周 璇, 宋文章,2, 黃俊斌*, 顧宏?duì)N, 趙宏琳, 陳思彤

DFB光纖激光水聽器舷側(cè)聲障模塊設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

周 璇1, 宋文章1,2, 黃俊斌1*, 顧宏?duì)N1, 趙宏琳1, 陳思彤1

(1. 海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院, 湖北 武漢, 430033; 2. 中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì), 廣東 湛江, 524002)

文中結(jié)合某水下平臺(tái)舷側(cè)的實(shí)際需求, 基于分布反饋式(DFB)光纖激光水聽器技術(shù), 設(shè)計(jì)小尺度舷側(cè)模塊。仿真中采用分層介質(zhì)中的彈性波模型建立聲障板模型, 并對(duì)聲障板合理選材, 制備了4陣元DFB光纖激光水聽器舷側(cè)模塊, 并測(cè)試了舷側(cè)模塊的靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 舷側(cè)模塊中水聽器相對(duì)靈敏度提高, 響應(yīng)相對(duì)平坦, 初步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

水下平臺(tái); 分布反饋式; 光纖激光水聽器; 彈性波; 聲障板; 相對(duì)靈敏度

0 引言

隨著對(duì)海洋開發(fā)利用的不斷深入, 無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)的作用日益凸顯, 并成為各國(guó)重點(diǎn)在研水下裝備[1]。但由于UUV體積小, 改裝空間有限, 因此對(duì)其探測(cè)聲吶的適裝性提出了更高的要求。

目前, 分布反饋式(distributed feedback, DFB)光纖激光水聽器由于探頭尺寸可以小至毫米量級(jí), 便于復(fù)用成陣, 因此在水下小平臺(tái)上應(yīng)用前景廣闊[2-3]。水聽器陣列作為聲吶系統(tǒng)的水下分機(jī), 在安裝過程中一般采用聲障板固定, 既可適當(dāng)改善水聽器頻響特性, 又能夠隔離內(nèi)部機(jī)械噪聲的干擾[4-5]?；诼曊习宓乃犉黝l響特性研究一直是行業(yè)研究的熱點(diǎn)。曹宇等[6]基于遺傳算法設(shè)計(jì)了在變角度和變頻率條件下, 聲障板保持最小反射系數(shù)的優(yōu)化算法; 劉寶等[7]采用單層勢(shì)和雙層勢(shì)求解并比較了有障板和無障板的聲輻射特性; 王敏慧等[8]利用有限元法研究了聲障板對(duì)圓柱換能器軸向波束的抑制特性; Bertilone等[9]提出一種基于無限剛性柱面散射理論, 計(jì)算聲障板下高頻段陣列增益模型; Wear等[10]測(cè)量了基于反射的光纖水聽器在多個(gè)頻率下的指向性, 并與剛性障板、剛性活塞、柔性障板及無障板的理論模型進(jìn)行比較, 得出在不同模型下水聽器靈敏度單元的有效半徑。

文中結(jié)合UUV的實(shí)際需求, 通過理論仿真, 對(duì)聲障板合理選材, 設(shè)計(jì)并制備了4陣元DFB光纖激光水聽器舷側(cè)模塊, 并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 取得了較為理想的效果。

1 水聽器聲障板參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

聲障板模型采用分層介質(zhì)中的彈性波模型建立, 考慮水聲探測(cè)在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下進(jìn)行, 聲障板厚度較薄, 故分析聲障板模型時(shí)將水聽器作為點(diǎn)源, 并忽略反射波的相位變化。在任意多層結(jié)構(gòu)障板上聲波的傳播規(guī)律如圖1所示。

圖1 水聽器在任意多層障板上的反射示意圖

圖中, 水聽器固定在+1層, 距層上表面高度為。當(dāng)平面波以某角度入射時(shí), 水聽器同時(shí)受到入射聲波和反射聲波的疊加作用。聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí), 在每一層均產(chǎn)生分別沿方向和方向傳播的縱波和橫波, 沿方向傳播的縱波和橫波可分別表示為[4]

在固體介質(zhì)中第層方向和方向的位移分別為

應(yīng)力為

將式(1)和式(2)代入式(3)～(6)中, 在障板第層上下表面可分別表示為

將式(7)和式(8)中上下表面力和位移的關(guān)系式連立, 得

考慮任意兩層之間界面連續(xù), 任意多層障板中應(yīng)力與位移關(guān)系式迭代為

在第1層和第+1層半無限大的水介質(zhì)中無剪切力, 將式(11)中模型簡(jiǎn)化為

第1層和第+1層為水介質(zhì), 則

在固液相交邊界, 豎直方向聲壓和振速連續(xù), 連續(xù)性方程為

結(jié)合式(13), 建立障板中力和位移與水中聲壓、振速的連續(xù)性迭代關(guān)系

由式(14)～(17)推導(dǎo)出水中聲壓和振速為

由上述公式及聲壓、振速、應(yīng)力和位移的連續(xù)性關(guān)系, 得

對(duì)式(14)、式(16)和式(25)聯(lián)立化簡(jiǎn), 得到障板下水聽器聲壓表達(dá)式

水聽器在自由場(chǎng)下只考慮入射聲, 不考慮反射聲, 中心聲壓為

文中使用相對(duì)靈敏度[4-5]來衡量障板為水聽器帶來的增益, 定義為: 障板結(jié)構(gòu)中, 水聽器實(shí)際接收聲壓與自由場(chǎng)下水聽器接收聲壓之比, 可表示為

考慮聲波垂直入射的情況, 分析水聽器相對(duì)靈敏度與聲障板特性參數(shù)間的關(guān)系。圖2給出了不同材料下, 水聽器相對(duì)靈敏度與入射聲波頻率和障板厚度的關(guān)系, 其中障板的物性參數(shù)如表1所示?？梢娫?～10 kHz的頻帶內(nèi), 障板厚度越厚, 水聽器響應(yīng)越平坦: 對(duì)比鋼、銅、鋁3種常見障板材料, 當(dāng)聲障板厚度達(dá)到10 mm時(shí), 鋼和銅2種材料相對(duì)靈敏度起伏在3 dB之內(nèi), 而鋁材料的相對(duì)靈敏度起伏明顯較大, 說明聲障密度是影響相對(duì)靈敏度的主要因素。密度越大, 相對(duì)靈敏度越容易平坦, 而鋁的密度明顯小于鋼和銅。結(jié)合舷側(cè)模塊的應(yīng)用, 初步選定鋼材作為聲障材料。

當(dāng)水聽器在聲障板前安裝固定時(shí), 水聽器與聲障板距離和厚度等共同影響了聲反射特性的效果。圖3所示為選定障板材料下, 水聽器相對(duì)靈敏度與障板距離和厚度的關(guān)系。由圖可知, 相對(duì)靈敏度曲線中, 最大值約為5 dB, 未能達(dá)到理論值6 dB, 表明此時(shí)的相對(duì)位置未能達(dá)到波的完全疊加; 達(dá)到最大值后相對(duì)靈敏度緩慢下降, 下降到0以后, 為負(fù)增益, 即在反射聲作用下, 疊加后聲信號(hào)減弱; 當(dāng)水聽器距離聲障板0.025 m時(shí), 相對(duì)靈敏度最小值約出現(xiàn)在16 kHz處; 當(dāng)水聽器距離聲障板0.05 m處時(shí), 相對(duì)靈敏度最小值約出現(xiàn)在8 kHz處。由此可見, 隨著水聽器距離聲障板距離減小, 相對(duì)靈敏度極小值頻率點(diǎn)提高; 相比水聽器距聲障板距離, 障板厚度對(duì)相對(duì)靈敏度影響更小, 且隨著厚度增加, 靈敏度極小值頻率點(diǎn)略有降低。為保證在3～10 kHz的頻段內(nèi), 相對(duì)靈敏度較高且響應(yīng)平坦, 宜選擇適當(dāng)厚度的聲障板, 且水聽器應(yīng)盡可能貼近障板表面。

圖2 不同材料下水聽器相對(duì)靈敏度與聲波頻率和障板厚度的關(guān)系

表1 材料物性參數(shù)

圖3 水聽器相對(duì)靈敏度與障板距離和厚度的關(guān)系

2 二次封裝下的DFB光纖激光水聽器

舷側(cè)模塊在實(shí)際制備時(shí), 需在障板前密封透聲聚氨酯, 形成一體化結(jié)構(gòu)。如圖4所示, 在復(fù)合層中, DFB光纖激光水聽器位于聚氨酯層(粘彈性層)和障板層的交界處, 復(fù)合結(jié)構(gòu)物性參數(shù)如表2所示。

圖4 聚氨酯封裝下的DFB光纖激光水聽器模塊

表2 復(fù)合結(jié)構(gòu)物性參數(shù)

圖5為復(fù)合層中不同聲波頻率入射時(shí), 水聽器相對(duì)靈敏度隨粘彈性層厚度及聲障板厚度的變化規(guī)律。與圖2對(duì)比可知, 在聚氨酯封裝下, 靈敏度增益峰值降低約1 dB, 這是由于聲能量在聚氨酯層中少量的反射損失所導(dǎo)致的。在聚氨酯層厚度不變的情況下, 聲障板厚度對(duì)水聽器相對(duì)靈敏度起伏影響較大, 并呈周期性變化; 隨著聲波頻率增加, 波長(zhǎng)變小, 水聽器相對(duì)靈敏度變化周期減小, 且相對(duì)靈敏度為負(fù)的區(qū)域隨入射聲波頻率的變化而變化。所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)中, 要選擇合適的聲障厚度提高相對(duì)靈敏度, 避免靈敏度的降低。

圖5 不同聲波頻率下水聽器相對(duì)靈敏度與障板及粘彈性層厚度之間的關(guān)系

在聲障板厚度不變的情況下, 水聽器相對(duì)靈敏度隨聚氨酯層厚度變化很小, 可以認(rèn)為在粘彈性層中, 聲波透射起主要作用, 反射較少, 對(duì)水聽器相對(duì)靈敏度的影響可忽略不計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

綜合以上水聽器相對(duì)靈敏度的影響因素, 結(jié)合實(shí)際選定聲障材料及厚度, 最終制備了4陣元DFB光纖激光水聽器舷側(cè)模塊, 如圖6所示。

在消聲水池利用自由場(chǎng)比較法, 測(cè)試舷側(cè)模塊灌注前后的水聽器靈敏度, 測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示。在消聲水池中, 信號(hào)發(fā)生器經(jīng)功率放大器, 由發(fā)射換能器發(fā)射脈沖信號(hào), 待測(cè)水聽器或舷側(cè)模塊靠近標(biāo)準(zhǔn)水聽器, 固定在旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)上, 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)分別獲得標(biāo)準(zhǔn)水聽器的參考信號(hào)及經(jīng)光路解調(diào)系統(tǒng)的DFB光纖激光水聽器接收的待測(cè)信號(hào), 進(jìn)而得出待測(cè)水聽器靈敏度[2]。

圖6 DFB光纖激光水聽器舷側(cè)模塊實(shí)物圖

圖7 DFB光纖激光水聽器靈敏度測(cè)試系統(tǒng)

舷側(cè)模塊中, 編號(hào)分別為22105、22703的DFB光纖激光水聽器在舷側(cè)模塊制備前后的靈敏度對(duì)比如圖8和圖9所示。圖中, 在3～10 kHz的頻段內(nèi), 舷側(cè)模塊制備后, 編號(hào)為22105和22703的DFB光纖激光水聽器的靈敏度分別為(–129.2±1.4) dB和(–133.1±0.9) dB, 較模塊制備前的靈敏度有所提高, 表明在舷側(cè)模塊中, 陣元相對(duì)靈敏度提高, 頻率響應(yīng)相對(duì)平坦, 聲障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)束語

文中針對(duì)某水下平臺(tái)舷側(cè)的實(shí)際應(yīng)用, 基于DFB光纖激光水聽器技術(shù), 對(duì)小尺度舷側(cè)模塊的聲障板進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過理論分析聲障層、聚氨酯層對(duì)水聽器靈敏度的影響, 對(duì)聲障板合理選材, 設(shè)計(jì)厚度, 并完成了DFB光纖激光水聽器舷側(cè)陣4陣元模塊的試制。隨后, 在消聲水池中進(jìn)行了水聽器模塊靈敏度測(cè)試。

圖8 DFB光纖激光水聽器22105靈敏度對(duì)比曲線

圖9 DFB光纖激光水聽器22703靈敏度對(duì)比曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 在3～10 kHz的頻段內(nèi), 舷側(cè)模塊中, 水聽器陣元的相對(duì)靈敏度提高, 頻率響應(yīng)相對(duì)平坦, 初步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

在聲障理論模型建立中, 考慮DFB光纖激光水聽器模塊在消聲水池中實(shí)際的測(cè)試條件, 將聲障模型的第1層材料建模為水介質(zhì), 使文中實(shí)驗(yàn)與理論仿真條件更為吻合; 如考慮模塊的實(shí)際安裝情況, 聲障板第1層可建模為空氣介質(zhì), 此時(shí)在聲障模型的第1層和第2層的交界處, 仍無剪切力, 公式推導(dǎo)形式不變, 對(duì)理論仿真分析的結(jié)果影響很小, 不影響仿真參數(shù)的規(guī)律性分析; 同時(shí), 理論模型中僅考慮了聲障厚度與相對(duì)靈敏度的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 受聲障邊緣效應(yīng)的影響, 聲障實(shí)際寬度對(duì)水聽器指向性有一定影響, 后續(xù)需結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行進(jìn)一步的理論與實(shí)驗(yàn)分析。相比壓電水聽器, DFB光纖激光水聽器的陣元之間不一致性較大、頻帶內(nèi)靈敏度起伏較大, 后續(xù)可通過改進(jìn)水聽器本身的性能加以提升。

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Design and Experimental Verification of Sidewall Sound Barrier Module of DFB Fiber Laser Hydrophone

ZHOU Xuan1, SONG Wen-zhang1,2, HUANG Jun-bin1*, GU Hong-can1, ZHAO Hong-lin1, CHEN Si-tong1

(1. College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Unit 91388th, The People’s Liberation Army of China, Zhanjiang 524002, China)

A small-scale side module was designed based on distributed-feedback(DFB) fiber laser hydrophone technology. An acoustical baffle model was designed using an elastic wave model in a layer media. After a reasonable selection of materials for the acoustic baffle, a four-array DFB fiber laser hydrophone side module was fabricated. The sensitivities and directivities of the side modules were tested. The experimental results demonstrated that the relative sensitivity of the hydrophone module was enhanced and the response was flat. The feasibility of the scheme was preliminarily verified.

underwater platform; distributed-feedback; fiber laser hydrophone; elastic wave; acoustic baffle; relative sensitivity

周璇, 宋文章, 黃俊斌, 等. DFB光纖激光水聽器舷側(cè)聲障模塊設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2022, 30 (2): 254-259.

TJ630.34; U666.7

A

2096-3920(2022)02-0254-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.017

2021-03-31;

2021-07-06.

周 璇(1995-), 碩士, 主要研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù).

黃俊斌(1965-), 男, 教授, 博士, 主要研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)