用于水下目標(biāo)監(jiān)測(cè)的低頻同振式矢量水聽器研制

葛 松，付 昌，卞加聰，蘇宇博，歸宏猛

(上海船舶電子設(shè)備所，上海 201108)

水聲換能器(水聽器)是有效的水下信息探測(cè)設(shè)備，受到各國的極大重視[1-2]。與傳統(tǒng)的標(biāo)量水聽器基陣相比，矢量水聽器無需成陣即可獲得水中聲場(chǎng)的矢量信息，具有體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)。目前，矢量水聽器技術(shù)發(fā)展的主要方向包括低頻檢測(cè)、高信噪比、小型化[3-4]、陣列化[5]、新材料[6]、多用途、工程化應(yīng)用等。

船舶噪聲會(huì)損害船員及海洋生物的健康，同時(shí)其可以在一定程度上反映船體狀態(tài)[7]。布置水下聲學(xué)平臺(tái)并對(duì)船舶噪聲進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常船舶噪聲，保障人員健康安全。低頻船舶噪聲對(duì)人員及海洋生物的危害更大[8]，這就要求水下聲學(xué)傳感器具有較高的低頻靈敏度。

筆者基于水中聲矢量信號(hào)的低頻檢測(cè)問題，設(shè)計(jì)了一款三維同振式球型矢量水聽器，并對(duì)該矢量水聽器的性能進(jìn)行理論計(jì)算，經(jīng)駐波管靈敏度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果吻合良好。

該矢量水聽器在20800 Hz頻段內(nèi)擁有較好的等效聲壓靈敏度以及“8”字型指向性，且體積相對(duì)較小，十分適用于浮標(biāo)等海上聲學(xué)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可布放在港口等處，用于對(duì)過往的船舶噪聲等水下低頻聲信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 同振式矢量水聽器工作原理

1.1 加速度傳感器原理

文中的矢量水聽器核心元件為壓電式加速度傳感器，其結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化模型如圖1所示[9]。

圖1 加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意與簡(jiǎn)化模型

當(dāng)加速度傳感器感受到物體的振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)通過壓電元件傳遞給質(zhì)量塊，壓電元件受到力的作用并產(chǎn)生與傳感器加速度線性相關(guān)的電壓，其運(yùn)動(dòng)方程為

式中：m為質(zhì)量塊的質(zhì)量；K為系統(tǒng)彈簧剛度；R為系統(tǒng)阻尼系數(shù)；x為基座的絕對(duì)位移；y為質(zhì)量塊相對(duì)基座的位移，即壓電元件的變形量；t為時(shí)間。

在壓電元件彈性范圍內(nèi)有

F=Ky·y

(2)

式中：F為作用在壓電元件上的力；Ky為壓電元件的彈性系數(shù)。

壓電元件表面的電荷量Q與F成正比，且與壓電元件的壓電系數(shù)d33相關(guān)，其表達(dá)式為

Q=d33F

(3)

加速度傳感器的靈敏度Ma為

式中：U為壓電元件的輸出電壓；a為加速度;ω為振動(dòng)角頻率;ω0為傳感器固有頻率;ζ為阻尼比。

由式(4)可知，加速度傳感器的靈敏度隨頻率變化而變化，且在遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)的低頻頻帶內(nèi)變化較為平緩。因此，通常選用ω<ω0/3的頻段作為加速度傳感器的工作頻段，加速度傳感器的靈敏度以ω=0時(shí)的值表示[見式(5),式中C為壓電元件的電容]。

1.2 矢量水聽器靈敏度分析

基于壓電加速度傳感器進(jìn)行矢量水聽器設(shè)計(jì)，以三維壓電加速度傳感器作為矢量通道輸出，以壓電陶瓷圓管作為標(biāo)量通道輸出。為保證3個(gè)矢量通道的性能有較好的一致性，將矢量水聽器外形設(shè)計(jì)為球型。

在實(shí)際應(yīng)用中，常用分貝制的等效聲壓靈敏度表征矢量水聽器的靈敏度信息，因此需將加速度傳感器靈敏度轉(zhuǎn)化為矢量水聽器等效聲壓靈敏度，再計(jì)算傳感器是否滿足設(shè)計(jì)需求。

在理想條件下，矢量水聽器為零浮力剛性球體，在水中呈自由狀態(tài)，其振幅與相位與水質(zhì)點(diǎn)的振幅與相位皆相同。矢量水聽器等效聲壓靈敏度Mp與加速度傳感器靈敏度Ma的轉(zhuǎn)化關(guān)系為

靈敏度等級(jí)MpL為

式中：ρ0為水介質(zhì)密度；c為水中的聲速。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于安裝尺寸限制，矢量水聽器的密度也往往受限，難以實(shí)現(xiàn)完全的零浮力狀態(tài)。此時(shí)，矢量水聽器的密度會(huì)對(duì)矢量水聽器的振動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響，需要對(duì)此進(jìn)行分析并進(jìn)行補(bǔ)正。

同振球型矢量水聽器在水中近似為自由狀態(tài)的剛性球體，由水聲學(xué)理論分析可知，剛性球體在水中的振動(dòng)狀態(tài)與球心處的水質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。kr?1(r為球半徑，k為波數(shù))的剛性球體滿足以下關(guān)系式。

式中：v為剛性球體的振速；v0為球心處水質(zhì)點(diǎn)的振速；ρ為球體密度。

因此，當(dāng)水質(zhì)點(diǎn)加速度為a時(shí)，受矢量水聽器密度的影響，矢量水聽器的實(shí)際振動(dòng)幅度與水質(zhì)點(diǎn)的不同，矢量水聽器振動(dòng)加速度為，實(shí)際輸出電壓為

由此可得，當(dāng)矢量水聽器密度與介質(zhì)密度不一致時(shí)，實(shí)際等效聲壓靈敏度為

當(dāng)矢量水聽器密度大于水介質(zhì)密度時(shí)，矢量水聽器密度越大，實(shí)際靈敏度越低。設(shè)計(jì)矢量水聽器時(shí)，通常利用空心金屬殼或填充浮力材料等方式減小矢量水聽器的密度，使其接近水介質(zhì)的密度。

2 矢量水聽器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的矢量水聽器核心元件為3維壓電加速度傳感器，加速度靈敏度為25 V·g-1,x，y通道諧振頻率為1.3 kHz，z通道諧振頻率為2 kHz。為盡量減小矢量水聽器密度，使用低密度浮力材料進(jìn)行填充，設(shè)計(jì)的矢量水聽器直徑為78 mm，質(zhì)量為410 g。

根據(jù)式(7)計(jì)算得到矢量水聽器等效聲壓靈敏度理論值約為-179.6 dB。 矢量水聽器密度約為1 650 kg·m-3，高于水的密度，導(dǎo)致矢量水聽器的實(shí)際靈敏度偏低，故需計(jì)算矢量水聽器密度對(duì)靈敏度的影響以得到與實(shí)際靈敏度更接近的結(jié)果。

利用式(10)可理論計(jì)算考慮密度影響的矢量水聽器的等效聲壓靈敏度(見圖2)。由圖2可知，100 Hz頻率下靈敏度約為-182.9 dB。與理想條件(即矢量水聽器為零浮力)下的等效聲壓靈敏度相比，該矢量水聽器實(shí)際等效聲壓靈敏度降低約3.3 dB。

圖2 矢量水聽器等效聲壓靈敏度理論計(jì)算曲線

3 矢量水聽器性能檢測(cè)

基于以上分析，設(shè)計(jì)了三維同振式球型矢量水聽器。為確保水聽器在水中呈自由狀態(tài)且姿態(tài)穩(wěn)定，使用8顆彈簧將該矢量水聽器懸掛在訂制的支架上(見圖3)。

圖 3 矢量水聽器實(shí)物

在駐波管中對(duì)該矢量水聽器201 000 Hz頻段的靈敏度及指向性進(jìn)行了測(cè)試,其3個(gè)矢量通道的靈敏度實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 矢量水聽器靈敏度實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果

經(jīng)對(duì)比可以看出，矢量水聽器等效聲壓靈敏度實(shí)際值符合6 dB每倍頻程的增長(zhǎng)規(guī)律，與依據(jù)公式(10)計(jì)算所得的靈敏度理論值高度吻合。由此可見，在考慮了密度因素對(duì)靈敏度的影響后，根據(jù)加速度傳感器靈敏度計(jì)算的矢量水聽器等效聲壓靈敏度已十分接近真實(shí)情況，可以作為設(shè)計(jì)矢量水聽器的依據(jù)。

在20800 Hz頻段內(nèi)，該矢量水聽器的x，y，z3個(gè)矢量通道的靈敏度一致性良好，可滿足使用要求。另外，矢量通道的指向性與正交性同樣是矢量水聽器的重要指標(biāo)。在201 000 Hz頻段內(nèi)，對(duì)x，y，z3個(gè)矢量通道的指向性進(jìn)行了測(cè)試，其中，100 Hz頻率處的指向性如圖5-7所示。

圖5 矢量水聽器x，y通道100 Hz頻率處的指向性

圖6 矢量水聽器x，z通道100 Hz頻率處的指向性

圖7 矢量水聽器y，z通道100 Hz頻率處的指向性

指向性測(cè)試結(jié)果表明，所研制的水聽器在20800 Hz頻帶內(nèi)，指向性均為良好的“8”字型，凹點(diǎn)深度大于40 dB，且x,y,z3個(gè)矢量通道兩兩正交。在8001 000 Hz范圍內(nèi)，凹點(diǎn)深度開始減小，1 000 Hz處凹點(diǎn)深度為11 dB。文章以100 Hz頻率處的指向性作為代表反映該矢量水聽器的指向性。

研究表明，單個(gè)矢量水聽器定向角度誤差隨凹點(diǎn)深度的增加而減小，通常認(rèn)為當(dāng)凹點(diǎn)深度大于40 dB時(shí)，定向誤差可忽略。

4 結(jié)語

完成了一種三維同振型矢量水聽器的設(shè)計(jì)與制作，實(shí)物性能與理論分析結(jié)果基本符合。該水聽器在20 Hz的低頻范圍仍有較好的靈敏度和“8”字型指向性，可以應(yīng)用于浮標(biāo)、潛標(biāo)、UUV(無人水下航行器)等平臺(tái)，進(jìn)行低頻水聲矢量信號(hào)監(jiān)測(cè)。