的工作頻率范圍是（10 ～10 000） Hz，在（1～10） kHz高頻段矢量水聽器的校準可采用經(jīng)典的以標準聲壓水聽器為參考的水聽器自由場比較校準方法，該方法的適用條件是測量環(huán)境必須滿足平面自由場條件，而對于主要工作在1 000 Hz 以下頻段的低頻矢量水聽器來講，在室內(nèi)水池條件下這一自由場條件很難得到保證，即使在水聲一級計量站的大水池自由場中，其測量的低頻下限通常也只能到500 Hz 左右，或者需要到外場更大的空間才能進行更低頻率的測試，但這會給低頻矢量水聽器的研制和應用帶來巨大阻礙。 國內(nèi)外，在解決這一問題上均選擇了基于水聲駐波聲管的矢量水聽器駐波場測試方法及裝置。

眾所周知，駐波管法在空氣聲測量技術(shù)中一直是測量各種聲學無源材料聲吸收系數(shù)、聲發(fā)射系數(shù)以及聲阻抗率等參量的重要手段，并獲得良好效果，該方法不僅使某些聲學參數(shù)在低頻范圍內(nèi)的測量研究成為可能，而且使駐波聲管在聲學測量各分支領(lǐng)域得以廣泛應用。 因此，當矢量水聽器遇到低頻靈敏度校準難題時，駐波管又一次得到關(guān)注。 在水聲領(lǐng)域最早是1962 年，美國F. Schloss 等人開始采用聲管對矢量水聽器進行校準的，他們在JASA雜志發(fā)表的文章中給出了校準裝置實物照片，采用的是經(jīng)典振動液柱法原理，其測試系統(tǒng)如圖1 所示。 該裝置主要包括兩部分：一是充水圓柱形聲管，內(nèi)部為測量聲場且上端開口；二是振動臺，用于激勵“整個圓管和水”產(chǎn)生整體振動，理論上要求振動臺能夠驅(qū)動整個圓管作垂直振動，這樣圓管內(nèi)的水柱可以看作“整體”在做簡諧振動，從而在水柱中形成駐波。 但實際上，由于該方法要求聲管的壁厚要相當于內(nèi)徑的一半，因此低頻時整體聲管的質(zhì)量很重，對振動臺的負載要求很大，所以測試低頻下限受到限制［2］；之后，美國CBS 實驗室Bauer 在1966 年到1971 年五年間分別發(fā)明了Mark?I 型及其改進型Mark?II 和Mark?III 型三種型式的駐波管。其中，在Mark?I 型裝置中駐波管是橫臥、全封閉的，且用彈簧懸置在一個固定框架內(nèi)，而激勵用的機械振子安裝在聲管的一端，如圖2 所示。 這種結(jié)構(gòu)不僅能夠避免在振動液柱法中由于豎直聲管的質(zhì)量對激勵振子形成的負載效應，而且可以相對減少環(huán)境振動產(chǎn)生的干擾影響［3］；而改進的Mark?II 型裝置采用的薄壁結(jié)構(gòu)，如圖3 所示，能夠在（5～500） Hz 頻段內(nèi)進行矢量水聽器的校準。 Mark?III 型裝置采用的是厚壁結(jié)構(gòu)，可校準的頻段范圍為（5～2500） Hz，這兩型改進裝置的測試頻率范圍更寬，且結(jié)構(gòu)中有部分開口使用時更方便［4］。 同一時期，前蘇聯(lián)在實驗室對矢量水聽器進行校準也主要是采用振動液柱法的基本原理來進行校準裝置的研究。

圖1 振動液柱法測試系統(tǒng)實物圖Fig.1 Picture of measurement System base on method for a vibrating liquid column

圖2 Mark?I 型測試系統(tǒng)實物圖Fig.2 Picture of measurement system of the Mark?I type

圖3 Mark?II 型測試系統(tǒng)實物圖Fig.3 Picture of measurement system of the Mark?II type

國內(nèi)，早在上世紀80 年代哈爾濱工程大學鄭士杰、莫喜平等就成功研制出第一套矢量水聽器校準系統(tǒng)，如圖4 所示，結(jié)構(gòu)與Mark?I 型類似。 該系統(tǒng)能在實驗室條件下完成對矢量水聽器的靈敏度測量和指向性圖測量，有效工作頻帶為（20～2 000） Hz［5］。

圖4 中國第一套矢量水聽器校準系統(tǒng)原理框圖Fig.4 Block diagram of the first calibration system of vector hydrophone in China

2.1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)矢量水聽器低頻校準方法及校準裝置均采用改進的駐波場比較法，該方法的基本原理來自于上個世紀90 年代末期哈爾濱工程大學楊士莪、楊德森兩位院士對俄成功引進的矢量水聽器技術(shù)項目，后續(xù)在國防相關(guān)計量機構(gòu)的支持和專業(yè)技術(shù)人員的努力下，經(jīng)歷了對國外技術(shù)的消化、吸收、理解和再創(chuàng)新過程，形成了目前具有自主知識產(chǎn)權(quán)的矢量水聽器駐波場校準方法［6］，并建立了相應的校準裝置［7］，且于2021 年12 月28 日發(fā)布了國家計量檢定規(guī)程《JJG 1182—2021：20 Hz－1 kHz 矢量水聽器》，已于2022 年6 月28 日開始實施［8］。

在引進技術(shù)中矢量水聽器校準系統(tǒng)的聲管壁厚為50mm，由于聲管較薄，理論上在低頻工作時管壁彈性振動會引起管內(nèi)聲場畸變［9］。 但由于該系統(tǒng)設(shè)計時與其配套的激勵器采用的是壓電片堆結(jié)構(gòu)，由九個壓電柱堆構(gòu)成，每一柱堆含有八個壓電圓片［10］，激勵器實物和系統(tǒng)如圖5 所示，其低頻時的振動幅度較小，所以引起的管壁振動不明顯，但相應的輻射聲場強度也較低，從而造成低于100 Hz頻率測試時的信噪比不高，從而影響校準工作帶寬及精度。 在此基礎(chǔ)上，哈爾濱工程大學陳洪娟教授課題組和杭州應用聲學研究所費騰研究員團隊分別同時在后續(xù)十余年間，在國防技術(shù)基礎(chǔ)項目支持下，對聲管結(jié)構(gòu)、激勵器以及自動控制機構(gòu)和自動化測量等方面不斷進行改進、完善和創(chuàng)新［11－14］建立了各方面測試性能更先進、水平更高的矢量水聽器測試系統(tǒng)，如圖6 所示。 目前，國內(nèi)水聲一級計量站研制的矢量水聽器駐波場校準系統(tǒng)的工作頻帶低頻下限已擴展至5 Hz，有效頻段為（5～2 000）Hz，使用兩只校準管覆蓋整個校準頻段，大校準管內(nèi)徑為420 mm，工作頻率范圍（20～1 000）Hz，可校準的被校件最大尺寸為Φ210 mm；小校準管內(nèi)徑為300 mm，壁厚為300 mm，工作頻率范圍（400～2 000）Hz，可校準的被校件最大尺寸為Φ100 mm，比較法測量不確定度為1.4 dB（k＝2），該垂直駐波管比較法校準裝置在中俄矢量水聽器校準國際主導比對中表現(xiàn)優(yōu)異［15］。

圖5 俄羅斯引進的矢量水聽器校準系統(tǒng)及激勵器實物圖Fig.5 Picture of calibration system of the vector hydrophone and transmitter from Russia

圖6 中國研制的矢量水聽器校準系統(tǒng)實物圖Fig.6 Picture of calibration system of the vector hydrophone in China

同時，隨著矢量水聽器在水聲探測領(lǐng)域的廣泛應用，國內(nèi)多家從事矢量水聽器研究的高校和研究所等機構(gòu)對矢量水聽器校準裝置的需求日益增加，目前擁有矢量水聽器駐波管校準系統(tǒng)的單位有中北大學、中電13 所、中船726 所、612 廠、湛江四海區(qū)等。

2.2 矢量水聽器校準技術(shù)研究成果

目前，國內(nèi)矢量水聽器駐波場校準裝置是依據(jù)剛性圓管波導理論建立的，滿足該理論模型的兩個物理條件：一是要求管壁完全聲學剛性，這對于低頻情況很難實現(xiàn)；二是要求端面輻射條件等幅同相振動，這對于激勵器的設(shè)計要求比較苛刻。 因此，在實際校準裝置的工程實現(xiàn)過程中總會產(chǎn)生實際聲場的畸變，從而影響校準結(jié)果。 針對這一校準問題，作者通過長期大量的實驗測試和理論仿真對駐波管聲場進行了研究和分析，積累了較多的校準經(jīng)驗且獲得了一些研究成果。

2.2.1 高頻失真

采用駐波管比較校準方法時，標準聲壓水聽器和被測矢量水聽器在駐波聲管中的置放關(guān)系有兩種方式：一是兩者同時放置在同一深度，即選擇管中同一水平面上的某兩點處；二是兩者沿聲管軸向放置在不同深度，即選擇同一垂直面（軸向）上的某兩點處。 選擇前者是考慮平面駐波場中同一水平面上的各點處聲壓幅值應該相同，選擇后者是考慮同一軸向上的任意兩點處聲壓幅值之間的關(guān)系明確。但在實際校準中，這兩種置放方式都存在高頻限制。

首先，通過對駐波管內(nèi)聲場的空間分布特性進行測試，可以發(fā)現(xiàn)：高頻時，管內(nèi)聲場水平方向的起伏較大。 測試時，在整個校準裝置的工作頻帶內(nèi)從高到低選擇若干個頻點，每個頻點下在距離聲管水－空氣界面不同深度上再選擇若干個水平面，以水平面中心為原點、選擇若干個半徑，進行聲場掃描。2 000 Hz時在距離聲管水－空氣界面20 cm 深度上，以掃描半徑R分別為4 cm，8 cm，12 cm，14 cm 測試的水平方向聲壓起伏曲線如圖7 所示。

由圖7 可以看到：在2 000 Hz 時，當掃描半徑R＝14 cm 時（管徑35 cm），聲壓起伏最大處大于4 dB，這樣測試時如果采用第一種水聽器置放方式就會出現(xiàn)高頻靈敏度失真現(xiàn)象。

圖7 水平聲壓分布曲線圖Fig.7 The curve of pressure distribution in x?y plane

其次，通過軟件對駐波管內(nèi)聲場的空間分布特性進行仿真，也可以發(fā)現(xiàn)：高頻時，管內(nèi)聲場沿軸向會出現(xiàn)非常明顯的駐波分布，如圖8 所示，因此采用第二種水聽器置放方式時必須避免兩只水聽器放在凹點處，否則由于激勵信號太弱使信噪比降低也會出現(xiàn)高頻靈敏度失真現(xiàn)象。

圖8 軸向聲壓分布圖Fig.8 Diagram of pressure distribution in z axis

綜上所述，當管徑為350 mm 時，駐波管比較校準裝置最佳校準頻率上限約為（500～800） Hz 為宜。

2.2.2 低頻失真

采用駐波管比較校準方法時，引起矢量水聽器靈敏度測試結(jié)果低頻失真的主要原因是激勵器低頻輻射強度低導致的低頻信噪比不夠，以及被測水聽器懸掛結(jié)構(gòu)與校準系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)低頻耦合和測試環(huán)境等存在的低頻振動干擾等。 比如，在低頻段12.5 Hz 處由于矢量水聽器懸掛結(jié)構(gòu)影響（仿真驗證）導致出現(xiàn)靈敏度校準結(jié)果的低頻失真，測試結(jié)果如圖9 所示。

圖9 低頻靈敏度失真曲線圖Fig.9 The curve of Sensitivity distortion in low frequency range

2.3 矢量水聽器校準技術(shù)未來研究方向

如上所述，矢量水聽器低頻駐波管比較校準方法及校準裝置的理論模型和實際聲場之間在某一頻帶內(nèi)存在不相符問題，因此，為了使該方法能夠在更寬的頻帶內(nèi)獲得更高的校準準確度，需要對影響管內(nèi)聲場的各種因素進行分析，其中主要的包括激勵器輻射面振動速度的分布形式，目前考慮的多是等幅同相振動或者軸對稱分布；同時，還有聲管結(jié)構(gòu)與管內(nèi)流體之間的耦合振動，目前考慮的是管壁足夠厚的情況較多；另外，環(huán)境震動會帶來嚴重的低頻干擾，影響管內(nèi)的駐波聲場分布，需要通過低頻減振設(shè)計或者選擇合適的安裝地點來減小環(huán)境震動干擾。

隨著矢量水聽器應用的日益廣泛，對矢量水聽器除靈敏度、指向性之外的相關(guān)聲學指標的評價需求也越來越緊迫，比如矢量水聽器的動態(tài)范圍，特別是等效自噪聲水平的校準。 2019 年，哈爾濱工程大學在現(xiàn)有低頻駐波管校準系統(tǒng)基礎(chǔ)上研究了矢量水聽器動態(tài)范圍測試系統(tǒng)，如圖10 所示［16］。

圖10 矢量水聽器動態(tài)范圍測試系統(tǒng)實物圖Fig.10 Picture of Measurement system of dynamic range for vector hydrophone

如文獻［15］所述，矢量水聽器在高于500 Hz以上頻段已經(jīng)采用自由場互易法進行絕對校準，因此在低頻駐波管開展絕對校準方法研究也是十分迫切的，哈爾濱工程大學于2012 年開始從事矢量水聽器絕對校準方法研究，參照一級校準方法振動液柱法，但將加速度計置放在聲管內(nèi)，獲得較為理想的低頻校準結(jié)果，如圖11 所示［17－19］。

圖11 矢量水聽器絕對校準法校準結(jié)果曲線圖Fig.11 Calibration results of vector hydrophone by absolute calibration method

3 結(jié)束語

二十多年來，矢量水聽器低頻駐波管比較校準方法及校準裝置在國內(nèi)的應用成果十分顯著，大大促進了矢量水聽器研制與工程應用技術(shù)的發(fā)展，為矢量水聽器技術(shù)在國際上實現(xiàn)彎道超車，矢量技術(shù)走在世界前列發(fā)揮了重要作用。

但隨著矢量水聽器向低頻甚至超低頻領(lǐng)域的不斷發(fā)展，特別是在遠海深水環(huán)境的應用，都對矢量水聽器校準技術(shù)提出了更高的要求。 為此，進一步對水聲駐波管校準法開展更深入的理論、仿真和實驗研究十分必要，包括對彈性圓管進行聲學與結(jié)構(gòu)耦合分析建立彈性圓管波導理論，并考慮內(nèi)部被測水聽器對聲場的散射影響，對封閉駐波管中水聽器靈敏度－壓力測試裝置進行研究，滿足水聽器高靜水壓下校準需求，以及對適合駐波管的超低頻激勵發(fā)射換能器進行研制，提高駐波管內(nèi)聲場分布特性，還有解決高低頻失真導致的測試頻帶變窄等問題。

綜上所述，水聲駐波管校準法未來在矢量水聽器及其陣列技術(shù)的發(fā)展中還將發(fā)揮重要作用。