一体化标量水听器的设计

沈庆楼

(海军驻哈尔滨地区航空军事代表室，黑龙江哈尔滨150001)

0 引言

声纳是海上作战个体(各种舰、艇)的五官，所有的战场侦察(软武器)都要以声纳为媒体，尤其是水下侦察，更是缺之不可［1］。在民用领域，声纳系统同样发挥着重要作用，例如:水下通信、鱼群探测、海底勘探等。水听器(水下各种发射、接收测量传感器总称，包括标量传感器和矢量传感器)作为声纳系统的重要部件之一，是水声学的一个重要研究方向，新型水听器的研究是我国海军声纳技术革新的一个关键内容。

由于水听器受尺寸限制，电路处理部分一般采用的是分体设计，引出电缆随着外界的振动摩擦产生静电电荷，由于压电矢量水听器属于容性元件，阻抗很高，电荷不会在短时间内消失，将被直接送入前置放大器，产生线间干扰。另一方面，由于电缆线存在一定的压降，将使传感器与后续的电路之间的接地点之间存在一定的电位差，产生测量噪声。而一体化水听器将前置电路处理部分进行集成处理，与敏感部分安装在一起，整体封装在水听器内部，使水听器的输出进行标准化处理，大大降低了水听器的噪声。本文提出的一体化标量水听器，在很大程度上改善了声压灵敏度频率响应，具有低频、小体积、高灵敏度、抗干扰能力强的特点［2］。

1 总体设计方案

1.1 一体化标量水听器模型

传感器是利用压电陶瓷的正压电效应来检测声波信号。在压电材料上作用一外力，引起它发生形变，此时材料内部会产生一个电场，而且电场与形变呈线性关系，这种效应称正向压电效应［3］。而现在水声类传感器用得最多的压电材料就是压电陶瓷，可以接收声信号的压电模型有很多种，如压电圆环，压电圆盘，压电薄片，压电圆管等。经过资料查询与理论分析，本一体化标量水听器采用压电圆管作为声接收芯体。

压电圆管的径向振动常在水声类传感器的低频段使用，元件如图1所示。

图1 压电圆管Fig 1 Piezoelectric round tube

通过理论推导可以得出，开路接收电压灵敏度

其中，ρ=a/b［4］，g33，g31为压电陶瓷压电系数，V 为压电陶瓷开路电压，p0为外界声压，a为压电圆管内径，b为压电圆管外径。

由于水听器的信号为电荷信号，因此，本文提出的一体化标量水听器的电路部分采用高阻放大电路。由于水听器体积较小，故电路部分重点考虑在保证其抗干扰能力的前提下，尽量减少其元件数量与体积，实现小体积水听器。水听器的声学接收部分采用声学材料灌封，从而达到其水下使用中对水密性的要求。本水听器采用一体化设计，一体化标量水听器基本原理框图如图2所示。

图2 一体化标量水听器基本原理框图Fig 2 Principle diagram of the integrated scalar hydrophone

1.2 一体化标量水听器的设计

1)敏感元件的设计

压电式传感器分为谐振式和非谐振式谐振式，传感器工作于谐振频段，灵敏度高，但带宽受到限制，一般用于发射型换能器，也可用于窄带接收;非谐振式传感器工作于平坦频段，灵敏度较小，但有很平坦的响应，故一般可用于宽频带接收。基于理论分析，考虑采用非谐振式原理设计压电圆管振子，利用其径向振动模式，通过对不同尺寸元件的径向振动模式和径向振动模式谐振频率的计算比较，选取敏感元件尺寸［5］。

2)结构设计

本一体化标量水听器采用声学材料灌封来解决水密性问题。同时为了保证结构壳体和电路板等附加结构不影响振子的振动模态，敏感元件与结构壳体之间采用螺栓固定连接方式。水听器的结构如图3所示。

图3 水听器的结构简图Fig 3 Structure diagram of the hydrophone

3)电路设计

电路原理框图如4所示。

图4 电路原理框图Fig 4 Principle block diagram of the circuit

前端采用具有高输入阻抗的场效应晶体管将微弱电荷信号转换为可处理的电压信号，同时实现阻抗匹配。考虑小型化要求，选用低噪声器件MAX412ESA保证上限工作频率。同时，设计了滤波与隔离电路来保证信号正常传输。另外，通过特种设计保证了线路频响和探头的可靠性。

2 工艺设计

工艺流程图见图5。

图5 工艺流程图Fig 5 Process flow diagram

3 实验

3.1 电路频响测试结果

在电路开路端，输入正弦信号，幅度为20 mV，增益100倍，水听器电路的测试结果如详见表1与表2。

从测试结果可看出:在20 Hz～10 kHz频段，低频有一定的衰减，水听器灵敏度在频带内的不平坦度要求不大于3 dB，符合设计要求。

表1 电路频响测试数据表Tab 1 Frequency response test data tables of the circuit board

3.2 探头频响测试

对一体化标量水听器进行敏感探头频响测试，测试结果如图6所示。

图6 阻抗分析测试仪测试结果Fig 6 Test results of the impedance analyzing tester

由图6可看出:一体化标量水听器探头部分的谐振频率在40 kHz，由理论分析，本文提出的一体化标量水听器的频响上限可以到10 kHz左右。

3.3 水听器性能测试结果

本文提出的一体化标量水听器在国家一级水声计量站715所进行了样品测试，水听器的灵敏度在-158 dB以上，频响大于10 kHz，不平坦度小于3 dB，测试结果良好，电路增益40 dB，与设计参数匹配吻合。1号样品和2号样品的接收灵敏度曲线如图7，图8所示。

图7 1号样品的接收灵敏度曲线Fig 7 Receiving sensitivity curve of sample 1

图8 2号样品的接收灵敏度曲线Fig 8 Receiving sensitivity curve of sample 2

4 结论

本文提出的本一体化标量水听器通过取2个变量的最佳平衡点、在电路部分增大增益、改善工艺环节等方法实现了小体积、大灵敏度，通过多次测试，验证了方法的有效性。本文提出的一体化标量水听器采用了优化结构和低频电路设计，使传感器具备了低频测试能力，解决了水声类传感器的低频测试问题。

［1］孙贵青，李启虎.声矢量传感器研究进展［J］.声学学报，2004(11):481-489.

［2］张 鹏.集成型二维矢量水听器研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2011:1-2.

［3］Wong K T，Chi Hoiming.Beam patterns of an underwater acoustic vector hydrophone located away from any reflecting boundary［J］.IEEE Journal of Engineering，2002，27(3):628-637.

［4］栾桂冬.压电换能器和换能器阵(上册)［M］.北京:北京大学出版社，1990:158-169.

［5］袁希光.传感器手册［M］.北京:国防工业出版社，1986:596-597.