劉爽，藍(lán)宇，李琪

?

中頻同振柱型矢量水聽器及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉爽1,2，藍(lán)宇1,2，李琪1,2

(1. 哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001；2. 哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

針對(duì)同振型矢量水聽器后期懸掛金屬?gòu)椈苫蛳鹉z繩給使用者帶來(lái)不便的問(wèn)題，提出一種中頻同振柱型矢量水聽器及其支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)矢量水聽器振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)其聲學(xué)特性進(jìn)行分析，通過(guò)ANSYS有限元軟件，利用Mooney-Rivlin理論對(duì)圓環(huán)形橡膠彈簧在壓縮情況下的水平剪切剛度進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了Rivlin參數(shù)對(duì)橡膠彈簧剪切剛度的影響，并研制出矢量水聽器樣機(jī)。在1000~4000 Hz頻率范圍內(nèi)，對(duì)矢量水聽器進(jìn)行了測(cè)試，并給出了測(cè)試結(jié)果。在1 kHz時(shí)，聲壓靈敏度為-195 dB，指向性凹點(diǎn)深度大于20 dB。測(cè)試結(jié)果表明，此種設(shè)計(jì)免除了反復(fù)懸掛金屬?gòu)椈苫蛳鹉z繩帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)。

矢量水聽器；支撐結(jié)構(gòu)；Mooney-Rivlin模型；剪切剛度

0 引言

目前應(yīng)用的矢量水聽器，主要基于兩種不同傳感原理。一種是基于雙聲壓水聽器進(jìn)行差分輸出的聲壓梯度水聽器，一種是基于慣性傳感器的同振型矢量水聽器[1]。前者由于其原理限制，通常頻帶較窄，靈敏度不高。后者由于性能較為穩(wěn)定，靈敏度較高，已在水上航道、港口安全警戒系統(tǒng)、水下噪聲源定位、水聲通訊及地聲反演領(lǐng)域得到了有效應(yīng)用[2-4]。通常研究人員最為關(guān)注的是矢量水聽器的靈敏度和指向性指標(biāo)。靈敏度主要取決于水聽器內(nèi)部的敏感元件性能，而指向性不但與敏感元件有關(guān)，同時(shí)取決于水聽器支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。目前使用最多的是橡膠繩和金屬?gòu)椈伞Ｏ鹉z繩在水下斷裂的風(fēng)險(xiǎn)明顯大于金屬?gòu)椈?，而金屬?gòu)椈傻呐ちλa(chǎn)生的不均勻性又易對(duì)矢量水聽器的指向性產(chǎn)生負(fù)面影響，也給應(yīng)用者帶來(lái)很大不便。

針對(duì)同振型矢量水聽器的支撐結(jié)構(gòu)，國(guó)外研究人員早已展開相關(guān)工作。一個(gè)為帶有彈性透聲包裹橡膠層的同振球型矢量水聽器，其設(shè)計(jì)工作頻率為100~2000 Hz[5]。另一個(gè)為一種雙層結(jié)構(gòu)的同振柱型矢量水聽器。其將彈性膠層放置在傳感器內(nèi)部，并將矢量水聽器的安裝基座延伸到外面。研究人員稱其最大上限頻率可達(dá)20 kHz[6]。不過(guò)兩種水聽器都沒(méi)有給出測(cè)試結(jié)果，且工藝都較為復(fù)雜。國(guó)內(nèi)近年來(lái)也開展了相關(guān)工作。本文作者曾研制出了一種可剛性固定的同振圓柱型矢量水聽器[7]。其帶寬為500~2500 Hz。不過(guò)由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式，很難進(jìn)一步提升上限頻率。

針對(duì)此種問(wèn)題，本文提出了一種中頻同振柱型矢量水聽器，其中利用圓環(huán)型橡膠彈簧作為彈性元件，結(jié)合外部金屬框架，以減小尺寸，達(dá)到提高上限頻率的目的，且水下可靠性有所提高，免除了使用橡膠繩或金屬?gòu)椈勺鳛閼覓旒r(shí)所帶來(lái)的不便。

1 基本理論

圖1給出了矢量水聽器及其支撐結(jié)構(gòu)圖。圖中1為安裝定位桿，2為水聽器不銹鋼支撐架(高度13 cm，寬度11 cm)，3為圓環(huán)型橡膠彈簧，4為同振柱型矢量水聽器(直徑5 cm，高7 cm)，5為矢量水聽器內(nèi)部的壓電加速度傳感器(直徑1.7 cm，高1.6 cm)。支撐結(jié)構(gòu)利用了圓環(huán)型橡膠彈簧的剪切剛度。通過(guò)圖1可以容易得到矢量水聽器的系統(tǒng)振動(dòng)圖，如圖2所示。

圖2中/2和/2為單個(gè)圓環(huán)型橡膠彈簧的水平剪切剛度和阻尼系數(shù)。和為壓電加速度傳感器內(nèi)部敏感材料的剛度和阻尼系數(shù)。和分別為矢量水聽器質(zhì)量和壓電加速度計(jì)內(nèi)部質(zhì)量塊質(zhì)量。當(dāng)聲波作用到水聽器時(shí)，橡膠彈簧做水平剪切運(yùn)動(dòng)。

文獻(xiàn)[7]推導(dǎo)了帶懸掛系統(tǒng)的以加速度傳感器為敏感元件的同振柱型矢量水聽器的水下聲壓靈敏度表達(dá)式：

為了看出諧振頻率對(duì)工作帶寬的影響，圖3計(jì)算了矢量水聽器在水中的不同諧振頻率的頻響曲線，其中假定，且聲壓靈敏度級(jí)是以1 kHz時(shí)的靈敏度為參考值的分貝值。

從圖3中可以看出，懸掛系統(tǒng)主要對(duì)水聽器的下限工作頻率產(chǎn)生影響，下面著重對(duì)橡膠彈簧的剪切剛度進(jìn)行計(jì)算。

2 橡膠彈簧壓縮下的剪切剛度

2.1 Mooney-Rivlin模型

在實(shí)際應(yīng)用中，橡膠材料在變形中體積變化甚微，實(shí)際上可以看成為各向同性且不可壓縮材料。其應(yīng)變能函數(shù)可以看成主不變量的函數(shù)[8]

(3)

該模型在較小變形情況下可以對(duì)橡膠材料的性能進(jìn)行較好的模擬分析。

2.2 橡膠彈簧剪切剛度有限元分析

在無(wú)預(yù)應(yīng)力條件下的圓環(huán)型橡膠彈簧的剪切剛度計(jì)算公式為[9]

要獲得真實(shí)的Rivlin參數(shù)值，通常要進(jìn)行繁瑣的測(cè)試或曲線擬合[10]。為了獲得較為通用的材料參數(shù)對(duì)橡膠彈簧剪切剛度的影響，這里通過(guò)對(duì)不同參數(shù)的設(shè)定來(lái)計(jì)算Rivlin參數(shù)對(duì)剪切剛度影響。

為了方便施加壓力，實(shí)際建模中將橡膠彈簧與鋼板進(jìn)行連接，通過(guò)對(duì)鋼板的加載實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠彈簧壓力與剪切力的聯(lián)合加載，如圖4所示。圖4中，上面為鋼板，下面為橡膠彈簧。

在計(jì)算中采用分部計(jì)算方式，即首先施加壓力，然后施加剪切力。在計(jì)算中采用位移施加并提取支反力的方式獲得橡膠彈簧在有初始?jí)毫l件下的剪切剛度。

表1給出了在不同壓力情況下Rivlin參數(shù)對(duì)橡膠彈簧的剪切剛度的影響。其中壓力單位為MPa，

表1 不同壓力下Rivlin參數(shù)對(duì)剪切剛度影響

在有預(yù)應(yīng)壓力的情況下，Rivlin參數(shù)對(duì)橡膠彈簧的剪切剛度有一定的影響。當(dāng)為0時(shí)，圓環(huán)形橡膠彈簧的剪切剛度隨壓力增大而減小。當(dāng)不為0時(shí)圓環(huán)形橡膠彈簧的剪切剛度隨著壓力的增大是先增大后變小的。且隨著比例的增大，剪切剛度的增大趨勢(shì)越為明顯，但與無(wú)預(yù)應(yīng)力時(shí)的剪切剛度相比變化百分比不大。對(duì)于水聽器下限諧振頻率來(lái)說(shuō)，影響較小。因此在實(shí)際估算矢量水聽器的下限頻率時(shí)，可以不必精確測(cè)量橡膠Rivlin參數(shù)，只需要知道橡膠材料的剪切模量就可以較為準(zhǔn)確地得到水聽器的下限頻率。針對(duì)本論文中的計(jì)算結(jié)果，如矢量水聽器的平均密度為1000 kg/m3，剪切剛度為384.6 N/mm，可得出水聽器在水中的下限諧振頻率約為266 Hz。通常取水聽器的下限工作頻率大于下限諧振頻率的3倍，以避免諧振頻率對(duì)工作特性產(chǎn)生影響。

圖5給出了圓環(huán)形剪切彈簧在初始恒壓力下，隨剪切力的變形圖。

對(duì)于橡膠材料的剪切模量可利用式(6)得到[9]：

式中，為橡膠材料的硬度。值得說(shuō)明的是式(6)與(4)具有一定內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)橡膠的硬度可以直接計(jì)算出Rivlin參數(shù)與的和值，然而不能確定與的確切值。

3 水聽器的測(cè)試

在哈爾濱工程大學(xué)海洋環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室低頻水池進(jìn)行了水聽器測(cè)試。利用脈沖波技術(shù)，通過(guò)比較法進(jìn)行靈敏度的測(cè)試。圖6和圖7給出了部分測(cè)試結(jié)果。圖8給出了矢量水聽器的實(shí)物圖。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，水聽器在1 kHz與4 kHz的靈敏度差值約為15 dB，與理論值12 dB有一定的誤差，且在1630 Hz與理論值也有1.5 dB的差距。造成的原因除了水聲測(cè)量通常帶來(lái)的1~2 dB的誤差外，也與裝配水聽器和支撐結(jié)構(gòu)時(shí)的工藝具有一定的關(guān)系，對(duì)靈敏度的起伏產(chǎn)生了一定影響。另外通過(guò)對(duì)橡膠彈簧的剪切剛度的計(jì)算，取1 kHz的下限工作頻率也是適宜的。

4 結(jié)論

本文對(duì)一種中頻同振柱型矢量水聽器及其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。計(jì)算了諧振頻率對(duì)水聽器工作帶寬的影響。通過(guò)仿真，完善了在不同壓力下Rivlin參數(shù)對(duì)于給定橡膠彈簧水平剪切剛度的影響。并最終研制出水聽器實(shí)物。測(cè)試結(jié)果表明，此種結(jié)構(gòu)可以提高固定安裝式矢量水聽器的上限工作頻率，免除了使用橡膠繩或金屬?gòu)椈勺鳛閼覓旒?lái)的不便。不過(guò)仍需在水聽器與支撐結(jié)構(gòu)安裝工藝和新型支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面展開進(jìn)一步研究，以使水聽器能在較寬的工作頻帶內(nèi)進(jìn)行工作，并保證靈敏度曲線在合理范圍內(nèi)的起伏。

[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), 2004，29(6): 481-490.

SUN Guiqing, LI Qihu. Progress of study on acoustic vector sensor[J]. Acta Acustic, 2004, 29(6): 481-490.

[2] 賈志富. 全面感知水聲信息的新傳感器技術(shù)——矢量水聽器及其應(yīng)用[J]. 物理, 2009, 38(3): 157-168.

JIA Zhifu. Novel sensor technology for comprehensive underwater acoustic information-vector hydrophones and their application[J]. WuLi, 2009, 38(3): 157-168

[3] 彭漢書, 李風(fēng)華. 由矢量水聽器陣反演淺海地聲參數(shù)[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2008, 28(4): 163-167.

PENG Hanshu, LI Fenghua. Geoacoustic inversion from vector hydrophone array in shallow water[J]. Technical Acoustics, 2008, 28(4): 163-167.

[4] 陳川, 王大宇. 矢量水聽器在水聲通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2012, 31(4): 375-380.

CHEN Chuan, WANG Dayu. The application of vector hydrophone in underwater communication system[J]. Technical Acoustics, 2012, 31(4): 375-380.

[5] Cray B A. Acoustic vector sensor: America, 6370084[P]. 2002-04-09.

[6] Naluai N K. Acoustic intensity methods and their applica- tions to vector sensor use and design[D]. Pennsylvania: The Pennsylvania state University, 2006: 133-154.

[7] 劉爽. 可剛性固定的同振圓柱型矢量水聽器的設(shè)計(jì)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 35(12): 1467-1472.

LIU Shuang. Design of rigidly mounted co-oscillating cylinder vector hydrophone[J]. Joural of Harbin Engineering University, 2014, 35(12): 1467-1472.

[8] 李忱. 超彈性體非線性本構(gòu)理論[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2006: 1-3.

LI Chen. The nonlinear constitutive theory ofhyperelastic body[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2006: 1-3.

[9] 張英會(huì). 彈簧手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006: 439-442.

ZHANG Yinghui. Manual of spring[M]. Beijing: China Machine Press, 2006: 439-442.

[10] Gent A N. Engineer with rubber-how to design rubber components[M]. Cincinnati: Hanser Publisher, 2000: 259-275.

Design of medium frequency co-oscillating cylinder vector hydrophone and its support structure

LIU Shuang1,2, LAN Yu1,2, LI Qi1,2

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China;2. College of underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China)

Due to the inconvenience for users caused by the co-oscillating vector hydrophone using metal spring or rubber cords suspension, a design scheme of medium frequency co-oscillating cylinder vector hydrophone and its supporting structure is proposed. With the vibration system of acoustic vector hydrophone, the acoustic characteristics are analyzed. Using the finite element softwareANSYS and the theory of Mooney-Rivlin, the horizontal shear stiffness of circular rubber spring is analyzed in the case of compression. The influence of Rivlin parameter on the horizontal shear stiffness of circular rubber spring is analyzed, and the acoustic vector hydrophone is developed. In 1000~4000Hz frequency range, the hydrophone is measured, and the result is: the sound pressure sensitivity level is -195dB at 1 kHz and the ration of the maximum to the minimum in the directivity pattern is greater than 20dB. The measurement results show that the design method could reduce the negative influence of repeatedly suspending metal springs or rubber cords.

vector hydrophone; support structure; Mooney-Rivlin model;shear stiffness

TB565.1

A

1000-3630(2016)-01-0078-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.017

2015-04-03;

2015-07-09

水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(200901)

劉爽(1982－), 男, 黑龍江哈爾濱人, 博士研究生, 講師, 研究方向聲學(xué)傳感器。

藍(lán)宇, E-mail: lanyu@hrbeu.edu.cn