一種接收換能器指向性凹陷方法

高 立，施光韓，朱大非，胡友峰

(中國船舶集團公司 第七〇五研究所昆明分部，云南 昆明 650118)

0 引 言

隨著水聲對抗技術(shù)的不斷發(fā)展，為了滿足實戰(zhàn)對抗需求，對于聲靶、聲誘餌及目標(biāo)模擬器等水聲對抗器材的擬真度性能都提出了更高要求。采用實收實發(fā)技術(shù)可以有效提高水聲對抗器材的對抗能力，提高擬真度。實收實發(fā)技術(shù)是指在聲學(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[1]。實現(xiàn)此技術(shù)的難點在于如何減小聲學(xué)系統(tǒng)發(fā)射端對于接收端的干擾，即如何增大聲學(xué)系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的聲隔離度[2]。聲隔離度主要由以下4 個方面共同綜合產(chǎn)生： 1） 空間距離衰減；2）殼體障板特性隔離；3） 接收和發(fā)射換能器指向性隔離；4）干擾抵消信號處理算法[3]。

基于實現(xiàn)指向性隔離的目的，本文提出一種使接收換能器在指定方向形成指向性凹陷的方法。

1 原 理

從20 世紀(jì)50 年代開始，關(guān)于球型結(jié)構(gòu)的新型換能器即被研究用以獲得全指向性的發(fā)射或接收響應(yīng)[4–6]。至今全指向性球形換能器依然在各類聲學(xué)系統(tǒng)中被廣泛使用。

本文將以常見的全指向性球形接收換能器為例，在換能器表面黏貼吸聲材料（橡膠）和反聲材料（泡沫），通過吸聲、反聲材料減小換能器在指定方向接收到的聲波，從而形成該方向指向性的凹陷，最后通過指向性測量裝置測試該方法對接收換能器指向性的影響。

接收換能器指向性測量的試驗裝置如圖1 所示。選用穩(wěn)定的發(fā)射換能器作為聲源，建立輻射聲場，保持輻射聲場恒定不變，旋轉(zhuǎn)待測換能器，記錄其不同方向上的輸出電壓幅值，得到接收指向性圖。

圖1 接收換能器指向性測量試驗裝置Fig. 1 Receiving transducer directivity measurement test device

2 試驗結(jié)果

2.1 黏貼吸聲橡膠

在直徑10 cm 的全指向性球形接收換能器表面黏貼寬度約2 cm 的吸聲橡膠條，分別測試其在21 kHz和30 kHz 頻率的接收指向性結(jié)果，如圖2 和圖3 所示。

圖2 換能器黏貼效果示意圖Fig. 2 Schematic diagram of transducer sticking effect

圖3 接收指向性Fig. 3 Receive directivity

可以看出，在換能器黏貼吸聲橡膠的一面（指向性圖0°附近，下文將該面統(tǒng)稱正面），接收指向性出現(xiàn)了-10 dB 的明顯凹陷，越接近吸聲橡膠中心處凹陷越明顯，且凹陷中心處有一凸起。另外也可觀察到，在黏貼吸聲橡膠處的背面（指向性圖180°附近，下文將該面統(tǒng)稱背面），一定開角范圍內(nèi)的指向性也出現(xiàn)了不同程度的凹陷。同時21 kHz 的指向性圖相比30 kHz的指向性圖更加圓潤，這是由換能器的頻響特性差異導(dǎo)致。

2.2 黏貼反聲泡沫

在直徑10 cm 的全指向性球形接收換能器表面黏貼寬度約2 cm 的反聲泡沫條，分別測試其在21 kHz、30 kHz 頻率的接收指向性結(jié)果，如圖4 和圖5 所示。

圖4 換能器黏貼效果示意圖Fig. 4 Schematic diagram of transducer sticking effect

可以看出，正面（指向性圖340°附近）接收指向性出現(xiàn)了接近-10 dB 的明顯凹陷，越接近吸聲橡膠中心處凹陷越明顯。與之前的試驗結(jié)果相似，背面（指向性圖160°附近）一定開角范圍內(nèi)的指向性也出現(xiàn)了不同程度的凹陷，同時21 kHz 的指向性圖相比30 kHz的指向性圖更加圓潤。

對比可知，黏貼反聲泡沫相比黏貼吸聲橡膠，其指向性凹陷前者不如后者尖銳，但在正面凹陷處，后者沒有前者的明顯凸起。

2.3 黏貼吸聲橡膠并在其一側(cè)黏貼反聲泡沫

在直徑10 cm 的全指向性球形接收換能器表面黏貼寬度約2 cm 的吸聲橡膠條并在其一側(cè)黏貼寬度約1 cm 反聲泡沫條，分別測試其在21 kHz 和30 kHz 頻率的接收指向性結(jié)果，如圖6 和圖7 所示。

圖6 換能器黏貼效果示意圖Fig. 6 Schematic diagram of transducer sticking effect

圖7 接收指向性Fig. 7 Receive directivity

可以看出，正面（指向性圖340°附近）接收指向性出現(xiàn)了接近-15 dB 的凹陷，且凹陷呈現(xiàn)不對稱性，黏貼反聲泡沫的一側(cè)（指向性圖350°附近）凹陷更突出。與之前的試驗結(jié)果相似，背面（指向性圖160°附近）一定開角范圍內(nèi)的指向性也出現(xiàn)了不同程度的凹陷，同時21 kHz 的指向性圖相比30 kHz的指向性圖更加圓潤。

對比可知，正面指向性凹陷更為明顯，凹陷中心無明顯凸起，同時背面指向性凹陷相對更為平滑。

2.4 黏貼吸聲橡膠并在其兩側(cè)黏貼反聲泡沫

在直徑10 cm 的全指向性球形接收換能器表面黏貼寬度約2 cm 的吸聲橡膠條并在其兩側(cè)都黏貼寬度約1 cm 反聲泡沫條，分別測試其在21 kHz 和30 kHz 頻率的接收指向性結(jié)果，如圖8 和圖9 所示。

圖8 換能器黏貼效果示意圖Fig. 8 Schematic diagram of transducer sticking effect

圖9 接收指向性Fig. 9 Receive directivity

可以看出，正面（指向性圖5°附近）接收指向性出現(xiàn)了-15 dB 以上的明顯凹陷，30 kHz 頻率下凹陷甚至接近-20 dB。越接近吸聲橡膠中心處凹陷越明顯，同時仍可在21 kHz 頻率觀察到凹陷中間的凸起。與之前的試驗結(jié)果相似，背面（指向性圖1 185°附近）一定開角范圍內(nèi)的指向性也出現(xiàn)了不同程度的凹陷，同時21 kHz 的指向性圖相比30 kHz 的指向性圖更加圓潤。

對比可知，在吸聲橡膠兩側(cè)增加反聲泡沫，可增加正面的指向性凹陷效果，使其更尖銳，同時對背面（180°附近）的凹陷反而能起到平滑作用，減少了背面的指向性損失。

2.4.1 加寬吸聲橡膠

增加吸聲橡膠條寬度，從2 cm 增加至4 cm，其余條件不變，即在全指向性球形接收換能器表面黏貼寬度約4 cm 的吸聲橡膠條并在其兩側(cè)都黏貼寬度約1 cm反聲泡沫條，分別測試其在21 kHz、30 kHz 頻率的接收指向性結(jié)果，如圖10 所示。

圖10 接收指向性Fig. 10 Receive directivity

對比可知，增加吸聲橡膠條寬度，使得正面指向性凹陷的開角范圍更大，開角范圍由原來的85°增加至115°，但未引起正面指向性的進一步凹陷，仍在-20 dB 范圍內(nèi)。同時一定程度上加劇了背面的指向性損失。

2.4.2 減窄反聲泡沫

減小反聲泡沫條寬度，從1 cm減少至0.5 cm，其余條件不變，即在全指向性球形接收換能器表面黏貼寬度約4 cm 的吸聲橡膠條并在其兩側(cè)都黏貼寬度約0.5 cm 反聲泡沫條，分別測試其在21 kHz 和30 kHz 頻率的接收指向性結(jié)果，如圖11 所示。

圖11 接收指向性Fig. 11 Receive directivity

對比可知，減窄反聲泡沫條寬度，在21 kHz 條件下正面指向性凹陷有所減少，其余方面未有明顯變化；在30 kHz 條件下正面指向性凹陷更加尖銳，背面指向性曲線的凹陷有所緩解。

3 結(jié) 語

本文提出了一種使接收換能器形成指定方向指向性凹陷的方法，通過在接收換能器表面黏貼吸聲、反聲材料，減小換能器在指定方向接收到的聲波，從而形成該方向指向性的凹陷。并通過對比試驗，分析比較了吸聲、反聲材料不同組合方式、不同大小對指向性凹陷效果的影響。由試驗結(jié)果可看出，該方法可使接收換能器在指定方向形成-20～-10 dB 的指向性凹陷。該方法實施簡單、成本低廉，但在實際使用中應(yīng)考慮為接收換能器加裝透聲導(dǎo)流罩，防止黏貼的吸聲、反聲材料因水流沖擊而脫落。該方法可為實收實發(fā)、聲隔離等技術(shù)及裝備的實現(xiàn)提供有力的支撐。