矢量傳感器多極子化組合前景

楊士莪

(哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

矢量傳感器多極子化組合前景

楊士莪

(哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

本文根據(jù)多極子組合所接收的目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)弱,各向同性環(huán)境噪聲強(qiáng)弱,各陣元自噪聲的累加效應(yīng),以及各陣元間由于入射聲波引發(fā)的互散射,分析其接收信噪比的變化,從而推斷其使用的可能性。

矢量傳感器; 多極子組合; 信噪比; 自噪聲

作為由水聽器和同振式質(zhì)點(diǎn)振速傳感器組合而成的矢量傳感器，自二十世紀(jì)七十年代問(wèn)世以來(lái)，由于其能實(shí)現(xiàn)聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的同點(diǎn)測(cè)量，且具有寬帶一致的“8”字形方向性，有利于低頻信號(hào)檢測(cè)，因而很快獲得了廣泛應(yīng)用。但為了能利用矢量傳感器在盡可能小的尺度上形成陣列，從而獲得對(duì)低頻信號(hào)更尖銳的方向性，最方便的辦法是將各矢量傳感器按需要組成不同階的多極子[1]。本文的目的，即在于分析不同階多極子的工作性能，以判定合適的多極子組合選用階次; 為了討論上的簡(jiǎn)明, 除特別標(biāo)明的情況以外, 將僅限于考慮二維空間環(huán)境條件, 這對(duì)于在淺海條件下使用低頻信號(hào)進(jìn)行工作的情況，具有一定的合理性, 同時(shí)這樣所獲得的規(guī)律也有一定的普適性。

圖1 矢量傳感器方向性圖Fig.1 Directional pattern of vector sensor

雖然理論上質(zhì)點(diǎn)振速傳感器應(yīng)具有“8”字形方向性，相當(dāng)于一個(gè)二極子，但工程上可能制造出的質(zhì)點(diǎn)振速傳感器，不可能具有嚴(yán)格的“8”字形方向性，而將具有如圖1所示的水平方向性，這時(shí)具有正負(fù)相位的兩個(gè)圓并非相切, 而有少許的相交, 因而其水平方向性將具有式(1)和(2)所給出的形式：

(1)

(2)

(3)

(4)

這時(shí)其所接收到的各向同性噪聲將比水聽器所接收到的噪聲小0.425dB, 與三維條件下所得到的結(jié)果十分相近, 因此僅考慮二維情況將不至于和實(shí)際條件有過(guò)大的差異。

(5)

在討論使用多極子方案組成小型矢量陣時(shí)，還應(yīng)該了解不同陣元間由入射聲波引發(fā)的互散射，對(duì)陣元接收靈敏度所帶來(lái)的影響。對(duì)低頻工作環(huán)境來(lái)說(shuō)，陣元尺寸將遠(yuǎn)小于入射聲波波長(zhǎng)，可將其近似看作半徑等于b的小球，這時(shí)其散射聲場(chǎng)的勢(shì)函數(shù)可近似寫為[4]：

(6)

式中：r為接收點(diǎn)與球心距離，?為接收點(diǎn)方向與入射聲波方向間夾角。只要各陣元排列不過(guò)于緊密r?b，則其互散射影響可以忽略不計(jì)，因而在利用多極子方案組成矢量傳感器陣時(shí)，需考慮盡量做小傳感器尺寸，并合理選擇各傳感器間距；在當(dāng)前技術(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)最高不超過(guò)五階多極子矢量傳感器陣是完全可能的。

綜上，由于矢量傳感器各陣元均具有寬帶一致的方向性,所以當(dāng)按照多極子方式組合時(shí),最終形成的基陣也將具有寬帶一致的方向性。即或是用在次聲頻段，整個(gè)基陣的尺寸也將遠(yuǎn)小于通常水聽器陣的尺寸，因而更便于安裝操作，但其成陣的計(jì)算程序，將完全不同于水聽器陣的成陣算法，且對(duì)其中振速傳感器自噪聲的要求，也將遠(yuǎn)高于通常減震用加速度計(jì)的自噪聲，這是在生產(chǎn)過(guò)程中需要特別注意的問(wèn)題。

[1]YANG Shie. Directional pattern of a cross vector sensor array[J]. The journal of the acoustical society of America, 2012, 131(4): 3484.

[2]孫貴青. 矢量水聽器檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2001.

[3]陳洪娟. 中頻小型矢量水聽器設(shè)計(jì)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2005.

[4]楊士莪. 聲學(xué)原理概要[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2015.

Perspective of multi-pole-forming by vector sensor

YANG Shie

(College of Underwater Engineering，Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In this paper, the received signal intensity, noise intensity of isotropic ambient noise, total self-noise, and mutual scattering effect caused by the incident wave of a multi-pole transducer were analyzed. The potential of the applicability of multi-pole-forming was deduced by the value of SNR.

vector sensor；multi-pole transducer；SNR;self-noise

2016-09-19.

時(shí)間：2016-12-12.

楊士莪(1931-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，中國(guó)工程院院士.

楊士莪，E-mail： yangshie@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201609054

TB565

A

1006-7043(2017)01-0101-02

楊士莪. 矢量傳感器多極子化組合前景[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017, 38(1): 102-103. YANG Shie. Perspective of multi-pole-forming by vector sensor[J]. Journal of Harbin Engineering University,2017, 38(1): 102-103.

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