中频三轴向矢量水听器的研究

洪连进，杨德森，时胜国，邢世文

(哈尔滨工程大学 水声技术国防科技重点实验室，哈尔滨 150001)

矢量水听器由于具有偶极子指向性及低频段小尺寸等优点而受到普遍的关注。在水声测量系统中，矢量水听器的应用使系统的抗干扰能力和线谱检测能力获得提高。另外，采用单只矢量水听器通过联合信号处理，可实现目标方位的声压、振速组合估计。为了充分发挥矢量水听器在水声工程中的应用，可以将矢量水听器组成阵列来进一步提高系统性能，解决一些常规方法所不能解决的问题。在矢量水听器的工程应用中，同振型矢量水听器以其灵敏度高、灵敏度频响在工作频率范围内起伏小、指向性对称性好、分辨力高，尤其是柱形矢量水听器体积小、悬挂方便的优点，特别适合应用在声呐浮标系统及拖曳阵系统当中［1－2］，因此对同振型小体积矢量水听器的研究显得尤为重要。目前我国的柱形矢量水听器大多只具有两个矢量通道，具有三个矢量通道的矢量水听器一般为球形，而要想采用球形结构的矢量水听器构建三维矢量水听器线阵，存在弹性悬挂不方便、很难保证每个阵元在线阵中安装姿态一致的困难。为了解决这一问题，同时结合实际的工程需要，本文将研究外形为两端带半球帽的圆柱形结构的三轴向矢量水听器。

1 矢量水听器外壳形状对振速测量的影响

为方便成阵使用，本文的三轴向矢量水听器外形采用两端带球帽的圆柱形结构［见图1(c)，图1中柱长方向定义为矢量水听器的z方向，与z方向垂直的平面定义为xoy平面。对于图1(c)形状的三轴向矢量水听器来说，x、y通道可以用自由运动圆柱体声波接收理论来描述，圆柱体的运动速度vs与该处水质点的振速v0之间有如下关系:

式中:J(ka)为贝塞尔函数;H1(2)(ka)为汉克尔函数;x0=ka。

z通道可以用球体声波接收理论来描述，球体的运动速度vs与该处水质点的振速v0之间有如下关系:

式中:ρs为刚性球体(柱体)的平均密度，ρ0为水介质密度;Ф为球体的运动速度vs与该处水质点的振速v0之间的相位差。

图1 三种形状矢量水听器外壳示意图Fig.1 The outside shell of three vector hydrophones

若声学刚性运动体的几何尺寸远远小于波长，即ka≪1，则其振速vs的幅值与声场中该处水质点的振速v0幅值之间的关系简化为［3－6］:

由式(3)和式(4)可知:当ka≪1，且刚性运动体的平均密度等于水介质密度时，其振速vs的幅值与声场中同一位置水质点的振速幅值相同，只要刚性体内部有可以拾取该振动信号的传感器即可获得声场中刚性体中心处水质点振动速度。

对于z通道，本文采用ANSYS有限元软件，对声场中接收器模型在声波作用下的响应进行仿真［3］。首先分别仿真球体［图1(a)］和柱体［图1(b)］在声波作用下的振动速度与该点处水质点振动速度的比值，并与理论值［式(1)和式(2)］进行对比，确认此方法仿真的可行性。在此基础上，采用同样的方法进一步仿真在声波作用下带球帽的圆柱体［图1(c)］的振速与水质点的振速比，并将仿真结果与球体和柱体仿真结果进行对比分析，以此来验证采用两端带球帽的圆柱形结构来设计三轴向矢量水听器的可行性。图1中a为球(柱)体半径，L为柱体长度，声波作用方向如图中箭头所示。

应用ANSYS软件分析之前，首先要将接收器的实际问题经过简化和近似抽象成几何模型。在仿真中需要建立声场，可采用被激励的圆板作为发射器，建模中要考虑流体域的尺寸，需满足波动条件和远场条件［7］，然后在ANSYS的前处理中建立换能器和流体的几何模型。输入材料参数、划分网格，形成接收器和发射器的有限元模型。建模的原则是使问题直接、清晰和便于求解，必要时可将结构拆分与合并。网格划分的原则是既要保证求解精度，又要尽量提高计算速度。在接收器和发射器的有限元模型建立后，加入载荷与边界条件，进行求解。求解结束后，在后处理过程中提取所需数值结果与图形结果。

对于球体，属二维轴对称结构，因此可将三维的声场问题利用二维轴对称结构形式来描述;对于柱体，由于声波作用在柱面上，这里将柱体视为无限长圆柱，因此可将三维的声场问题利用二维对称结构形式来描述。这样可以大幅度减少计算量，且不失分析的正确性。图2和图3分别给出了声场中不同材料(参数设置见表1)的球体、柱体与水质点的振速比随频率变化的ANSYS仿真曲线和根据式(1)、式(2)的理论计算曲线。

图2 不同材料球体与水质点的振速比随频率变化的仿真曲线Fig.2 The change curves of velocity ratio of different material sphere and water particle with different frequency

图3 不同材料柱体与水质点的振速比随频率变化的仿真曲线Fig.3 The change curves of velocity ratio of different material cylinder and water particle with different frequency

表1 Ansys仿真模型中的材料参数设置Tab.1 Material parameters of Ansys simulation model

从图2和图3可以看出:频率20 kHz以下，球体与水质点的振速比仿真曲线与理论曲线吻合较好;柱体与水质点的振速比仿真曲线基本沿理论曲线波动，振速幅值比和相位差沿理论曲线波动均小于2 dB。

图4给出了不同L/a时带球帽柱体与水质点的振速比随频率变化的仿真曲线。模型内部为刚性泡沫，外部为合成树脂，平均密度ρs=ρ0。从图4中可以看出，振速的幅值比和相位差随L/a的变大而降低。

图4 不同L/a带球帽柱体与水质点的振速比随频率变化的仿真曲线Fig.4 The change curves of velocity ratio of different L/a cylinder with calotte and water particle with different frequency

图5 声波作用下三种模型和水质点的振速比Fig.5 Velocity ratio of three models and water particle induced by sound waves

以合成树脂和刚性泡沫为材料特性进行建模，取a=22 mm，L=44 mm(见图1)，三种形状接收器平均密度ρs=ρ0，三种接收器模型与该处水质点的振速比如图5所示。从图5中可以看出:随着频率的升高，带球帽圆柱体的振速幅值降低，而与该处水质点的相位差变化较大，在10 kHz以下，比低4 dB，而相位差在3°以内。

基于以上分析可知:采用两端带球帽的圆柱形结构作为三轴向矢量水听器的外形、内部采用硬性泡沫为填充材料、外部采用合成树脂为密封材料是完全可行的。在10 kHz频率以下矢量水听器的z通道与x、y通道相比差别很小，可以满足工程要求。

2 三轴向组合式矢量水听器的研制与测试

本文选择压电加速度传感器作为矢量水听器的内部拾振传感器，它是矢量水听器最主要的部分，其质量和体积直接影响矢量水听器的平均密度和体积。订制的压电加速度传感器的灵敏度为2000 mV/g，工作频带0.35 Hz—8000 Hz，体积为 Ф18 ×17(mm)。矢量水听器的声压通道采用Ф30×34×20(mm)的PZT－5压电陶瓷圆环。为了将声压水听器和矢量水听器在结构上复合为一体，内部采用低密度复合材料填充，以便降低矢量水听器的平均密度，外部采用密封材料(聚胺酯)进行密封，以保证其声压水听器良好的透声性能，研制的三轴向复合式矢量水听器体积为 Ф44×88(mm)。图6给出了研制的12只三轴向复合式矢量水听器照片。

图6 研制的三轴向复合式矢量水听器Fig.6 Three dimensional combined vector hydrophone

矢量水听器的基本性能参数包括:各通道的指向性、通道的灵敏度以及x、y、z通道与声压通道之间的相位差特性等［8］。矢量水听器在其波尺寸很小的情况下，其x、y、z通道的指向性函数可以用cosθ来表示，即具有余弦指向性。矢量水听器的通道灵敏度可以在声场中测量，也就是矢量水听器响应声压时的声压灵敏度MOL，可表示为:

式中:Uoc为矢量水听器的通道输出开路电压［V/Pa］;p为未放入矢量水听器之前在矢量水听器中心位置处的自由场声压［Pa］。

采用比较法对研制的三轴向复合式矢量水听器的通道灵敏度M0L、指向性及矢量通道与声压通道之间的相位差φpx、φpy、φpz进行了测试，测试系统的原理框图如图7所示。

图7 矢量水听器测量系统框图Fig.7 The measurement system of vector hybrophone

矢量水听器通道指向性测量时，在发射器发射信号保持不变条件下，通过旋转装置使被测矢量水听器旋转360°，并同时记录通道在不同角度时的输出电压信号。一般将测量数据做归一化处理用对数形式来表示，测得的矢量水听器x、y、z通道的指向性图如图8所示。在指向性的测量中，采用相位计同时记录矢量水听器声压通道的输出电信号与x、y、z通道输出电信号之间的相位差，得到的测量结果如图9所示。对于矢量水听器通道灵敏度的测量，通常取主轴方向进行测量，即分别将各通道轴对准发射器，当发射器输出幅度保持不变时，改变发射器发射频率，同时记录矢量水听器的通道输出电压和标准水听器的输出电压，通过比较法计算出该通道的灵敏度，一般以1 V/μPa为基准用对数形式来表示，图10给出了矢量水听器通道灵敏度的测试结果。

由图8～图10可看出，研制的矢量水听器的矢量通道的灵敏度为－184 dB(测量频率1 kHz，0 dB参考值1 V/μPa)，具有良好的余弦指向性;声压通道灵敏度级可达－198 dB(0 dB参考值1 V/μPa)，声压通道与矢量通道之间的相位差基本保持在90°左右，这与理论是相符合的。

图9 矢量通道与声压通道之间的相位差Fig.9 The phase difference between vector channel and pressure channel

图10 复合式矢量水听器通道灵敏度Fig.10 The sensitivity of combined vector hydrophone

3 结论

本文以同振球形和柱形矢量水听器的基本原理为基础，分析了两端带球帽的柱形结构的三轴向复合式矢量水听器振动速度与介质中该点处的质点运动速度的关系，通过仿真计算验证了此种结构用于矢量水听器设计的可行性。在仿真的基础上设计、研制了12只体积为Ф44×88(mm)的两端带球帽的柱形结构的三轴向复合式矢量水听器，性能测试结果表明:矢量通道的声压灵敏度级为－184 dB(测量频率1 kHz，0 dB参考值1 V/μPa)，具有余弦指向性;声压通道灵敏度级可达－198 dB(0 dB参考值1 V/μPa)，声压通道与矢量通道之间的相位差基本与理论相符合。两端带球帽的柱形结构的三轴向复合式矢量水听器特别适合于构成线阵使用。

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［3］邢世文.三维矢量水听器及其成阵研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009.

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