沈慶樓
(海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室,黑龍江哈爾濱150001)
聲納是海上作戰(zhàn)個(gè)體(各種艦、艇)的五官,所有的戰(zhàn)場(chǎng)偵察(軟武器)都要以聲納為媒體,尤其是水下偵察,更是缺之不可[1]。在民用領(lǐng)域,聲納系統(tǒng)同樣發(fā)揮著重要作用,例如:水下通信、魚(yú)群探測(cè)、海底勘探等。水聽(tīng)器(水下各種發(fā)射、接收測(cè)量傳感器總稱,包括標(biāo)量傳感器和矢量傳感器)作為聲納系統(tǒng)的重要部件之一,是水聲學(xué)的一個(gè)重要研究方向,新型水聽(tīng)器的研究是我國(guó)海軍聲納技術(shù)革新的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容。
由于水聽(tīng)器受尺寸限制,電路處理部分一般采用的是分體設(shè)計(jì),引出電纜隨著外界的振動(dòng)摩擦產(chǎn)生靜電電荷,由于壓電矢量水聽(tīng)器屬于容性元件,阻抗很高,電荷不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)消失,將被直接送入前置放大器,產(chǎn)生線間干擾。另一方面,由于電纜線存在一定的壓降,將使傳感器與后續(xù)的電路之間的接地點(diǎn)之間存在一定的電位差,產(chǎn)生測(cè)量噪聲。而一體化水聽(tīng)器將前置電路處理部分進(jìn)行集成處理,與敏感部分安裝在一起,整體封裝在水聽(tīng)器內(nèi)部,使水聽(tīng)器的輸出進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,大大降低了水聽(tīng)器的噪聲。本文提出的一體化標(biāo)量水聽(tīng)器,在很大程度上改善了聲壓靈敏度頻率響應(yīng),具有低頻、小體積、高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[2]。
傳感器是利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)來(lái)檢測(cè)聲波信號(hào)。在壓電材料上作用一外力,引起它發(fā)生形變,此時(shí)材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng),而且電場(chǎng)與形變呈線性關(guān)系,這種效應(yīng)稱正向壓電效應(yīng)[3]。而現(xiàn)在水聲類傳感器用得最多的壓電材料就是壓電陶瓷,可以接收聲信號(hào)的壓電模型有很多種,如壓電圓環(huán),壓電圓盤,壓電薄片,壓電圓管等。經(jīng)過(guò)資料查詢與理論分析,本一體化標(biāo)量水聽(tīng)器采用壓電圓管作為聲接收芯體。
壓電圓管的徑向振動(dòng)常在水聲類傳感器的低頻段使用,元件如圖1所示。
圖1 壓電圓管Fig 1 Piezoelectric round tube
通過(guò)理論推導(dǎo)可以得出,開(kāi)路接收電壓靈敏度
其中,ρ=a/b[4],g33,g31為壓電陶瓷壓電系數(shù),V 為壓電陶瓷開(kāi)路電壓,p0為外界聲壓,a為壓電圓管內(nèi)徑,b為壓電圓管外徑。
由于水聽(tīng)器的信號(hào)為電荷信號(hào),因此,本文提出的一體化標(biāo)量水聽(tīng)器的電路部分采用高阻放大電路。由于水聽(tīng)器體積較小,故電路部分重點(diǎn)考慮在保證其抗干擾能力的前提下,盡量減少其元件數(shù)量與體積,實(shí)現(xiàn)小體積水聽(tīng)器。水聽(tīng)器的聲學(xué)接收部分采用聲學(xué)材料灌封,從而達(dá)到其水下使用中對(duì)水密性的要求。本水聽(tīng)器采用一體化設(shè)計(jì),一體化標(biāo)量水聽(tīng)器基本原理框圖如圖2所示。
圖2 一體化標(biāo)量水聽(tīng)器基本原理框圖Fig 2 Principle diagram of the integrated scalar hydrophone
1)敏感元件的設(shè)計(jì)
壓電式傳感器分為諧振式和非諧振式諧振式,傳感器工作于諧振頻段,靈敏度高,但帶寬受到限制,一般用于發(fā)射型換能器,也可用于窄帶接收;非諧振式傳感器工作于平坦頻段,靈敏度較小,但有很平坦的響應(yīng),故一般可用于寬頻帶接收。基于理論分析,考慮采用非諧振式原理設(shè)計(jì)壓電圓管振子,利用其徑向振動(dòng)模式,通過(guò)對(duì)不同尺寸元件的徑向振動(dòng)模式和徑向振動(dòng)模式諧振頻率的計(jì)算比較,選取敏感元件尺寸[5]。
2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本一體化標(biāo)量水聽(tīng)器采用聲學(xué)材料灌封來(lái)解決水密性問(wèn)題。同時(shí)為了保證結(jié)構(gòu)殼體和電路板等附加結(jié)構(gòu)不影響振子的振動(dòng)模態(tài),敏感元件與結(jié)構(gòu)殼體之間采用螺栓固定連接方式。水聽(tīng)器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 水聽(tīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig 3 Structure diagram of the hydrophone
3)電路設(shè)計(jì)
電路原理框圖如4所示。
圖4 電路原理框圖Fig 4 Principle block diagram of the circuit
前端采用具有高輸入阻抗的場(chǎng)效應(yīng)晶體管將微弱電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為可處理的電壓信號(hào),同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配??紤]小型化要求,選用低噪聲器件MAX412ESA保證上限工作頻率。同時(shí),設(shè)計(jì)了濾波與隔離電路來(lái)保證信號(hào)正常傳輸。另外,通過(guò)特種設(shè)計(jì)保證了線路頻響和探頭的可靠性。
工藝流程圖見(jiàn)圖5。
圖5 工藝流程圖Fig 5 Process flow diagram
在電路開(kāi)路端,輸入正弦信號(hào),幅度為20 mV,增益100倍,水聽(tīng)器電路的測(cè)試結(jié)果如詳見(jiàn)表1與表2。
從測(cè)試結(jié)果可看出:在20 Hz~10 kHz頻段,低頻有一定的衰減,水聽(tīng)器靈敏度在頻帶內(nèi)的不平坦度要求不大于3 dB,符合設(shè)計(jì)要求。
表1 電路頻響測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab 1 Frequency response test data tables of the circuit board
對(duì)一體化標(biāo)量水聽(tīng)器進(jìn)行敏感探頭頻響測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖6所示。
圖6 阻抗分析測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果Fig 6 Test results of the impedance analyzing tester
由圖6可看出:一體化標(biāo)量水聽(tīng)器探頭部分的諧振頻率在40 kHz,由理論分析,本文提出的一體化標(biāo)量水聽(tīng)器的頻響上限可以到10 kHz左右。
本文提出的一體化標(biāo)量水聽(tīng)器在國(guó)家一級(jí)水聲計(jì)量站715所進(jìn)行了樣品測(cè)試,水聽(tīng)器的靈敏度在-158 dB以上,頻響大于10 kHz,不平坦度小于3 dB,測(cè)試結(jié)果良好,電路增益40 dB,與設(shè)計(jì)參數(shù)匹配吻合。1號(hào)樣品和2號(hào)樣品的接收靈敏度曲線如圖7,圖8所示。
圖7 1號(hào)樣品的接收靈敏度曲線Fig 7 Receiving sensitivity curve of sample 1
圖8 2號(hào)樣品的接收靈敏度曲線Fig 8 Receiving sensitivity curve of sample 2
本文提出的本一體化標(biāo)量水聽(tīng)器通過(guò)取2個(gè)變量的最佳平衡點(diǎn)、在電路部分增大增益、改善工藝環(huán)節(jié)等方法實(shí)現(xiàn)了小體積、大靈敏度,通過(guò)多次測(cè)試,驗(yàn)證了方法的有效性。本文提出的一體化標(biāo)量水聽(tīng)器采用了優(yōu)化結(jié)構(gòu)和低頻電路設(shè)計(jì),使傳感器具備了低頻測(cè)試能力,解決了水聲類傳感器的低頻測(cè)試問(wèn)題。
[1]孫貴青,李啟虎.聲矢量傳感器研究進(jìn)展[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2004(11):481-489.
[2]張 鵬.集成型二維矢量水聽(tīng)器研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2011:1-2.
[3]Wong K T,Chi Hoiming.Beam patterns of an underwater acoustic vector hydrophone located away from any reflecting boundary[J].IEEE Journal of Engineering,2002,27(3):628-637.
[4]欒桂冬.壓電換能器和換能器陣(上冊(cè))[M].北京:北京大學(xué)出版社,1990:158-169.
[5]袁希光.傳感器手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1986:596-597.