The Design and Implementation for Three Dimension Co-Vibrating Vector Hydrophone*

SUN Qindong，HOU Wenshu，WANG Wenlong，WANG Chao（Navy Submarine Academy，Qingdao Shandong 266042，China）

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The Design and Implementation for Three Dimension Co-Vibrating Vector Hydrophone*

SUN Qindong*，HOU Wenshu，WANG Wenlong，WANG Chao
（Navy Submarine Academy，Qingdao Shandong 266042，China）

A three dimension co-vibrating vector hydrophone combined with pressure channels and vector channels was designed and implementationed according to partical engineering requirement.The shape of the vector hydro?phone is a cylinder with two caottes.The size is Φ54×72 mm，and the working frequency rang is from 20 Hz to 2 000 Hz.Its perfoemance was measured in standing wave pipe of National Defence Underwater Acoustics Calibration Labroatory.The result of shows the pressure sensitivity of pressure channels is-192.7 dB（0 dB ref 1 V/μPa），with direction performance of equal，and the pressure sensitivity of vector channels is-185.3 dB（measuring frequency is 500 Hz，0 dB ref 1 V/μPa）with direction performance of cosine.The designed and manufactured of vector hydro?phone has high sensitivity，good consisitency，easy to use，meet the needs of partical engineering application.

co-vibrating；vector hydrophone；three dimension；sensitivity；direction

矢量水聽(tīng)器是一種新型水下聲信號(hào)接收器，其通常包含聲壓水聽(tīng)器和矢量水聽(tīng)器兩部分，聲壓水聽(tīng)器敏感元件為按不同方式極化的壓電陶瓷，矢量水聽(tīng)器敏感元件可以是加速度傳感器、速度傳感器或位移傳感器，維數(shù)可以根據(jù)需要做成一維、二維或三維［1］。矢量水聽(tīng)器矢量通道具有與頻率無(wú)關(guān)的余弦指向性［2］，相比于傳統(tǒng)聲壓水聽(tīng)器來(lái)說(shuō)，單矢量水聽(tīng)器通過(guò)聲壓和振速聯(lián)合信息處理，能有效抗各向同性噪聲干擾，如果將矢量水聽(tīng)器組成陣列，能夠增大陣列空間增益，還可以解決傳統(tǒng)聲壓水聽(tīng)器陣列在定向時(shí)的左右舷模糊問(wèn)題［3-4］。

近年來(lái)，隨著潛艇減震降噪技術(shù)的進(jìn)步，潛艇輻射噪聲甚至接近海洋背景噪聲［5］，并且噪聲頻率向低頻方向發(fā)展，因此，對(duì)現(xiàn)代探潛聲納提出了更高的要求，常規(guī)聲納已不能滿足應(yīng)用需求。文獻(xiàn)表明：2004年，美國(guó)Naval Surface Warface Center利用5元矢量水聽(tīng)器垂直陣在阿拉斯加附近海域所測(cè)環(huán)境噪聲譜級(jí)比聲壓水聽(tīng)器低6 dB～8 dB［6-7］左右，矢量水聽(tīng)器的出現(xiàn)及其工程應(yīng)是應(yīng)對(duì)低頻、遠(yuǎn)距離、弱信號(hào)輻射噪聲探測(cè)的有效辦法，因此，矢量水聽(tīng)器成為水聲傳感器研究的重點(diǎn)［8-9］。本文出于實(shí)際海上實(shí)驗(yàn)需要，開(kāi)展同振式三軸向矢量水聽(tīng)器的研究。

1　矢量水聽(tīng)器設(shè)計(jì)聲學(xué)理論

聲波在理想流體介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到物體表面聲學(xué)特性和水介質(zhì)特性不連續(xù)的介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生聲散射現(xiàn)象。圓柱形矢量水聽(tīng)器相比于水介質(zhì)近似為聲學(xué)剛性，將其放入水下聲場(chǎng)中時(shí)，其聲學(xué)特性與水介質(zhì)不連續(xù)，在矢量水聽(tīng)器表面會(huì)存在聲散射波，由于散射波的存在，聲場(chǎng)中聲壓會(huì)產(chǎn)生畸變。因此，剛性圓柱形聲接收器放入水下聲場(chǎng)中接收到的聲壓信息是入射聲場(chǎng)和散射聲場(chǎng)的疊加。

對(duì)滿足聲學(xué)剛性、圓柱形聲接收器理論研究可知，如果圓柱形聲接收器的尺寸滿足k?a<<1，其中k為波數(shù)、a為圓柱形聲接收器的最大線性尺寸，則其在水下聲場(chǎng)中聲波作用下作自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓柱形聲接收器振動(dòng)速度幅值V與聲場(chǎng)中未放入聲接收器之前其等效聲中心所在處水質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值V0之比關(guān)系表達(dá)為［10］：

通過(guò)對(duì)公式（1）分析可知，如果圓柱形聲接收器平均密度與水介質(zhì)密度相等，則將其放入水下聲場(chǎng)中時(shí)，其振動(dòng)速度幅值V與其未放入聲場(chǎng)中時(shí)等效聲中心所在處水質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值V0相等，因此，只要在圓柱形聲接收器內(nèi)部封裝能拾取水下振動(dòng)信息的傳感器，即可獲取聲場(chǎng)中圓柱形聲接收器等效聲中心所在處水質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)信息。

本文設(shè)計(jì)、制作矢量水聽(tīng)器外部形狀為柱體兩端帶半球帽的圓柱體，理論研究表明：該形狀矢量水聽(tīng)器聲接收特性可以近似用圓柱形矢量水聽(tīng)器聲接收特性進(jìn)行表征［11-12］。

2　敏感元件選取與測(cè)試

2.1聲壓通道敏感元件選取與測(cè)試

鑒于本文設(shè)計(jì)、制作矢量水聽(tīng)器外形為柱體兩端帶半球帽的圓柱體，矢量水聽(tīng)器聲壓通道采用徑向極化壓電陶瓷圓管作為敏感元件，該類型敏感元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且沿半徑方向具有均勻的指向性，靈敏度高，其詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1　聲壓通道敏感元件詳細(xì)參數(shù)

壓電陶瓷圓管內(nèi)部填充玻璃微珠和環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合泡沫材料，外部用聚氨酯密封材料包裹，在實(shí)際工作時(shí)假設(shè)壓電陶瓷圓管內(nèi)表面不受壓力，外表面受均勻的外部聲場(chǎng)壓力，管端不受力，可以得到聲壓通道開(kāi)路電壓接收靈敏度為［13］：

式中ρ=a/b，為壓電陶瓷圓管內(nèi)外半徑之比，將表1中聲壓通道敏感元件詳細(xì)參數(shù)帶入公式（2）中，可得到聲壓通道開(kāi)路電壓接收靈敏度級(jí)隨材料參數(shù)變化曲線，如圖1所示。

圖1　聲壓通道靈敏度級(jí)特性曲線

從圖1中聲壓通道靈敏度級(jí)特性曲線可已看出，根據(jù)所選用壓電陶瓷詳細(xì)參數(shù)，矢量水聽(tīng)器聲壓通道靈敏度級(jí)為Mp=-192.7 dB（0 dB=1 V/μPa），且該種極化方式壓電陶瓷圓管的開(kāi)路電壓接收靈敏度級(jí)隨著壓電陶瓷圓管外半徑的減小而減小、隨著管壁厚度的減小而增加。

在矢量水聽(tīng)器整體設(shè)計(jì)、制作之前需要對(duì)矢量水聽(tīng)器聲壓通道敏感元件進(jìn)行阻抗特性曲線測(cè)試，以檢驗(yàn)敏感元件頻率響應(yīng)。圖2為應(yīng)用安捷倫4294A型阻抗分析儀測(cè)量壓電陶瓷圓管所得阻抗特性曲線。可以看出，其諧振頻率f0=21.97 kHz，低頻段頻率特性曲線近似為一條直線，本文設(shè)計(jì)矢量水聽(tīng)器上限工作頻率為2 000 Hz，滿足水聽(tīng)器的諧振頻率是其上限工作頻率3倍～5倍的要求。

圖2　壓電陶瓷圓管阻抗特性曲線

2.2矢量通道敏感元件選取與測(cè)試

本文設(shè)計(jì)矢量水聽(tīng)器矢量通道要求靈敏度高、低頻響應(yīng)特性好、各通道頻率響應(yīng)一致性好，由于壓電加速度傳感器具有靈敏度高、體積小、重量輕、測(cè)量范圍廣、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，最終選定三軸向壓電加速度傳感器作為矢量通道敏感元件。

為檢測(cè)加速度傳感器實(shí)際性能，采用傳感器振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)主要組成包括：B&K4808振動(dòng)臺(tái)、B&K8305標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)、B&K2719功率放大器、B&K2647阻抗變換器、NI振動(dòng)校準(zhǔn)軟件。測(cè)試時(shí)由B&K4808振動(dòng)臺(tái)提供10 Hz～2 000 Hz頻率范圍振動(dòng)激勵(lì)，加載加速度為1 gn，待測(cè)加速度傳感器背靠背剛性安裝于B&K8305標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器上方，其電壓靈敏度為2.8 V/gn，應(yīng)用比較法校準(zhǔn)，由于測(cè)試三軸向加速度傳感器靈敏度相同、頻帶一致，這里只給出x軸向頻響特性曲線。

從圖3測(cè)試的頻響曲線來(lái)看，在10 Hz～2 000 Hz測(cè)試頻帶內(nèi)幅頻特性曲線和相頻特性曲線較為平坦，靈敏度幅值在通頻帶內(nèi)起伏小于0.4 dB，能滿足矢量水聽(tīng)器矢量通道要求。

圖3　加速度傳感器x軸頻響特性曲線

3　矢量水聽(tīng)器設(shè)計(jì)與制作

本文設(shè)計(jì)、制作同振式矢量水聽(tīng)器包含聲壓水聽(tīng)器和三軸向矢量水聽(tīng)器兩部分，在整體設(shè)計(jì)階段為了將聲壓水聽(tīng)器和矢量水聽(tīng)器在結(jié)構(gòu)上復(fù)合為一個(gè)整體，并保證在制作完成后二者等效聲中心重合，矢量水聽(tīng)器內(nèi)部以及半球帽部分采用玻璃微珠與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合泡沫材料填充，以便降低矢量水聽(tīng)器整體平均密度，壓電陶瓷圓管外敷以聚氨酯密封材料，以保證矢量水聽(tīng)器聲壓通道透聲性能和水密性。

制作完成后矢量水聽(tīng)器外形尺寸為Φ54×72 mm、工作頻帶為20 Hz～2 000 Hz、平均密度ρˉ= 1 200 kg/m3，圖4給出了設(shè)計(jì)、制作的7只同振式三軸向矢量水聽(tīng)器實(shí)物照片。

圖4　同振式三軸向矢量水聽(tīng)器

4　矢量水聽(tīng)器性能測(cè)試

矢量水聽(tīng)器在使用之前要對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試校準(zhǔn)，本文中研制同振式三維矢量水聽(tīng)器測(cè)試校準(zhǔn)工作在國(guó)防科技工業(yè)水聲一級(jí)計(jì)量站駐波管測(cè)試設(shè)備中進(jìn)行，測(cè)試項(xiàng)目包括各通道靈敏度、指向性。圖5為駐波管測(cè)試圖。

圖5　駐波管測(cè)試圖

3.1矢量水聽(tīng)器靈敏度測(cè)試

矢量水聽(tīng)器的靈敏度一般用自由場(chǎng)聲壓靈敏度來(lái)表示，其表達(dá)式為［10］：

式中，Mp為待測(cè)矢量水聽(tīng)器自由場(chǎng)聲壓靈敏度，它表示矢量水聽(tīng)器輸出開(kāi)路電壓Uoc和聲場(chǎng)中未放入矢量水聽(tīng)器之前其等效聲中心所在水質(zhì)點(diǎn)處聲壓P的比值。

測(cè)量時(shí)，使待測(cè)通道最大值方向?qū)?zhǔn)發(fā)射換能器，在保持發(fā)射換能器輸出功率不變的情況下，通過(guò)改變發(fā)射頻率，同時(shí)記錄矢量水聽(tīng)器通道輸出電壓和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓，通過(guò)比較法得到待測(cè)通道靈敏度，矢量水聽(tīng)器駐波管中靈敏度采用比較法測(cè)試校準(zhǔn)，其自由場(chǎng)聲壓靈敏度級(jí)表示公式為［14］：

式中LMp和LM0分別為待測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的聲壓靈敏度級(jí)，e1和e0分別為待測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓值，A1和A0分別為待測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)通道放大倍數(shù)，d1和d1分別為待測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器距水面高度，k為波數(shù)，圖6給出本文設(shè)計(jì)、制作水聽(tīng)器各通道靈敏度級(jí)測(cè)試曲線。

圖6　各通道靈敏度測(cè)試曲線

由圖6矢量水聽(tīng)器各通道靈敏度級(jí)測(cè)試結(jié)果可知：各通道靈敏度級(jí)實(shí)測(cè)值和理論值吻合較好，矢量通道聲壓靈敏度級(jí)為-185.3 dB（測(cè)試頻率500 Hz，0 dB= 1 V/μPa），在測(cè)量頻帶內(nèi)每增加一個(gè)倍頻程靈敏度級(jí)增加6分貝，聲壓通道聲壓靈敏度級(jí)為-192.7 dB（0 dB= 1 V/μPa），測(cè)量頻帶內(nèi)靈敏度級(jí)不穩(wěn)定性小于1dB。

3.2矢量水聽(tīng)器指向性測(cè)試

圖7　100Hz頻點(diǎn)各通道測(cè)試指向性圖

矢量水聽(tīng)器通道指向性為其在遠(yuǎn)場(chǎng)平面波作用下，所產(chǎn)生的開(kāi)路輸出電壓隨入射方向變化的曲線圖。實(shí)際測(cè)量時(shí)，在保持發(fā)射換能器輸出功率不變的情況下，通過(guò)旋轉(zhuǎn)矢量水聽(tīng)器一周并記錄不同角度時(shí)待測(cè)通道輸出電壓值，數(shù)值做歸一化處理即可得到指向性圖。理論上，聲壓通道具有全指向性，即輸出電壓不隨旋轉(zhuǎn)角度變化而變化，矢量通道具有與頻率無(wú)關(guān)的余弦指向性，圖7、圖8分別為100 Hz、1250 Hz頻點(diǎn)時(shí)各通道測(cè)試指向性圖。

圖8　1250 Hz頻點(diǎn)各通道測(cè)試指向性圖

由圖7和圖8各通道測(cè)試指向性圖可以看出，100 Hz頻點(diǎn)、1 250 Hz頻點(diǎn)時(shí)矢量通道均具有余弦指向性，聲壓通道具有全指向性。100 Hz頻點(diǎn)時(shí)，矢量通道分辨力均大于39.5 dB，靈敏度最大值不均勻性不大于0.2 dB，聲壓通道指向性起伏0.2 dB；1 250 Hz頻點(diǎn)時(shí)，矢量通道分辨力均大于25 dB，靈敏度最大值不均勻性不大于0.9 dB，聲壓通道指向性起伏0.3 dB。

5　結(jié)論

本文以實(shí)際工程需要為背景，設(shè)計(jì)、制作7只外形為柱體兩端帶半球帽的圓柱形同振式三維矢量水聽(tīng)器，尺寸為Φ54×72 mm，等效本底噪聲壓級(jí)為57 dB@1 kHz。國(guó)防科技工業(yè)水聲一級(jí)計(jì)量站性能測(cè)試結(jié)果表明：矢量通道聲壓靈敏度級(jí)為-185.3 dB（測(cè)試頻率500 Hz，0 dB=1 V/μPa）、具有余弦指向性；聲壓通道聲壓靈敏度級(jí)為-192.7 dB（0 dB=1 V/ μPa）、具有全指向性。設(shè)計(jì)、制作的矢量水聽(tīng)器靈敏度高、通道一致性好，適合構(gòu)建矢量水聽(tīng)器線陣。

［1］吳艷群.拖曳陣用光纖矢量水聽(tīng)器關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

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孫芹東（1986-），男，助教，2013年3月畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，6月到海軍潛艇學(xué)院任教，主要從事聲矢量傳感器及其應(yīng)用技術(shù)的研究，sqd2010@163.com。

EEACC：2860C；723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.06.027

同振式三軸向矢量水聽(tīng)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

孫芹東*，侯文姝，王文龍，王超
（海軍潛艇學(xué)院，山東青島266042）

根據(jù)實(shí)際工程需要，設(shè)計(jì)、制作同振式三軸向矢量水聽(tīng)器，其外形為柱體兩端帶半球帽的圓柱體，聲壓通道和矢量通道在結(jié)構(gòu)上結(jié)合為一體。矢量水聽(tīng)器外形尺寸為Φ54×72 mm、工作頻帶為20 Hz～2 000 Hz。在國(guó)防科技工業(yè)水聲一級(jí)計(jì)量站駐波管對(duì)研制的矢量水聽(tīng)器進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：聲壓通道聲壓靈敏度級(jí)為-192.7 dB（0 dB=1 V/μPa）、具有全指向性；矢量通道聲壓靈敏度級(jí)為-185.3 dB（測(cè)試頻率500 Hz，0 dB=1 V/μPa）、具有余弦指向性。設(shè)計(jì)、制作的矢量水聽(tīng)器靈敏度高、通道一致性好、使用方便，滿足工程應(yīng)用需求。

同振式；矢量水聽(tīng)器；三軸向；靈敏度；指向性

TB565.1

A

1004-1699（2016）06-0952-05

2015-11-10修改日期：2016-02-03

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61203271）