王文龍，孫芹東，王 超，韓 梅

(1. 海軍潛艇學院， 山東 青島 266199； 2. 海洋科學與技術(shù)國家實驗室， 山東 青島 266235)

復合同振式矢量水聽器是一種新型的水聲接收換能器，它包含聲壓通道和矢量通道，能夠同步、共點地測量介質(zhì)聲場中的聲壓標量信號和振速矢量信號。聲壓通道和矢量通道信號聯(lián)合處理可以形成多種單邊指向性，單個復合同振式矢量水聽器即可進行目標方位測量[1-3]，且沒有左右舷模糊問題。復合同振式矢量水聽器還具有低頻性能好、靈敏度高、抗各向同性噪聲、體積小、功耗低等諸多優(yōu)點，適合應用在水下滑翔機、剖面浮標等安靜型深海無人移動平臺上執(zhí)行目標探測任務[4]。隨著深海技術(shù)的發(fā)展，目前水下無人移動平臺的工作深度已經(jīng)越來越大[5-6]，復合同振式矢量水聽器的耐壓水平已經(jīng)成為制約其在深海無人移動平臺上應用的首要因素。

在國外，美國和俄羅斯一直在致力于大深度矢量水聽器的研究與應用。美國海軍相關研究組織曾在1988年和2006年進行過矢量水聽器的深海應用試驗，水聽器的最大工作深度分別為5 500 m和6 000 m[7-8]；蘇聯(lián)研制的矢量水聽器也早在1989年就能達到3 600 m工作深度[9]。上述水聽器均采用的是聲壓通道和矢量通道分離的方案。

在國內(nèi)，矢量水聽器技術(shù)研究開展最早的是哈爾濱工程大學水聲學院，但其對大深度矢量水聽器技術(shù)的研究也是近年才開始的。2010年，哈爾濱工程大學的楊松濤分別采用黃銅耐壓殼體注入硅油和環(huán)氧樹脂加玻璃微珠復合材料灌封的方案制作了兩型耐壓矢量水聽器，實驗顯示兩型水聽器均能承受1 000 m的水壓[10]。2011年，哈爾濱工程大學的鄒亮采用復合材料殼體加內(nèi)部鋁合金殼體的雙層殼體結(jié)構(gòu)制作了三種耐壓矢量水聽器，均能夠承受2 000 m水壓[11]。但是上述幾種耐壓矢量水聽器都沒有聲壓通道。2014年夏，哈爾濱工程大學在南海3 146 m深度成功開展了大深度矢量水聽器的應用實驗[12]，但未說明采用的是何種耐壓方案，也未說明水聽器是否內(nèi)置聲壓通道。

不含聲壓通道的大深度矢量水聽器在使用時，通常需要在周圍布置數(shù)個聲壓水聽器，并通過合理的空間分布使聲壓水聽器和矢量水聽器的等效聲中心重合。這種方案的好處是降低矢量水聽器和聲壓水聽器結(jié)構(gòu)的復雜度，可以相對容易地做到高耐壓；缺點則是懸掛系統(tǒng)復雜，占用空間更大，不適合在小型深海無人平臺上應用。為了解決這個問題，本文提出了一種大深度復合同振式矢量水聽器的設計方案。

1 水聽器總體結(jié)構(gòu)

大深度復合同振式矢量水聽器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。水聽器的外形選擇標準球形，從聲學特性來說，球形水聽器的指向性具有最好的三軸一致性；從耐壓設計來說，球形殼體較其他形狀具有更佳的耐壓性能。水聽器耐壓殼體由上下兩個薄壁鋁合金半球殼組成，兩個半球殼通過各自內(nèi)壁的突出結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)鎖緊，借鑒了消防水管接頭上使用的鎖緊結(jié)構(gòu)。兩個半球殼鎖緊時，球殼中間形成一圈凹槽，凹槽內(nèi)安裝有壓電陶瓷圓環(huán)接收換能器，凹槽周圍有加強支撐結(jié)構(gòu)，凹槽內(nèi)的剩余空間用聚氨酯材料填充，起到透聲和密封的作用。三軸加速度計通過支架固定在球殼中心，信號調(diào)理電路也安裝在球殼內(nèi)部。電源及信號線通過水密穿倉件引出到球殼外部。球殼外表面對稱分布八個彈簧懸掛孔。設計時對各個部件的質(zhì)量和位置進行建模仿真，使整個矢量水聽器的質(zhì)心與形心相重合。

圖1 大深度復合同振式矢量水聽器結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Structural profile of the large depth combined co-vibrating vector hydrophone

制作完成的大深度復合同振式矢量水聽器樣品如圖2所示，其外徑為85 mm，體積為3.22×10-4m3，質(zhì)量為398 g，水聽器的平均密度為1 240 kg/m3。水聽器的設計耐壓為2 000 m，工作頻段為20～3 000 Hz。

圖2 大深度復合同振式矢量水聽器樣品Fig.2 Sample of the large depth combined co-vibrating vector hydrophone

2 聲壓通道設計

2.1 聲學特性分析

2.1.1 諧振頻率

壓電陶瓷圓環(huán)作為聲壓信號的接收換能器，其工作頻帶應該在一個靈敏度平坦的區(qū)間內(nèi)，這就要求壓電陶瓷圓環(huán)本身的諧振頻率要遠離水聽器的工作頻帶。

壓電陶瓷圓環(huán)存在徑向和軸向本征頻率，這兩個本征頻率僅與其物理尺寸和所用材料有關。假設壓電圓環(huán)的外半徑為Ro，內(nèi)半徑為Ri，高度為L，則其平均半徑a=(Ri+Ro)/2。當2≤L/a≤5時，徑向本征頻率和軸向本征頻率耦合。當L/a<2或L/a>5時，耦合程度減弱，分裂為徑向本征頻率fR和軸向本征頻率fL，當外加頻率與fR相等時產(chǎn)生徑向諧振，當外加頻率與fL相等時產(chǎn)生軸向諧振。fR和fL的值根據(jù)式(1)和式(2)計算[13]。

(1)

(2)

大深度復合同振式矢量水聽器的聲壓通道所用的壓電陶瓷圓環(huán)的平均半徑a=30 mm，高度L=6.5 mm，將相關數(shù)據(jù)代入式(1)～(2)可得fR=14.9 kHz，fL=216.1 kHz，所以此壓電圓環(huán)的最低諧振頻率是其徑向本征頻率，為14.9 kHz，遠離大深度復合同振式矢量水聽器的工作頻段20～3 000 Hz，滿足聲學要求。

2.1.2 接收靈敏度

壓電陶瓷圓環(huán)作為聲壓信號接收換能器安裝于大深度復合同振式矢量水聽器內(nèi)，其外表面均勻受聲壓p0作用，而其上、下端面和內(nèi)表面均不受聲壓作用，即它的邊界條件為空氣背襯、端部隔離。壓電陶瓷圓環(huán)接收換能器工作在遠低于其本征頻率的頻帶范圍內(nèi)，其振動特性處于彈性控制狀態(tài)，將壓電陶瓷圓環(huán)近似看成各向同性，根據(jù)彈性靜力學知識，由靜態(tài)平衡方程和相容條件可推導出此邊界條件下壓電陶瓷圓環(huán)內(nèi)部應力與半徑坐標r的關系為[13]

(3)

(4)

Tzz=0

(5)

Trθ=0

(6)

式(3)～(6)中應力Trr、Tθθ、Tzz和Trθ的第一個腳標表示應力的作用面垂直于哪個坐標軸，第二個腳標表示應力的作用方向沿哪個坐標軸。

壓電陶瓷圓環(huán)有三種極化方式：徑向極化、軸向極化和切向極化。在空氣背襯、端面隔離的邊界條件下，徑向極化靈敏度最大，因此本文使用的壓電陶瓷圓環(huán)為徑向極化，其電極分別在壓電陶瓷圓環(huán)的內(nèi)外圓柱面上。根據(jù)g-型壓電方程，有

Er=g31Tθθ+g31Tzz+g33Trr

(7)

將空氣背襯、端面隔離邊界條件產(chǎn)生的應力分量代入式(7)，可得徑向極化壓電陶瓷圓環(huán)接收換能器的開路電壓接收靈敏度為[13]

(8)

式中，V為兩極間的電勢差，τ=Ri/Ro，將壓電陶瓷圓環(huán)接收換能器的相關數(shù)據(jù)代入式(8)，可得其開路電壓接收靈敏度為2.43×10-4V/Pa，將其換算為分貝形式，得到大深度復合同振式矢量水聽器聲壓通道的聲壓靈敏度為-192.3 dB(0 dB參考值為1 V/μPa)。

2.2 耐壓性能分析

大深度復合同振式矢量水聽器的設計耐壓為20 MPa，壓電陶瓷圓環(huán)接收換能器位于剛性耐壓球殼外表面的凹槽內(nèi)，雖然其外面灌封有聚氨酯層，但聚氨酯是柔性非承壓材料，即壓電陶瓷圓環(huán)要直接承受20 MPa的外部靜水壓，因此其耐壓設計至關重要。

2.2.1 理論計算

在壓力容器耐壓分析中，若壓力容器殼體為旋轉(zhuǎn)殼體(如圓柱殼或球殼)，令其外徑與內(nèi)徑之比K=Do/Di，當K≤1.2時，認為是薄壁容器；當K>1.2時，認為是厚壁容器[14]。

對于受外壓作用的薄壁圓柱殼體，其失效形式主要為強度失效和穩(wěn)定性失效。

(9)

在長度為L的一段圓柱殼體上，外壓p作用在殼體軸平面內(nèi)的合力Fθ可以表示為Fθ=p·2πRoL。圓柱殼體軸平面的面積Sθ=2Lδ。則環(huán)向壓應力σθ可表示為[14]

(10)

可見環(huán)向壓應力σθ是軸向壓應力σz的2倍，因此對圓柱殼體強度起決定作用的是環(huán)向壓應力σθ。根據(jù)最大主應力理論，設計時其環(huán)向壓應力σθ不應超過材料的許用應力。

(11)

外壓短圓柱殼體的周向失穩(wěn)許用臨界壓力為

(12)

其中，m為穩(wěn)定安全系數(shù)，我國標準GB 150.3規(guī)定m=3.0。

壓電陶瓷圓環(huán)的K=1.18，其長短圓管臨界長度Le=274 mm，因此該壓電陶瓷圓管是薄壁短圓柱殼體。壓電陶瓷圓環(huán)所用材料P-51的常溫許用應力為137.9 MPa。將相關數(shù)據(jù)代入式(10)，可得其強度失效許用壓力p≤21.2 MPa，能夠滿足20 MPa耐壓要求。將數(shù)據(jù)代入式(11)、式(12)，計算得其周向失穩(wěn)臨界壓力pcr=2 550.3 MPa，周向失穩(wěn)許用壓力[p]=850.1 MPa?？梢娫搲弘娞沾蓤A環(huán)的周向失穩(wěn)許用壓力遠大于其強度失效許用壓力，若圓環(huán)外部的壓力持續(xù)增大，最先發(fā)生的是強度失效。

2.2.2 有限元仿真

對壓電陶瓷圓環(huán)進行三維建模，并使用有限元仿真軟件ANSYS Workbench對其進行結(jié)構(gòu)靜力和特征值屈曲分析，以檢驗該壓電陶瓷圓環(huán)的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性能否滿足耐壓要求。

首先在壓電陶瓷圓環(huán)外表面加載20 MPa的壓力載荷，對其進行結(jié)構(gòu)靜力分析。仿真結(jié)果如圖3所示，壓電陶瓷圓環(huán)的應力強度分布沿半徑從外到內(nèi)逐漸增大，其內(nèi)壁的應力最大，為135.3 MPa，沒有超過材料的常溫許用應力，故其受20 MPa外壓時，不會發(fā)生強度失效。

圖3 壓電圓環(huán)結(jié)構(gòu)靜力仿真結(jié)果Fig.3 Static structural simulation result of the piezoelectric ring

接下來將壓電陶瓷圓環(huán)外表面的壓力載荷改為1 MPa，并在結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果的基礎上進行特征值屈曲分析。壓電陶瓷圓環(huán)第一階屈曲模態(tài)的形變?nèi)鐖D4所示。第一階屈曲載荷因子為3 646.4，故其第一階臨界載荷為3 646.4 MPa。即仿真得到的壓電陶瓷圓環(huán)臨界失穩(wěn)壓力為3 646.4 MPa，高于其計算得到的臨界失穩(wěn)壓力2 550.3 MPa。

圖4 壓電圓環(huán)特征值屈曲仿真結(jié)果Fig.4 Eigenvalue buckling simulation result of the piezoelectric ring

由仿真結(jié)果可見，大深度復合同振式矢量水聽器的聲壓通道能夠承受20 MPa的靜水壓力而不發(fā)生強度失效，穩(wěn)定性失效則更難發(fā)生。

3 矢量通道設計

大深度復合同振式矢量水聽器在水下聲場中工作時，其整個球形殼體作為聲學矢量信號的接收器，會與聲場中介質(zhì)質(zhì)點發(fā)生同相同速的振動。水聽器內(nèi)部的三軸加速度計能夠測量該振動，并以X、Y、Z三軸分量的形式輸出。所用壓電加速度計的工作頻段為20～3 000 Hz。

3.1 聲學特性分析

同振球形矢量水聽器在水下聲場中工作時，會受到聲場的作用力而發(fā)生振動，設其振速為v，而聲場中未放入水聽器時原水聽器幾何中心位置處的介質(zhì)質(zhì)點振速為v0，則它們之間存在如下關系[15]

(13)

(14)

大深度復合同振式矢量水聽器的半徑為42.5 mm，平均密度為1 240 kg/m3，與水的密度比為1.24，將其代入式(13)、式(14)可得矢量水聽器振速幅值與介質(zhì)振速幅值之比|v/v0|以及它們的相位差φ與聲波頻率f的關系，如圖5所示。

圖5 |v/v0|和φ與f的關系Fig.5 Relationship between |v/v0|,φ and f

由圖5可見，在大深度復合同振式矢量水聽器所用加速度計的工作頻帶內(nèi)，水聽器振速比介質(zhì)振速超前的相位小于0.14°；水聽器振速與介質(zhì)振速比的幅值隨頻率的上升而下降。在20 Hz時，|v/v0|=0.862 1，相當于使振速靈敏度降低了-1.29 dB；在3 000 Hz時，|v/v0|=0.824 8，相當于使振速靈敏度降低了-1.67 dB。在工作頻段內(nèi)變動0.38 dB，可以接受。

復合同振式矢量水聽器矢量通道的振速靈敏度為Mv，但通常用等效自由場聲壓靈敏度Mp來表示，Mv、Mp與水聽器內(nèi)部加速度計的加速度靈敏度Ma有如下關系

(15)

其中，ρ為介質(zhì)密度，c為介質(zhì)中的聲速，ω為聲波角頻率。|v/v0|ω由式(13)求得，其取值如圖5中黑色實線所示。水聽器中所用加速度計在工作頻段的標稱加速度靈敏度Ma=2 840 mV/g，則根據(jù)式(15)可得到矢量水聽器的理論等效聲壓靈敏度曲線如圖6所示，圖中黑色實線是以V/Pa為單位的靈敏度曲線，而紅色虛線是換算成dB的靈敏度曲線。在500 Hz處，矢量水聽器矢量通道的理論等效聲壓靈敏度為-185.6 dB。

圖6 矢量通道等效聲壓靈敏度與頻率的關系Fig.6 Relationship between the equivalent sound pressure sensitivity of vector channel and frequency

3.2 耐壓性能分析

大深度復合同振式矢量水聽器矢量通道由薄壁鋁合金球殼承受外界靜水壓。球殼的外半徑為42.5 mm，壁厚為2.5 mm，材質(zhì)為7075T6鋁合金。

3.2.1 理論計算

根據(jù)旋轉(zhuǎn)薄殼的無力矩理論，當薄壁球殼受外壓作用時，會產(chǎn)生軸向壓應力σz和環(huán)向壓應力σθ。球殼的幾何形狀相對球心是對稱的，所以σz和σθ在數(shù)值上相等。在通過球心的截面上，外壓p對球殼截面的合力Fs=p·πRo2。當球殼較薄時，殼體材料的橫截面積Ss=2πRoδ，其中δ為殼體厚度。因此外壓球殼的軸向壓應力σz和環(huán)向壓應力σθ為[14]

(16)

外壓球殼設計時其強度失效許用應力[σ]要滿足

(17)

對于受外壓的球殼結(jié)構(gòu)，根據(jù)小變形理論推導可得其臨界失穩(wěn)壓力為[14]

(18)

式(18)計算較為簡單，但是有較大誤差，可以用較大的安全系數(shù)予以彌補。根據(jù)GB 150.3，穩(wěn)定安全系數(shù)取m=14.52。外壓球殼的失穩(wěn)許用臨界壓力為

(19)

將大深度復合同振式矢量水聽器的耐壓結(jié)構(gòu)近似為理想球殼，其屬于旋轉(zhuǎn)薄壁殼體。當受外壓作用時，會發(fā)生強度失效和穩(wěn)定性失效。水聽器耐壓球殼的外半徑Ro=42.5 mm，厚度δ=2.5 mm，球殼所用材質(zhì)7075T6鋁合金的抗拉強度Rm=570 MPa，常溫屈服強度Rel=505 MPa，根據(jù)我國標準GB 150.3，對鋁合金材料的抗拉強度，安全系數(shù)取3.0，對常溫屈服強度，安全系數(shù)取1.5，因此其許用應力為[σ]=190 MPa。將數(shù)據(jù)代入式(17)，可得強度失效許用壓力p≤22 MPa。

接下來考慮穩(wěn)定性失效。7075T6鋁合金材料的泊松比μ=0.3，楊氏模量E=7.1×1010Pa，穩(wěn)定系數(shù)取m=14.52。將數(shù)據(jù)代入式(18)和式(19)，計算得其周向失穩(wěn)臨界壓力pcr=297.4 MPa，其周向失穩(wěn)許用壓力[p] ≤20.48 MPa。

由理論計算結(jié)果可見，該大深度復合同振式矢量水聽器的鋁合金球殼結(jié)構(gòu)能夠耐受20 MPa外壓而不發(fā)生強度失效和穩(wěn)定性失效。

3.2.2 有限元仿真

上述鋁合金球殼的耐壓計算適用于理想球殼，而大深度復合同振式矢量水聽器的球殼中央存在凹槽，且上半球殼為安裝水密穿倉件設有螺紋通孔，這都會導致其耐壓性能下降。為進一步驗證水聽器的耐壓能力，對其進行結(jié)構(gòu)靜力仿真和特征值屈曲仿真。

首先在水聽器球殼外表面施加20 MPa壓力載荷，對其進行結(jié)構(gòu)靜力分析，仿真結(jié)果如圖7所示?？梢娗驓さ拇蟛糠治恢脩姸炔怀^187 MPa，未超出材料的許用應力；在靠近中央凹槽的內(nèi)壁上下各有一條窄帶應力較大，不超過280 MPa，該處應力屬于一次應力加二次應力，在數(shù)值上小于3倍的設計應力強度，滿足設計要求；只有在中央凹槽周圍分布的加強支撐處有些局部應力集中，屬于一次應力加二次應力加峰值應力，主要會對耐壓殼體的疲勞失效產(chǎn)生一定影響。仿真分析可見，球殼中央的凹槽確實會使球殼的耐壓性能下降。

圖7 水聽器球殼結(jié)構(gòu)靜力仿真結(jié)果Fig.7 Static structural simulation result of the hydrophone spherical shell

接下來將水聽器球殼外表面施加的壓力載荷改為1 MPa，并在結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果的基礎上進行特征值屈曲分析。水聽器球殼第一階屈曲模態(tài)的形變?nèi)鐖D8所示。第一階屈曲載荷因子為286.96，故其第一階臨界載荷為286.96 MPa。因此，仿真得到的水聽器球殼的臨界失穩(wěn)壓力為286.96 MPa，與計算得到的周向失穩(wěn)臨界壓力297.4 MPa基本吻合。

圖8 水聽器球殼特征值屈曲仿真結(jié)果Fig.8 Eigenvalue buckling simulation result of the hydrophone spherical shell

由仿真結(jié)果可見，大深度復合同振式矢量水聽器耐壓殼體承受20 MPa的靜水壓力不會發(fā)生強度失效和穩(wěn)定性失效，該結(jié)論可以通過壓力實驗進一步驗證。

4 水聽器性能測試

為標定大深度復合同振式矢量水聽器的各項性能，采用駐波管聲學標定系統(tǒng)對水聽器樣品進行靈敏度和指向性測試，采用壓力釜對其進行靜壓力測試。矢量水聽器在駐波管內(nèi)進行聲學特性測試的現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 矢量水聽器駐波管測試現(xiàn)場Fig.9 Acoustic test of vector hydrophone in standing-wave tube

4.1 靈敏度測試

矢量水聽器靈敏度采用駐波管比較法測試。將矢量水聽器和標準水聽器懸掛于駐波管內(nèi)，使矢量水聽器的待測通道坐標軸平行于駐波管中軸線并指向發(fā)射換能器，改變發(fā)射頻率，同時記錄矢量水聽器待測通道和標準水聽器的輸出電壓，通過比較得到矢量水聽器待測通道靈敏度。

實驗所用駐波管聲學標定系統(tǒng)的工作頻段為100～1 000 Hz。矢量水聽器內(nèi)部的信號調(diào)理電路包含前放，四個通道的前放增益在整個測試頻帶內(nèi)均為19.8 dB，相位差在2°以內(nèi)，為了便于與理論值比較，測試結(jié)果已去掉了前放增益。大深度復合同振式矢量水聽器各通道的等效聲壓靈敏度曲線實測結(jié)果如圖10所示。三個矢量通道靈敏度的實測曲線與理論曲線基本一致。在500 Hz處X通道的靈敏度為-186.9 dB，Y通道為-187.2 dB，Z通道為-187.8 dB。測量頻帶內(nèi)各矢量通道靈敏度一致性誤差不超過1.3 dB；靈敏度級不穩(wěn)定性小于1 dB；每倍頻程靈敏度增加6 dB，與理論相吻合。P通道的靈敏度為-191.0 dB@500 Hz，與理論值基本吻合，測試頻帶內(nèi)靈敏度起伏小于1.6 dB。

4.2 指向性測試

測量矢量通道指向性時，將矢量水聽器懸掛于駐波管中的垂直旋轉(zhuǎn)框架內(nèi)，使待測通道的坐標軸平行于駐波管中軸線并指向發(fā)射換能器，保持發(fā)射換能器輸出功率和頻率一定，用旋轉(zhuǎn)裝置將矢量水聽器在垂直面上旋轉(zhuǎn)一周并記錄下不同旋轉(zhuǎn)角度值對應的待測通道輸出電壓值，最后做歸一化處理并用對數(shù)形式表示，即可得到該頻點處待測通道的指向性曲線。測量聲壓通道的指向性時，先使聲壓通道壓電陶瓷圓環(huán)所在平面垂直于駐波管中軸線，然后將矢量水聽器在垂直面上旋轉(zhuǎn)一周并記錄聲壓通道輸出電壓；再讓壓電圓環(huán)所在平面平行于駐波管中軸線，然后旋轉(zhuǎn)水聽器并記錄聲壓通道輸出電壓。

理論上復合同振式矢量水聽器的矢量通道均應具有與頻率無關的余弦指向性，而聲壓通道應該無指向性。實驗分別測試了X、Y、Z、P通道在100 Hz、500 Hz、1 000 Hz頻點處的指向性，限于篇幅，只給出500 Hz頻點處X、Y、Z、P通道的指向性曲線，如圖11所示。指向性測試的采樣角度間隔為0.4°。

由圖11可見，X通道指向性曲線的凹點深度為-38.6 dB；Y通道的凹點深度為-37.5 dB； Z通道的凹點深度為-35.5 dB；由于旋轉(zhuǎn)框架連續(xù)運動，在凹點時的聲學接收信號極小，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的機械振動很容易產(chǎn)生超過聲學信號的干擾信號，因此測量得到的凹點深度通常小于實際值。即便如此，三個矢量通道中最小的凹點深度也達到了-35.5 dB。圖11(d)為水聽器聲壓通道所在平面垂直于駐波管中軸線時P通道的指向性曲線，為標準圓形，最大偏差為0.6 dB，符合壓電圓環(huán)接收換能器水平方向無指向性的特點；圖11(e)為水聽器聲壓通道所在平面平行于駐波管中軸線時P通道指向性曲線，也是標準圓形，最大偏差為0.5 dB，可見此時壓電圓環(huán)接收換能器在其垂直方向也無指向性。兩個方向測試結(jié)果綜合，可知被測水聽器聲壓通道在空間全方位無指向性。

(a) X通道(a) X channel

(b) Y通道(b) Y channel

(c) Z通道(c) Z channel

(d) P通道(d) P channel圖10 各通道靈敏度理論值與實測值Fig.10 Theoretical and measured sensitivity of each channels

(a) X通道(a) X channel

(b) Y通道(b) Y channel

(c) Z通道(c) Z channel

(d) P通道平行于駐波方向(d) P channel is parallel to the direction of the sound wave

(e) P通道垂直于駐波方向(e) P channel is perpendicular to the direction of the sound wave圖11 各通道指向性(500 Hz)Fig.11 Directivity of each channel(500 Hz)

經(jīng)測試，與500 Hz頻點的結(jié)果相似，在100 Hz和1 000 Hz頻點處X、Y、Z通道也均具有良好的余弦指向性，P通道也是在空間全方向無指向性。在100 Hz處，X通道指向性曲線的最小凹點深度為-41.9 dB，Y通道的最小凹點深度為-38.8 dB，Z通道的最小凹點深度為-48.9 dB，P通道的最大凹點深度為-0.6 dB；在1 000 Hz處，X通道指向性曲線的最小凹點深度為-35.2 dB，Y通道的最小凹點深度為-42.2 dB，Z通道的最小凹點深度為-33.1 dB，P通道的最大凹點深度為-1.3 dB(此處的最小、最大是就絕對值而言)。

4.3 耐壓性能測試

為實際檢驗大深度復合同振式矢量水聽器的耐壓能力，在青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室的壓力釜內(nèi)對2個大深度水聽器樣品進行靜壓力測試。測試時，先勻速加壓到20 MPa，保壓1 h，泄壓，再次加壓到20 MPa，如此循環(huán)3次。整個加壓過程壓力釜內(nèi)沒有發(fā)生明顯壓降。加壓前后2個水聽器樣品稱重一致，外觀無損傷。壓力測試后，在駐波管聲學標定系統(tǒng)中對水聽器樣品進行復測，測試結(jié)果顯示水聽器壓力測試后工作正常，其靈敏度和指向性與壓力測試前基本一致。證明該矢量水聽器能夠耐受2 000 m水壓。

4.4 海上試驗

本文設計的大深度復合同振式矢量水聽器搭載在水下滑翔機上進行了深潛和目標探測試驗。受試驗海區(qū)深度限制，在第一次試驗中，水下滑翔機下潛深度設定為1 200 m，水聽器在整個鋸齒狀滑行剖面中8次到達1 150 m深度；在第二次試驗中，水下滑翔機下潛深度設定為1 000 m，此次試驗矢量水聽器跟隨水下滑翔機平臺連續(xù)工作5晝夜時間，共航行了56個剖面，其中17個剖面達到或接近1 000 m深度。兩次試驗過程中大深度復合同振式矢量水聽器工作穩(wěn)定，實現(xiàn)了對聲學目標的方位探測和跟蹤。

圖12為水下滑翔機搭載大深度矢量水聽器進行聲學目標探測試驗獲取的目標噪聲信號估計方位歷程圖，該目標為配合試驗的“海力號”科考船(船長50 m，船寬12 m，吃水2.8 m)。圖12中紅色實線為科考船相對水下滑翔機的推算方位曲線，其中科考船位置通過船載衛(wèi)星定位獲得，水下滑翔機位置則是通過入水點和出水點衛(wèi)星定位和時間推算得到。在該時間段內(nèi)目標船與水下滑翔機的相對位置如圖13所示。

圖12 目標船噪聲信號估計方位歷程圖Fig.12 Bearing time recordings of surface ship noise

圖13 目標船與水下滑翔機相對位置態(tài)勢Fig.13 Relative positional situation of glider and surface vessel

科考船在15:16～15:35間以8 kn航速、45°航向勻速航行，在15:35～16:17間以8 kn航速、180°航向勻速航行。水下滑翔機在15:16～16:17間以20°的俯沖角斜向前下方運動，由深度55 m下潛至449 m。試驗過程中科考船與水下滑翔機的最近距離約為2.5 km，最遠距離約為6.5 km。此次試驗期間約為3級海況，實測海洋環(huán)境噪聲譜級為52 dB@1 kHz。試驗結(jié)果表明，搭載在水下滑翔機上的大深度矢量水聽器對8 kn航速的“海力號”科考船的聲學探測距離不小于6.5 km。

5 結(jié)論

本文采用帶凹槽的薄壁鋁合金球殼作為矢量通道，采用壓電陶瓷圓環(huán)作為聲壓通道，設計了大深度復合同振式矢量水聽器，經(jīng)壓力實驗驗證其能夠達到2 000 m耐壓深度，海上試驗表明該水聽器可以搭載在深海無人平臺上執(zhí)行聲學目標探測任務。

本文提出的大深度復合同振式矢量水聽器的設計方案對其他大深度聲學傳感器的設計具有借鑒意義。需要注意的是，對于復合同振式矢量水聽器，由于聲壓通道需要與水聽器外殼融合組裝，必然會對水聽器殼體的耐壓結(jié)構(gòu)造成影響，所以本文提出的設計方案具有一定的局限性，繼續(xù)增大耐壓深度的難度較大。