喬子椋, 張群飛, 雷開卓

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聲自導換能器在強聲脈沖下的響應(yīng)特性分析

喬子椋, 張群飛, 雷開卓

(西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

為了分析強聲脈沖對自導系統(tǒng)的作用效果, 需要研究聲自導換能器在強聲脈沖下的響應(yīng)特性。根據(jù)導納圓圖法建立了復(fù)合棒型聲換能器的等效電路模型, 并進行了仿真。仿真中強聲脈沖信號使換能器等效電路產(chǎn)生振蕩。在水下強聲試驗系統(tǒng)中進行了水下強聲試驗, 采集了強聲脈沖信號及換能器輸出信號, 試驗中強聲脈沖亦使換能器產(chǎn)生了振蕩, 與仿真結(jié)果相符, 也驗證了等效電路模型的合理性。研究還發(fā)現(xiàn), 不同換能器產(chǎn)生的振蕩相關(guān)性差, 使方位估計無法正常進行。試驗結(jié)果表明, 強聲脈沖可對自導系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的壓制效果, 使其進入致盲狀態(tài), 對抗效果明顯。

聲換能器; 導納圓圖; 等效電路; 強聲脈沖; 響應(yīng)特性

0 引言

魚雷聲自導系統(tǒng)是指以水聲物理場作為控制場, 利用目標輻射或反射的聲能量發(fā)現(xiàn)目標, 測定其參量, 并對魚雷進行導引控制的系統(tǒng)。它由聲學基陣、發(fā)射機、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)、接收機和指令系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成。聲學基陣由若干換能器陣元組成, 它的作用是進行電聲轉(zhuǎn)換和聲電轉(zhuǎn)換。

水下爆炸具有持續(xù)時間短、瞬時聲壓級高、頻率分布寬和傳播距離遠等聲學特性。據(jù)相關(guān)記載, 水下彈藥連續(xù)爆炸產(chǎn)生的聲波從幾十赫茲到50 kHz以上都有相當強的聲功率, 可完全覆蓋目前世界上魚雷聲自導系統(tǒng)的各個工作頻段[1]。因此, 當利用水下爆炸形成的強聲脈沖作為對抗聲自導魚雷的干擾源時, 其強勁的聲波將會使魚雷聲自導系統(tǒng)產(chǎn)生偵聽飽和、阻塞抑制, 使自導跟蹤失去目標接觸, 達到較好的對抗效果[2-3]。

與水下爆炸類似的水下定向聲能技術(shù)是艦艇水下防御領(lǐng)域內(nèi)一項全新的研究內(nèi)容[4], 它利用強聲脈沖的定向聚焦, 在一定區(qū)域形成能量集中的聚焦壓力波, 作為一種有效的硬殺傷手段可大大提高艦艇防御能力, 是水下防御的發(fā)展方向之一。同時, 在聲波的強度尚達不到硬殺傷效果時, 強聲能的定向聚焦就成為一個強聲干擾源。

本文的強聲干擾源利用液電效應(yīng)和聲束聚焦技術(shù), 通過水下瞬時放電產(chǎn)生水下沖擊波, 實現(xiàn)水下聲能量的定向聚焦[4]。水下放電強聲源由充放電回路、觸發(fā)開關(guān)、放電開關(guān)、傳輸電纜及控制部分組成。充電回路包含感應(yīng)調(diào)壓器、LC諧振系統(tǒng)及升壓整流系統(tǒng), 負責給電容器組快速充電。放電回路包括電容器組、觸發(fā)放電開關(guān)、傳輸線纜及水下放電間隙(放電電極)。當給電容器組充上高壓, 在高壓觸發(fā)脈沖作用下, 觸發(fā)放電開關(guān)導通, 電容器組通過放電開關(guān)經(jīng)傳輸電纜在水下放電, 產(chǎn)生強烈的爆炸, 形成強聲脈沖。

由于強聲直接作用在換能器上, 因此在分析自導系統(tǒng)在強聲脈沖輻射下的響應(yīng)時, 首先需要建立換能器的等效電路, 如何對特定類型的換能器建立有效的、精確的等效電路, 將直接影響到強聲脈沖式水聲對抗器材的壓制效果仿真。本文通過精密阻抗分析儀對換能器進行測量, 根據(jù)導納圓圖法得到換能器的等效電路, 再利用MultiSim軟件仿真分析在單次強聲脈沖下, 換能器等效電路的響應(yīng)特性, 最后進行試驗并與仿真結(jié)果對比, 驗證換能器的等效電路的有效性和精確性, 為分析魚雷聲自導系統(tǒng)與強聲脈沖干擾器的對抗反對抗性能奠定了基礎(chǔ)。

1 換能器等效電路的建模

為了提供換能器與自導系統(tǒng)的電子發(fā)射、接收設(shè)備之間阻抗匹配的數(shù)據(jù), 研究、分析換能器的性能, 通常需要測量換能器的等效電路。如果忽略電損耗, 一個壓電換能器的靜態(tài)等效電路是一個純電容, 當換能器振動輻射聲能量時, 還存在動態(tài)阻抗, 這是由于換能器振動部分的力阻抗和介質(zhì)對振動部分的反作用而產(chǎn)生的, 動態(tài)阻抗總可以用電阻、電感和電容來表示。如果在離某一共振頻率很遠的頻率上沒有其他共振, 則在這個共振頻率附近, 可把壓電換能器近似看成一個集總系統(tǒng)[5]。另外, 如果考慮到換能器的電損耗, 需在換能器等效電路中并聯(lián)一個損耗電阻, 于是換能器的等效電路如圖1所示[6]。

圖1 考慮電路損耗的壓電換能器集總等效電路

圖1中,0是靜態(tài)電容,1,1及1分別為動態(tài)阻抗中的電阻、電容、電感,R為換能器的損耗電阻。本文討論的換能器為復(fù)合棒聲換能器, 其機械品質(zhì)因數(shù)Q較高, 故可根據(jù)導納圓圖法, 采用寬頻帶阻抗分析儀對其進行測量[6]。為獲得更逼近實際工作狀態(tài)的測量結(jié)果, 本文利用平衡測量方法, 在溫度、靜壓等環(huán)境條件達到穩(wěn)定狀態(tài)后, 使用Agilent 4294A寬頻帶精密阻抗分析儀, 分別測量得到電導和電納隨頻率變化的曲線, 如圖2所示，其中下圖為曲線局部圖。

圖2 換能器導納-頻率曲線

根據(jù)導納-頻率曲線, 可以做出導納圓圖, 圖3為測量換能器等效電路的導納圓圖, 對原始導納圓圖進行擬合, 擬合后為一閉合理想導納圓, 由該導納圓的直徑可得

過圓心作垂直于電導軸的直線, 交圓周于兩點和, 這兩點的頻率假定分別為1和2, 得

式中，ω=2πf。由導納圓沿電納軸平移的距離得

從圖3看出, 導納圓沒有與電納軸相切, 而是與其有一定距離, 即整個導納圓向電導增大方向平移一段距離, 該距離在數(shù)值上等于1/R, 故

綜上所述, 利用導納圓圖法得到了復(fù)合棒聲換能器的等效電路模型, 計算出各器件參數(shù)分別為

2 強聲脈沖下?lián)Q能器響應(yīng)的仿真

根據(jù)測量得到的等效電路, 在NI公司的電路仿真軟件MultiSim 10.1中, 對復(fù)合棒聲換能器在強聲脈沖下的響應(yīng)特性進行仿真。仿真中的信號源由MultiSim軟件中的分段線性電壓源(PIECEWISE_LINEAR_VOLTAGE)采用數(shù)據(jù)文件輸入的方式, 直接讀取試驗中水下爆炸產(chǎn)生的強聲信號。假設(shè)換能器的接收靈敏度是-190 dB, 接收點脈沖聲壓峰值為236 dB時, 換能器接收電壓峰值可達200 V, 其時域波形如圖4所示, 觀察等效電路的仿真輸出時域波形如圖5所示。由圖5可以看出, 單個強聲脈沖使換能器產(chǎn)生了一定持續(xù)時間的振蕩, 振蕩持續(xù)了約30 ms的時間。由此可推測自導系統(tǒng)的聲換能器在強聲脈沖的干擾下會產(chǎn)生振蕩, 且幅值較大。

圖4 實測水下強聲脈沖時域波形

圖5 強聲脈沖下?lián)Q能器響應(yīng)的時域仿真波形

3 試驗驗證及分析

3.1 試驗條件

在水下強聲對抗試驗系統(tǒng)中, 將2個復(fù)合棒聲換能器平行置于同一水平面上, 使其喇叭形前蓋板對準同一方向, 兩者之間的距離約為10 cm。在該水平面上, 距離換能器前蓋板平面約2 m處放置水下放電強聲源, 其俯視圖如圖6所示。

水下強聲對抗試驗系統(tǒng)的水箱尺寸約為(3×1×1) m, 水下強聲源傳播到換能器處的聲壓約為10 MPa, 同時, 在換能器的輸出端接有衰減器或者保護正反向保護二極管。

圖6 強聲源和換能器俯視圖

3.2 單換能器輸出結(jié)果及分析

水下放電產(chǎn)生單個強聲脈沖, 當換能器輸出端沒有并聯(lián)雙向鉗位保護二極管時, 離聲源2 m處換能器輸出時域波形如圖7, 輸出峰值電壓為108 V。功率譜如圖8, 換能器靈敏度為-190 dB。由圖8知, 在爆炸產(chǎn)生的激波后面, 存在由氣泡脈動產(chǎn)生的兩個較大的壓力脈沖, 其后聲壓值衰減很快。圖中看出, 原本頻帶從幾十赫茲到50 kHz以上的水下強聲脈沖, 被換能器的頻率響應(yīng)所濾波, 主要功率集中在25 kHz以及5 kHz以下強聲能量集中的頻段。當在換能器輸出端將兩個1N4148型二極管正反并聯(lián), 作為雙向鉗位保護二極管時, 換能器的輸出時域波形如所示。

圖7 無保護二極管時換能器的強聲脈沖響應(yīng)

圖8 無保護二極管時換能器的強聲脈沖響應(yīng)功率譜

圖9 并聯(lián)保護二極管時換能器的強聲脈沖響應(yīng)

由圖9中可以看出, 在單個強聲脈沖作用下, 換能器產(chǎn)生了振蕩, 且振蕩持續(xù)了約40 ms的時間, 振幅衰減較慢。在振蕩過程中, 出現(xiàn)了由1個激波和3個氣泡脈沖引起的換能器輸出電壓的跳變。經(jīng)過分析, 振蕩持續(xù)時間較長的原因在于, 換能器中的等效電感、電容等組件與正反向二極管形成振蕩回路, 在強聲脈沖激勵下形成自激振蕩。

3.3 多換能器相關(guān)結(jié)果及分析

在實際工作中, 由于換能器陣是在干擾背景下接收有用信號的, 因此在設(shè)計陣時都采用了信號和噪聲各自的空間相關(guān)特性提高信噪比, 增強對信號的檢測能力。一般說來, 各陣元接收的目標信號相關(guān)性越強, 接收的噪聲信號相關(guān)性越弱, 陣列處理的陣增益越高。聲場的空間相關(guān)性是以空間坐標為變量的函數(shù), 描述在空間一定距離上的兩點接收聲信號的相似程度, 常用相關(guān)函數(shù)或相關(guān)系數(shù)表征其相關(guān)性。

接收機工作時, 依據(jù)多個陣元接收信號之間的時移(相移)對目標方位進行估計, 而估計時須保證各陣元信號具備相關(guān)性, 此時換能器陣的空間增益為

式中: (,)為聲線入射方向;為陣的工作角頻率;(,,)為信號陣的相關(guān)系數(shù);(,,)為噪聲陣的相關(guān)系數(shù)。

在噪聲相關(guān)系數(shù)一定的情況下, 當信號處于全相關(guān)狀態(tài), 即(,,)=1時, 處理增益最大。在對抗過程中, 若目標投放強聲對抗裝備, 由于強聲脈沖覆蓋了自導系統(tǒng)的工作頻段, 由式(7)可以看出, 信號陣的相關(guān)系數(shù)的變化將會影響主被動自導系統(tǒng)的工作。

根據(jù)以上分析, 對多換能器在強聲脈沖下的相關(guān)性進行試驗計算, 以便分析強聲脈沖對自導系統(tǒng)換能器陣的影響。兩換能器(都并聯(lián)有保護二極管)在單個強聲脈沖下輸出時域波形見圖9, 局部放大波形見圖10。從局部波形圖中可以看出，兩者雖然都是限幅振蕩, 但在過零點位置、疏密分布等方面都有較大差異。

圖11是兩換能器輸出信號互相關(guān)系數(shù)曲線。用互相關(guān)計算時，兩通道時延為0.100 ms, 聲程差為149.8 mm。圖中，互相關(guān)系數(shù)最大值約為0.23, 說明該換能器的強聲脈沖響應(yīng)的相關(guān)性較差。相關(guān)系數(shù)最大值出現(xiàn)在=0.1 ms處, 而據(jù)布放情況, 兩換能器最大聲程差時延只有0.06 ms, 試驗中強聲源方位10°, 對應(yīng)時延為0.011 6 ms, 顯然根據(jù)兩路信號時延無法判斷強聲源方位。

圖10 兩換能器的強聲脈沖響應(yīng)時域波形

圖11 兩換能器的強聲脈沖響應(yīng)的互相關(guān)系數(shù)變化曲線

根據(jù)試驗條件, 若兩換能器的輸出具有相關(guān)性, 則依據(jù)兩通道的時延可估計出強聲源方位。對兩通道的實測數(shù)據(jù)進行分段, 數(shù)據(jù)起始時刻為12 ms, 每段長4 ms, 對每段數(shù)據(jù)用互相關(guān)估計通道間時延, 再解算聲源方位, 計算結(jié)果見表1。

表1 目標水平角估計值

由表1看出, 多數(shù)情況下這兩個換能器無法估計出目標方位, 即使估計出目標方位, 也與真實值偏差較大, 且各次估計值變化也較大。因此, 不論自導系統(tǒng)工作在主動模式還是被動模式下, 自導信號和艦艇噪聲信號都淹沒在強聲信號中, 自導系統(tǒng)探測到目標后無法有效估計目標方位。

4 結(jié)束語

在20 us寬的強聲脈沖作用下, 由于換能器與保護二極管形成自激振蕩回路, 聲換能器發(fā)生了持續(xù)時間40 ms以上的振蕩。多換能器在強聲脈沖作用下的輸出信號相關(guān)性很低, 試驗室環(huán)境下?lián)Q能器在離聲源2 m處自導系統(tǒng)無法估計目標方位, 進入致盲狀態(tài)。研究結(jié)果表明, 水下強聲脈沖串產(chǎn)生系統(tǒng)可作為新的水聲對抗裝備, 對聲自導魚雷形成有效的壓制。然而, 在多遠的距離上還能達到這種效果有待于進一步深入研究。

[1] 李寧, 陳建峰, 黃建國, 等. 各種水下聲源的發(fā)聲機理及其特性[J]. 應(yīng)用聲學, 2009, 29(4): 241-248.Li Ning, Chen Jian-feng, Huang Jian-guo, et al. Sounding Mechanisms and Characteristics of Various Underwater Sound Sources[J]. Applied Acoustics, 2009, 29(4): 241- 248.

[2] 潘正偉, 劉平香. 水下爆炸對魚雷毀傷的實驗研究[J]. 艦船科學技術(shù), 2003, 25(6): 52-55. Pan Zheng-wei, Liu Ping-xiang. Experimental Research of Underwater Explosion Damage Effect on Torpedos[J]. Ship Science and Technology, 2003, 25(6): 52-55.

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Response Characteristic of Acoustic Homing Transducer to Intense Sound Pulse

QIAO Zi-liang, ZHANG Qun-fei, LEI Kai-zhuo

(College of Marine Engineering, Northwestern Ploytechnical University, Xi′an 710072, China)

To evaluate the effect of intense sound pulse on homing system, the response characteristic of acoustic transducer to intense sound pulse is investigated. An equivalent circuit model of typical transducer is established based on the admittance circle diagram method. With this model, the response characteristic is analyzed by computer simulations, and the results show that an oscillation appears in the equivalent circuit due to the intense sound pulse. Water tank experiment is conducted in underwater intense sound experiment system, and the intense sound pulse signal as well as the output signal of the transducer is collected. In the experiment, intense sound pulse also leads to an excited oscillation of the transducer, which validates the correctness of the equivalent circuit model. Furthermore, the correlation among responses of different transducers is poor, which disturbs bearing estimation process. The experimental results indicate that intense sound pulse imposes an apparent suppression effect on the homing system, and brings torpedo into a blinding status.

acoustic transducer; admittance circle diagram; equivalent circuit; intense sound pulse; response characteristic

TJ630.34; TB56

A

1673-1948(2011)03-0187-05

2010-12-15;

2011-01-28.

國家自然科學基金(10974154), 國家大學生科技創(chuàng)新計劃(101069935).

喬子椋(1988-), 男, 在讀碩士, 研究方向為實時對抗仿真.

(責任編輯: 楊力軍)