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

矢量水聽器是一種新型水下聲信號接收器，其通常包含聲壓水聽器和矢量水聽器兩部分，聲壓水聽器敏感元件為按不同方式極化的壓電陶瓷，矢量水聽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］。矢量水聽器矢量通道具有與頻率無關(guān)的余弦指向性［2］，相比于傳統(tǒng)聲壓水聽器來說，單矢量水聽器通過聲壓和振速聯(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)聲壓水聽器陣列在定向時(shí)的左右舷模糊問題［3-4］。

近年來，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Naval Surface Warface Center利用5元矢量水聽器垂直陣在阿拉斯加附近海域所測環(huán)境噪聲譜級比聲壓水聽器低6 dB～8 dB［6-7］左右，矢量水聽器的出現(xiàn)及其工程應(yīng)是應(yīng)對低頻、遠(yuǎn)距離、弱信號輻射噪聲探測的有效辦法，因此，矢量水聽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，開展同振式三軸向矢量水聽器的研究。

1　矢量水聽器設(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)會發(fā)生聲散射現(xiàn)象。圓柱形矢量水聽器相比于水介質(zhì)近似為聲學(xué)剛性，將其放入水下聲場中時(shí)，其聲學(xué)特性與水介質(zhì)不連續(xù)，在矢量水聽器表面會存在聲散射波，由于散射波的存在，聲場中聲壓會產(chǎn)生畸變。因此，剛性圓柱形聲接收器放入水下聲場中接收到的聲壓信息是入射聲場和散射聲場的疊加。

對滿足聲學(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］：

通過對公式（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中時(shí)，其振動(dòng)速度幅值V與其未放入聲場中時(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：該形狀矢量水聽器聲接收特性可以近似用圓柱形矢量水聽器聲接收特性進(jìn)行表征［11-12］。

2　敏感元件選取與測試

2.1聲壓通道敏感元件選取與測試

鑒于本文設(shè)計(jì)、制作矢量水聽器外形為柱體兩端帶半球帽的圓柱體，矢量水聽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壓力，管端不受力，可以得到聲壓通道開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，可得到聲壓通道開路電壓接收靈敏度級隨材料參數(shù)變化曲線，如圖1所示。

圖1　聲壓通道靈敏度級特性曲線

從圖1中聲壓通道靈敏度級特性曲線可已看出，根據(jù)所選用壓電陶瓷詳細(xì)參數(shù)，矢量水聽器聲壓通道靈敏度級為Mp=-192.7 dB（0 dB=1 V/μPa），且該種極化方式壓電陶瓷圓管的開路電壓接收靈敏度級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。

在矢量水聽器整體設(shè)計(jì)、制作之前需要對矢量水聽器聲壓通道敏感元件進(jìn)行阻抗特性曲線測試，以檢驗(yàn)敏感元件頻率響應(yīng)。圖2為應(yīng)用安捷倫4294A型阻抗分析儀測量壓電陶瓷圓管所得阻抗特性曲線?？梢钥闯?，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)矢量水聽器上限工作頻率為2 000 Hz，滿足水聽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試

本文設(shè)計(jì)矢量水聽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、測量范圍廣、使用壽命長等優(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。

為檢測加速度傳感器實(shí)際性能，采用傳感器振動(dòng)測試系統(tǒng)對其性能進(jìn)行測試，測試系統(tǒng)主要組成包括：B&K4808振動(dòng)臺、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。測試時(shí)由B&K4808振動(dòng)臺提供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測試的頻響曲線來看，在10 Hz～2 000 Hz測試頻帶內(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　矢量水聽器設(shè)計(jì)與制作

本文設(shè)計(jì)、制作同振式矢量水聽器包含聲壓水聽器和三軸向矢量水聽器兩部分，在整體設(shè)計(jì)階段為了將聲壓水聽器和矢量水聽器在結(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，矢量水聽器內(nèi)部以及半球帽部分采用玻璃微珠與環(huán)氧樹脂復(fù)合泡沫材料填充，以便降低矢量水聽器整體平均密度，壓電陶瓷圓管外敷以聚氨酯密封材料，以保證矢量水聽器聲壓通道透聲性能和水密性。

制作完成后矢量水聽器外形尺寸為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器實(shí)物照片。

圖4　同振式三軸向矢量水聽器

4　矢量水聽器性能測試

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

圖5　駐波管測試圖

3.1矢量水聽器靈敏度測試

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

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

測量時(shí)，使待測通道最大值方向?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，通過改變發(fā)射頻率，同時(shí)記錄矢量水聽器通道輸出電壓和標(biāo)準(zhǔn)水聽器輸出電壓，通過比較法得到待測通道靈敏度，矢量水聽器駐波管中靈敏度采用比較法測試校準(zhǔn)，其自由場聲壓靈敏度級表示公式為［14］：

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

圖6　各通道靈敏度測試曲線

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

3.2矢量水聽器指向性測試

圖7　100Hz頻點(diǎn)各通道測試指向性圖

矢量水聽器通道指向性為其在遠(yuǎn)場平面波作用下，所產(chǎn)生的開路輸出電壓隨入射方向變化的曲線圖。實(shí)際測量時(shí)，在保持發(fā)射換能器輸出功率不變的情況下，通過旋轉(zhuǎn)矢量水聽器一周并記錄不同角度時(shí)待測通道輸出電壓值，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)各通道測試指向性圖。

圖8　1250 Hz頻點(diǎn)各通道測試指向性圖

由圖7和圖8各通道測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器，尺寸為Φ54×72 mm，等效本底噪聲壓級為57 dB@1 kHz。國防科技工業(yè)水聲一級計(jì)量站性能測試結(jié)果表明：矢量通道聲壓靈敏度級為-185.3 dB（測試頻率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)、制作的矢量水聽器靈敏度高、通道一致性好，適合構(gòu)建矢量水聽器線陣。

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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。矢量水聽器外形尺寸為Φ54×72 mm、工作頻帶為20 Hz～2 000 Hz。在國防科技工業(yè)水聲一級計(jì)量站駐波管對研制的矢量水聽器進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：聲壓通道聲壓靈敏度級為-192.7 dB（0 dB=1 V/μPa）、具有全指向性；矢量通道聲壓靈敏度級為-185.3 dB（測試頻率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)目來源：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61203271）